RenderThread:异步渲染动画
Android中动画是比较常见的，无论你是使用的补间动画还是属性动画，都无法避免对UI的绘制，那么异步渲染是否可行呢？答案当然是可行的，其关键就是RenderThread，对于RenderThread可能有些人对它并不甚了解，下面先简要的介绍下它。
作者：郭海洋
Android 高级开发工程师，主要负责统一控件的开发和维护，以及新技术的研究和创新工作。
看到此处，你可能会有疑问,这里的Open GL线程又是什么呢？要理解此处,首先要明确硬件加速是什么，其实就是通过GPU来渲染。GPU作为一个硬件，应用程序无法直接使用，它是由GPU厂商按照Open GL规范实现的驱动，间接进行使用的。那么当应用程序使用Open GL去渲染UI的时候，Android应用程序的UI就是通过硬件加速来渲染的，也就是说此处的Open GL线程就是处理硬件加速绘制的线程。
在Android3.0的时候，UI的绘制就支持硬件加速了，不过此时默认是关闭的，应该是发展初期并不稳定。当Android4.0之后，UI的绘制默认开启硬件加速，此时支持应该相对完善了,到了Android5.0出现了Render Thread专门处理硬件加速相关的绘制。
通过上面的论述我们可以简单的得到一个结论，在Android5.0之前无论计算还是绘制都是在主线程上的，而之后，对于启用了硬件加速的UI来说，至少绘制可以在Render Thread上进行。这也就是为什么Android 5.0之后动画更加酷炫了，但UI似乎比之前更加流畅的原因。
至此,我们只是简单的了解了RenderThread是什么,但是对于它如何在Android的绘制中发挥作用，又是如何可以异步渲染动画还为提及。为了解决这些疑问，下面我们来探索Android UI的绘制流程。
Android UI的绘制流程
对于Android的UI绘制，基本上可以分两步进行。第一步是Android的应用程序进程中进行，第二步在SurfaceFlinger进程中进行。第一步的时候，将UI绘制到图形缓存区域中，然后交由第二步合成以及显示到屏幕中。对于Android的UI绘制，区分基于软件的绘制和硬件加速绘制两种，下面先介绍下软件绘制。
软件绘制
在讲解之前，先看图1，对软件绘制有个整体认识。
图1
在基于软件的绘制模式下，CPU主导绘图，视图依照两个步骤绘制UI：
1）让View层次结构失效；
2）绘制View层次结构。
当应用程序需要更新UI时，都会调用内容发生改变的View的invalidate方法，让其失效的请求会在View对象层次结构中传递，以便计算出需要重绘的屏幕区域（脏区）。然后，Android系统会在View层次结构中绘制所有的跟脏区相交的区域。
在Android应用中每个窗口都关联一个Surface,当需要绘制UI的时候，会调用对应的Surface的lockCanvas方法获取一个Canvas，其本质就是通过SurfaceFlinger 服务Dequeue一个GraphicBuffer。绘制完成后，Android应用调用对应Surface的unlockCanvasAndPost方法请求显示在屏幕中，其本质是向SurfaceFlinger服务Dequeue一个GraphicBuffer,以便SurfaceFlinger服务可以对Graphic Buffer的内容进行合成以及显示到屏幕上去。对于View中onDraw方法中的参数Canvas来说，它便是Surface通过lockCanvas方法获取的Canvas。对于软件绘制来说，它也有不可避免的缺陷：
1）绘制了不需要重绘的视图（与脏区相交的区域）；
2）掩盖了一些应用缺陷（因为重绘制了内容）。
至此,我们已经了解了Android中基于软件绘制的流程，正因为软件绘制还有许多不完美，才促使了硬件加速绘制的产生，下面我们讲一下基于硬件加速绘制的流程。
硬件加速绘制
图2
对于硬件加速来说，Android 5.0之后由于引入了Render Thread，其绘制过程发生了些许的变化，看图3。
图3
在Android 5.0之前的时候，UI发生变化后，主线程内首先要更新对应View的展示列表，当VSYNC信号到来时候，将对应的展示列表转化为对应的OpenGL命令然后调用OpenGL 的函数完成绘制，也就是说主线程既需要完成展示列表的构建工作，又需要通过展示列表转为OpenGL命令完成绘制工作。在Android 5.0 之后，当UI发生改变后，在主线程中更新对应View的展示列表，在VSYNC信号到来时，向Render Thread发出drawFrame的命令,Render Thread内部有一个Task Queue用于接收绘制命令，接收后等待Render Thread的处理。也就是说Android 5.0之后主线程仍旧负责View的展示列表的更新，但绘制交由Render Thread。
至此，我们已经知晓，RenderThread作为Android 5.0的产物，是当UI开启硬件加速后，用于分担主线程绘制任务的渲染线程。这里我们可以得到两个结论：1）Android5.0之后，UI绘制可以异步绘制；2）绘制可以异步，动画可以异步也似乎成为可能，因为阻碍动画异步的主要原因就是UI绘制。但知道了这些，仍不清楚RenderThread对于动画有什么作用，不过，正因为有了这些知识的积累，才能继续后续的探索，好，带着疑问，下面开始探索Android中动画如何使用硬件加速。
Android中动画使用硬件加速
在讲解之前，我们先看下图4。
图4
动画中使用硬件加速有两种方式，一种是通过View Layer，使用Frame Buffer Object的方式绘制，第二种就是通过将动画注册到RenderThread中进行构建和绘制。下面开始分析第一种。
通过View Layer，使用Frame Buffer Object的方式绘制。View Layer又称为离屏缓冲，它的作用就是将绘制的结果进行缓存，缓存的结果可能是OpenGL的纹理或者是Bitmap，取决于硬件加速是否开启。当UI开启硬件加速的时候，开启动画时设置 setLayerType(LAYER_TYPE_HARDWARE,null),并使用buildLayer方法构建View的Layer,并在动画结束后，使用setLayerType(LAYER_TYPE_NONE, null);进行恢复Layer。此时动画的每一帧都可以通过Open GL的Frame Buffer Object的方式绘制。此处的绘制也和上面提及的一样，也只能是Android 5.0后可以使用Render Thread 绘制，否则仍是主线程中绘制，而且并不能完全异步渲染，还需依赖主线程构建UI的显示列表。但只要使用View Layer，无论是否开启硬件加速，绘制时都会对原有内容重用，提升绘制效率。但是只针对View内容不发生变更的操作，也就是View中无需使用 invalidate方法的操作，比如位移、旋转、透明度等操作。此方案能提高动画的绘制效率但并不是我们想要的，继续看下一种。
通过将动画注册到Render Thread中进行构建和绘制：将待执行的动画注册到 Render Thread 中的AnimatorManager 之后，AnimatorManager开始检测动画是否完成结束，如果还没有结束，那么Render Thread就自动地计算和显示动画的下一帧，直到动画显示结束为止。此时Canvas由DisplayListCanvas实现，方法参数类型使用CanvasProperty对象替换原有的基本类型（例如CanvasProperty<Float>替换float）。此时动画的初始化以及初始的显示列表以及对应的绘制操作在UI线程中创建，之后Render Thread可以通过CanvasProperty异步的进行修改，从而使得后续的显示列表的更新以及绘制都可以由RenderThread进行，从而达到异步渲染动画的目的。很明显，我们终于找到了，这个就是我们要找的。
至此我们终于明白了，在开启硬件加速的时候，Android5.0之前没有RenderThread，主线程需要参与构建和绘制，Android5.0之后出现的RenderThread，可以分担主线程的绘制任务，而动画可以注册到RenderThread中，让RenderThread自己完成构建和绘制，不需依赖主线程。但仅仅如此吗？理论还需实践的支撑，下面我们通过代码的探索来印证理论，然后实现RenderThread渲染动画，来为此次探索，画上完美的句号。
经过查阅官方文档，得知目前支持RenderThread完全渲染的动画，只有两种：ViewPropertyAnimator和CircularReveal（揭露动画）。对于CircularReveal（揭露动画）使用比较简单且功能较为单一，在此不做过多的探索，着重讲解下ViewPropertyAnimator。
从源码逆推实现
通过刚才的知识，我们了解到如果要实现RenderThread完全渲染动画，只需要将动画注册到RenderThread的AnimatorManager中即可，其余的系统会处理。由于ViewPropertyAnimator并不是任何情况下都是RenderThread完全渲染的动画，我们尝试从源码中探究ViewPropertyAnimator什么情况下，才能实现RenderThread完全渲染的动画，从源码逆推实现。
首先，我们看看如何使用ViewPropertyAnimator呢？
View view = findViewById(R.id.button);
ViewPropertyAnimator animator = view.animate().scaleX(1).translationX(1).alpha(1);
animator.start();我们可以看到View调用animate方法就可以创建ViewPropertyAnimator 的动画，它有缩放、位移、透明度相关的方法。但需要注意的是ViewPropertyAnimator 并不是Animator的子类。然后看下ViewPropertyAnimator 的start方法：
public class ViewPropertyAnimator {
......
public void start() {
......
startAnimation();
}
......
}可以看到，start方法内调用了startAnimation方法：
public class ViewPropertyAnimator {
......
/**
* A RenderThread-driven backend that may intercept startAnimation
*/
private ViewPropertyAnimatorRT mRTBackend;
......
private void startAnimation() {
if (mRTBackend != null && mRTBackend.startAnimation(this)) {
return;
}
......
ValueAnimator animator = ValueAnimator.ofFloat(1.0f);
......
animator.start();
}
......
}通过代码我们可以看到，startAnimation方法首先对mRTBackend 进行了判断，判断不为null的话，则直接由它执行动画。如果判断失败，则继续执行后续的语句，其中mRTBackend是ViewPropertyAnimatorRT 类型的。很明显判断失败后执行的就是属性动画，此时并不支持RenderThread完全渲染，这也就是不满足的情况。再结合mRTBackend 的注释，很明显RenderThread渲染动画应该和ViewPropertyAnimatorRT相关，我们得到首要条件，mRTBackend不为null。
下面开始探索ViewPropertyAnimatorRT#startAnimation方法来进一步确认：
class ViewPropertyAnimatorRT {
......
public boolean startAnimation(ViewPropertyAnimator parent) {
......
if (!canHandleAnimator(parent)) {
return false;
}
doStartAnimation(parent);
return true;
}
......
}startAnimation方法先使用canHandleAnimator方法判断，判断返回false直接退出，返回true后，再执行doStartAnimation方法，我们首先看下canHandleAnimator方法：
class ViewPropertyAnimatorRT {
......
private boolean canHandleAnimator(ViewPropertyAnimator parent) {
......
if (parent.getUpdateListener() != null) {
return false;
}
if (parent.getListener() != null) {
// TODO support
return false;
}
if (!mView.isHardwareAccelerated()) {
// TODO handle this maybe?
return false;
}
if (parent.hasActions()) {
return false;
}
// Here goes nothing...
return true;
}
......
}通过此处的代码可以看到，如果执行动画的View不支持硬件加速，或者动画设置了监听Listener或者UpdateListener，或者动画设置了Action（动画开始结束的监听），都会导致返回false,从而导致doStartAnimation就无法执行。此处我们得到进一步的条件，不进行各种设置，确保 canHandleAnimator返回true。
下面继续看一下doStartAnimation方法：
class ViewPropertyAnimatorRT {
......
private void doStartAnimation(ViewPropertyAnimator parent) {
int size = parent.mPendingAnimations.size();
......
for (int i = 0; i < size; i++) {
NameValuesHolder holder = parent.mPendingAnimations.get(i);
int property = RenderNodeAnimator.mapViewPropertyToRenderProperty(holder.mNameConstant);
final float finalValue = holder.mFromValue + holder.mDeltaValue;
RenderNodeAnimator animator = new RenderNodeAnimator(property, finalValue);
animator.setStartDelay(startDelay);
animator.setDuration(duration);
animator.setInterpolator(interpolator);
animator.setTarget(mView);
animator.start();
mAnimators[property] = animator;
}
parent.mPendingAnimations.clear();
}
......
}doStartAnimation方法对于每个动画属性都创建了RenderNodeAnimator,然后将对应的动画参数也设置给了RenderNodeAnimator。此处也就完成了动画和属性的绑定。
这样代码就探索到了RenderNodeAnimator，经过查看发现setTarget方法比较重要，下面看下它的代码：
public class RenderNodeAnimator extends Animator {
......
public void setTarget(View view) {
mViewTarget = view;
setTarget(mViewTarget.mRenderNode);
}
private void setTarget(RenderNode node) {
......
mTarget = node;
mTarget.addAnimator(this);
}
......
}我们可以看到setTarget方法将当前View的RenderNode和RenderNodeAnimator通过addAnimator进行绑定。在RenderNode#addAnimator方法中调用了Native方法nAddAnimator，我们看下其Natvie代码的实现：
static void android_view_RenderNode_addAnimator(JNIEnv* env, jobject clazz,
jlong renderNodePtr, jlong animatorPtr) {
RenderNode* renderNode = reinterpret_cast<RenderNode*>(renderNodePtr);
RenderPropertyAnimator* animator = reinterpret_cast<RenderPropertyAnimator*>(animatorPtr);
renderNode->addAnimator(animator);
}
void RenderNode::addAnimator(const sp<BaseRenderNodeAnimator>& animator) {
mAnimatorManager.addAnimator(animator);
}至此，我们了解了动画如何被添加到AnimatorManager中。根据刚才的知识，后续AnimatorManager和RenderThread的操作交由系统去处理，进而让RenderThread去完全管理动画，实现RenderThread渲染动画。当然这不是探索的终点，对于RenderThread同AnimatorManager如何交互，又是如何绘制，我们并没有详细的叙述，这不是探索的重点，在此不再细究，如有兴趣可自行继续深入。
从原理到代码实践
我们通过ViewPropertyAnimatorRT#canHandleAnimator方法知道，为了使其方法返回True，一定要满足，不设置各种回调，且View支持硬件加速。
我们可以看到ViewPropertyAnimatorRT 是让动画交由RenderThread处理的关键，但是翻阅源码，并未发现何处创建了这个对象，为了能达到预期的效果，我们自己进行设置。通过查看源码，此类是属于包保护级别的，不是hide的类，在Android P 即使使用反射并不会有影响，下面看下代码实现：
创建对应的view的ViewPropertyAnimatorRT 。
/**
* 创建对应的View的ViewPropertyAnimatorRT
*/
private static Object createViewPropertyAnimatorRT(View view) {
try { Class<?> animRtClazz = Class.forName("android.view.ViewPropertyAnimatorRT");
Constructor<?> animRtConstructor = animRtClazz.getDeclaredConstructor(View.class);
animRtConstructor.setAccessible(true);
Object animRt = animRtConstructor.newInstance(view); return animRt;
} catch (Exception e) { Log.d(TAG, "创建ViewPropertyAnimatorRT出错,错误信息:" + e.toString()); return null;
}
}然后为viewpropertyAnimator设置对应的mRTBackend的值。
private static void setViewPropertyAnimatorRT(ViewPropertyAnimator animator, Object rt) { try {
Class<?> animClazz = Class.forName("android.view.ViewPropertyAnimator");
Field animRtField = animClazz.getDeclaredField("mRTBackend");
animRtField.setAccessible(true);
animRtField.set(animator, rt);
} catch (Exception e) {
Log.d(TAG, "设置ViewPropertyAnimatorRT出错,错误信息:" + e.toString());
}
}在动画执行前需要执行的方法。
/**
* 在执行动画开始前配置
*/
public static void onStartBeforeConfig(ViewPropertyAnimator animator, View view) {
Object rt = createViewPropertyAnimatorRT(view);
setViewPropertyAnimatorRT(animator, rt);
}我们看下使用RenderThread渲染动画的完整代码。
private void startAnim2(View v) {
v.setScaleY(1);
ViewPropertyAnimator animator = v.animate().scaleY(2).setDuration(2000);
AnimHelper.onStartBeforeConfig(animator, v);
animator.start();
}为了达到测试的效果，我们在执行动画期间使用Thread.sleep模拟线程卡顿。完整的RenderThread渲染动画的测试代码如下：
findViewById(R.id.button2).setOnClickListener(new View.OnClickListener() { @Override
public void onClick(View v) {
startAnim2(v);
delaySleep(1000, 3000);
}
});我们在动画执行期间模拟UI线程卡顿的效果。
private void delaySleep(long delay, final long duration) { handler.postDelayed(new Runnable() { @Override
public void run() { try {
Thread.sleep(duration);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, delay);
}为了对比实现效果，另一种实现：
private void startAnim1(View v) {
ObjectAnimator objectAnimator = ObjectAnimator.ofFloat(v, "scaleY", 1, 2);
objectAnimator.setDuration(2000);
objectAnimator.start();
}另一种实现的完整代码。
//属性动画
findViewById(R.id.button).setOnClickListener(new View.OnClickListener() { @Override
public void onClick(View v) {
startAnim1(v);
delaySleep(1000, 3000);
}
});此时运行代码，执行不同的动画，就会看到不同的效果，具体效果可参考此GIF效果，如图5。
图5
可以很明显的看到一般的动画，当主线程阻塞的时候，会出现明显的丢帧卡顿，而使用RenderThread渲染的动画即使阻塞了主线程仍不受影响。
至此，已经完成对RenderThread异步渲染动画的探索，如有不同观点，还请留言指正。
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