Android SurfaceView 多线程绘图
fly_xiaosu
7年前
<p>以前学习过分形几何，很有意思，由简单的数学公式迭代计算得到的分形图形，放大后不会丢失细节。典型的如Mandelbrot图形：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/51954f8d112744c916471dc5475b1c29.png"></p> <p style="text-align:center">Mandelbrot.png</p> <p>计算方式也不复杂，由f(z) = z^2 + c,迭代计算 z1=f(z0), z2=f(z1), z3=f(z2)...其中z, c都是复数，可以表示为复平面上的一个点，而每个点的计算次数可以映射为一个颜色值（就像不同温度映射为热成像），把这些不同坐标、不同颜色的点组合起来，就是一张分形图形了。</p> <p>那么，Android下如何实现呢？</p> <p>已知使用 Bitmap.setPixel(int x, int y, int color) 方法可以将计算结果保存到Bitmap中，有多种方法展示：</p> <ul> <li>一次计算出整个图形的Bitmap，显示到ImageView上：<br> 计算时间可能较长，计算过程中看不到任何画面</li> <li>使用SurfaceView，利用可以动态刷新的特点，开启多个线程各计算图片的一部分，某个线程计算完成后将结果刷新到Surface上，直到所有线程结束</li> <li>使用TextureView，原理跟SurfaceView相同。在Android4.0之后使用，支持硬件加速，并且TextureView可以放大，缩小，平移等（这些操作在SurfaceView上无效）</li> </ul> <p>SurfaceView效果图如下：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/f727ad0965e18b563775fb88217c7ed2.gif"></p> <p style="text-align:center">rects.gif</p> <h3>SurfaceView的基本使用</h3> <pre> <code class="language-java">//创建SurfaceView，也可以直接放到layout布局中 SurfaceView surface = new SurfaceView(this); //获取SurfaceHolder SurfaceHolder holder = surface.getHolder(); //添加Callback holder.addCallback(mCallback); //创建Callback SurfaceHolder.Callback mCallback = new SurfaceHolder.Callback() { @Override public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) { //表示Surface准备好，可以绘制了 //绘制在整个Surface上 Canvas canvas = holder.lockCanvas(); canvas.drawColor(Color.BLACK); holder.unlockCanvasAndPost(canvas); //绘制在Surface中的一个矩形区域内 canvas = holder.lockCanvas(new Rect(0,0,100,100)); canvas.drawColor(Color.RED); holder.unlockCanvasAndPost(canvas); } @Override public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) { } @Override public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) { //表示Surface销毁，不能绘制 } };</code></pre> <p>几个注意点：</p> <ul> <li>Surface的可绘制状态是在SurfaceHolder.Callback的 surfaceCreated(SurfaceHolder holder) 方法回调后， surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) 方法回调前，可以用一个boolean变量标记可绘制状态，在每次绘制前先判断这个变量。如果在Surface创建前，或者Surface销毁后进行绘制，也会直接抛出异常</li> <li>holder.unlockCanvasAndPost(Canvas c) ，从方法名中的post可以看出，这个方法不是立即执行的，连续多次调用会一次显示最终的结果。比如，画一个矩形，调用unlockCanvasAndPost，接着画另一个矩形，调用unlockCanvasAndPost，Surface上会直接显示两个矩形</li> <li>holder.lockCanvas(Rect r) ，这个方法会从Surface中取出一块矩形区域进行刷新，Surface中的其他部分保持原样，也就是动态局部刷新。这个方法调用后会修改传入的参数 Rect r！！！如果后面还要用 r，就不能指望 r 中还是原来的数据，建议传入参数时构造一个新的Rect对象-- lockCanvas(new Rect(r))</li> <li>从lockCavas()到unlockCanvasAndPost()的过程只能有一个线程操作(不需要是主线程)。也就是不能线程A调用了lockCavas()，还没有unlock，另一个线程B就跑来lock，这时会直接抛出异常。要使用多线程操作SurfaceView的话，可以把这两个方法封装在一个同步方法里，或者使用其他方式保证同一时间只有一个线程在修改Surface</li> </ul> <p>（下面是具体的方法）</p> <p>计算一块矩形区域的分形图形，并保存到Bitmap中</p> <p>调整传入的参数可以得到不同的图形</p> <pre> <code class="language-java">public Bitmap calculateBitmap(Rect r, float re, float im) { Complex z = new Complex(0f,0f); Complex c = new Complex(re, im); Bitmap bitmap = Bitmap.createBitmap(r.width(), r.height(), Bitmap.Config.RGB_565); for (int i = r.left - width / 2; i < r.right - width / 2; i++) { for (int j = r.top - height / 2; j < r.bottom - height / 2; j++) { z.re = i * 2f / width; z.im = j * 3f / height; int k = 0; for (; k < ITERATE_TIMES; k++) { if (z.abs() > 2) break; z.mul(z); z.add(c); } int color = generateColor(k); bitmap.setPixel((i + width / 2) % r.width(), (j + height / 2) % r.height(), color); } } return bitmap; }</code></pre> <p>把迭代次数映射为颜色值</p> <p>修改这个方法可以得到不同的颜色效果</p> <pre> <code class="language-java">protected int generateColor(int k) { int r, g, b; if (k < 16) { g = 0; b = 16 * k - 1; r = b; } else if (k < 32) { g = 16 * (k - 16); b = 16 * (32 - k) - 1; r = g; } else if (k < 64) { g = 8 * (64 - k) - 1; r = g; b = 0; } else { // range is 64 - 127 r = 0; g = 0; b = 0; } return Color.argb(255, r, g, b); }</code></pre> <p>同步绘图</p> <pre> <code class="language-java">synchronized void drawBitmap(SurfaceHolder holder, Rect r, Bitmap bitmap) { if (isAvailable.get()) { Canvas canvas = holder.lockCanvas(new Rect(r)); canvas.drawBitmap(bitmap, r.left, r.top, null); holder.unlockCanvasAndPost(canvas); } }</code></pre> <p>多线程计算</p> <ol> <li>先将屏幕切分成多个矩形方块，便于开启多线程计算，将得到的所有Rect保存到一个集合中，可以使用 Collections.shuffle() 方法打乱排序，获得不同的视觉效果；</li> <li>然后使用 Executors.newFixedThreadPool(5) 方法建立一个最大5个线程的线程池（这个数字跟设备CPU核数有关，一般用2*核数+1。线程数太少不能充分发挥CPU的性能；线程数太多了没有意义，实际开不了那么多线程，但没有发现负面作用）；</li> <li> <p>遍历Rect集合，每取出一个Rect就丢到线程池中去计算，计算完调用同步绘图方法刷新SurfaceView。</p> <pre> <code class="language-java">ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5); ArrayList<Rect> list = new ArrayList<>(xCount * yCount); for (int i = 0; i < xCount; i++) { for (int j = 0; j < yCount; j++) { Rect r = new Rect(i * xSize, j * ySize, (i + 1) * xSize, (j + 1) * ySize); list.add(r); } } //打乱排序 Collections.shuffle(list); for (final Rect r : list) { executorService.execute(new Runnable() { @Override public void run() { Bitmap bitmap = calculateBitmap(r); syncDraw(r, bitmap); } }); }</code></pre> </li> </ol> <p>将Surface切分为条状的效果如下</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/4b3da0947967cca8f95342f8e97e4d12.gif"></p> <p style="text-align:center">bars.gif</p> <p>上面是绘制一张图形的方法，改变 calculateBitmap(Rect r, float re, float im) 方法的参数可以得到完全不同的图形。如果每个线程计算一个参数下的整个图形，计算完刷新整个Surface，就能看到参数变化的动态效果（即帧动画，由于计算速度的限制，导致帧数很低-_-!!）：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/2c82420142695a908e71389261779ae5.gif"></p> <p>这里用到生产者-消费者模型，多个线程生产（计算Bitmap），一个线程消费（将Bitmap绘制到SurfaceView上）。Java中一般而言有两种方法：一是利用wait/notify(notifyAll)机制；二是使用java.util.concurrent包中的对象，如BlockingQueue、ConcurrentMap等。后者能自动处理并发问题，使用起来比较方便，新代码中没有必要使用前者。当然后者也是对前者的封装，最好能了解前者的原理。</p> <ol> <li>构造一个 ConcurrentHashMap<Integer, Bitmap> 用于保存序号和对应的Bitmap图形</li> <li>构造一个线程池，在一个固定次数（如500）的循环内，添加线程任务（生产者线程）：根据循环变量生成渐变的参数，计算出对应的Bitmap图形，然后将循环的次数和Bitmap图形添加到ConcurrentHashMap中（如果直接绘图，就不能保证图形变化跟随参数变化的顺序）</li> <li>添加消费者线程任务：每个一段时间从ConcurrentHashMap中取出循环变量对应的Bitmap，要用 remove() 而不是 get() ，否则map的大小会不断增大。如果取出的Bitmap不为空，就绘制到SurfaceView上（因为是单线程操作，所以没必要用同步方法），否则继续等待和取出。 <p>注意要先添加消费者线程，再添加生产者线程（我的叙述是反的），否则消费者线程可能挤不进去！</p> </li> </ol> <pre> <code class="language-java">final ConcurrentHashMap<Integer, Bitmap> map = new ConcurrentHashMap<>(10); service = Executors.newFixedThreadPool(6); service.execute(new Runnable() { @Override public void run() { int i = 0; paint = new Paint(); paint.setColor(Color.RED); while (isAvailable.get()) { int waitTime = map.size() == 0 ? 1000 : 1000 / map.size(); SystemClock.sleep(waitTime); Bitmap bitmap = map.remove(i); if (bitmap != null) { String text = "(" + String.format("%.5f", C.re + FACTOR_RE * i) +" , " + String.format("%.5f", C.im + FACTOR_IM * i) + ") buffered: " + map.size(); drawBitmapAndText(bitmap, text); i++; } } } }); for (int i = 0; i < 500; i++) { final int I = i; service.execute(new Runnable() { @Override public void run() { float re = C.re + FACTOR_RE * I; float im = C.im + FACTOR_IM * I; Bitmap bitmap = calculateBitmap(new Rect(0, 0, width, height), re, im); map.put(I, bitmap); } }); }</code></pre> <p>调整参数的变化范围后的动画如下</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/0ddf8b920c3e6d4a44b47ea9c4a9999b.gif"></p> <p> </p> <p> </p>