幀動畫記憶體OOM？不存在的！—— SurfaceView逐幀解析

唐子玄發表於2019-05-03

Android 提供了AnimationDrawable用於實現幀動畫。在動畫開始之前，所有幀的圖片都被解析並佔用記憶體，一旦動畫較複雜幀數較多，在低配置手機上容易發生 OOM。即使不發生 OOM，也會對記憶體造成不小的壓力。下面程式碼展示了一個幀數為4的幀動畫：

原生幀動畫

AnimationDrawable drawable = new AnimationDrawable();
drawable.addFrame(getDrawable(R.drawable.frame1), frameDuration);
drawable.addFrame(getDrawable(R.drawable.frame2), frameDuration);
drawable.addFrame(getDrawable(R.drawable.frame3), frameDuration);
drawable.addFrame(getDrawable(R.drawable.frame4), frameDuration);
drawable.setOneShot(true);

ImageView ivFrameAnim = ((ImageView) findViewById(R.id.frame_anim));
ivFrameAnim.setImageDrawable(drawable);
drawable.start();
複製程式碼

有沒有什麼辦法讓幀動畫的資料逐幀載入，而不是一次性全部載入到記憶體？SurfaceView就提供了這種能力。

SurfaceView

螢幕的顯示機制和幀動畫類似，也是一幀一幀的連環畫，只不過重新整理頻率很高，感覺像連續的。為了顯示一幀，需要經歷計算和渲染兩個過程，CPU 先計算出這一幀的影像資料並寫入記憶體，然後呼叫 OpenGL 命令將記憶體中資料渲染成影像存放在 GPU Buffer 中，顯示裝置每隔一定時間從 Buffer 中獲取影像並顯示。

上述過程中的計算，對於View來說，就好比在主執行緒遍歷 View樹以決定檢視畫多大（measure），畫在哪（layout），畫些啥（draw），計算結果存放在記憶體中，SurfaceFlinger 會呼叫 OpenGL 命令將記憶體中的資料渲染成影像存放在 GPU Buffer 中。每隔16.6ms，顯示器從 Buffer 中取出幀並顯示。所以自定義 View 可以通過過載onMeasure()、onLayout()、onDraw()來定義幀內容，但不能定義幀重新整理頻率。

SurfaceView可以突破這個限制。而且它可以將計算幀資料放到獨立的執行緒中進行。下面是自定義SurfaceView的模版程式碼：

public abstract class BaseSurfaceView extends SurfaceView implements SurfaceHolder.Callback {
    public static final int DEFAULT_FRAME_DURATION_MILLISECOND = 50;
    //用於計算幀資料的執行緒
    private HandlerThread handlerThread;
    private Handler handler;
    //幀重新整理頻率
    private int frameDuration = DEFAULT_FRAME_DURATION_MILLISECOND;
    //用於繪製幀的畫布
    private Canvas canvas;
    private boolean isAlive;

    public BaseSurfaceView(Context context) {
        super(context);
        init();
    }

    protected void init() {
        getHolder().addCallback(this);
        //設定透明背景，否則SurfaceView背景是黑的
        setBackgroundTransparent();
    }

    private void setBackgroundTransparent() {
        getHolder().setFormat(PixelFormat.TRANSLUCENT);
        setZOrderOnTop(true);
    }

    @Override
    public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {
        isAlive = true;
        startDrawThread();
    }

    @Override
    public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) {
    }

    @Override
    public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {
        stopDrawThread();
        isAlive = false;
    }

    //停止幀繪製執行緒
    private void stopDrawThread() {
        handlerThread.quit();
        handler = null;
    }

    //啟動幀繪製執行緒
    private void startDrawThread() {
        handlerThread = new HandlerThread("SurfaceViewThread");
        handlerThread.start();
        handler = new Handler(handlerThread.getLooper());
        handler.post(new DrawRunnable());
    }

    private class DrawRunnable implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            if (!isAlive) {
                return;
            }
            try {
                //1.獲取畫布
                canvas = getHolder().lockCanvas();
                //2.繪製一幀
                onFrameDraw(canvas);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                //3.將幀資料提交
                getHolder().unlockCanvasAndPost(canvas);
                //4.一幀繪製結束
                onFrameDrawFinish();
            }
            //不停的將自己推送到繪製執行緒的訊息佇列以實現幀重新整理
            handler.postDelayed(this, frameDuration);
        }
    }
    
    protected abstract void onFrameDrawFinish();

    protected abstract void onFrameDraw(Canvas canvas);
}
複製程式碼

用HandlerThread作為獨立幀繪製執行緒，好處是可以通過與其繫結的Handler方便地實現“每隔一段時間重新整理”，而且在Surface被銷燬的時候可以方便的呼叫HandlerThread.quit()來結束執行緒執行的邏輯。
DrawRunnable.run()運用模版方法模式定義了繪製演算法框架，其中幀繪製邏輯的具體實現被定義成兩個抽象方法，推遲到子類中實現，因為繪製的東西是多樣的，對於本文來說，繪製就是一張張圖片，所以新建BaseSurfaceView的子類FrameSurfaceView：

逐幀解析 & 及時回收

public class FrameSurfaceView extends BaseSurfaceView {
    public static final int INVALID_BITMAP_INDEX = Integer.MAX_VALUE;
    private List<Integer> bitmaps = new ArrayList<>();
    //幀圖片
    private Bitmap frameBitmap;
    //幀索引
    private int bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    private Paint paint = new Paint();
    private BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
    //幀圖片原始大小
    private Rect srcRect;
    //幀圖片目標大小
    private Rect dstRect = new Rect();
    private int defaultWidth;
    private int defaultHeight;

    public void setDuration(int duration) {
        int frameDuration = duration / bitmaps.size();
        setFrameDuration(frameDuration);
    }

    public void setBitmaps(List<Integer> bitmaps) {
        if (bitmaps == null || bitmaps.size() == 0) {
            return;
        }
        this.bitmaps = bitmaps;
        //預設情況下，計算一幀圖片的原始大小
        getBitmapDimension(bitmaps.get(0));
    }
    
    private void getBitmapDimension(Integer integer) {
        final BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
        options.inJustDecodeBounds = true;
        BitmapFactory.decodeResource(this.getResources(), integer, options);
        defaultWidth = options.outWidth;
        defaultHeight = options.outHeight;
        srcRect = new Rect(0, 0, defaultWidth, defaultHeight);
        requestLayout();
    }

    public FrameSurfaceView(Context context) {
        super(context);
    }
    
    @Override
    protected void onLayout(boolean changed, int left, int top, int right, int bottom) {
        super.onLayout(changed, left, top, right, bottom);
        dstRect.set(0, 0, getWidth(), getHeight());
    }

    @Override
    protected void onFrameDrawFinish() {
        //在一幀繪製完後，直接回收它
        recycleOneFrame();
    }

    //回收幀
    private void recycleOneFrame() {
        if (frameBitmap != null) {
            frameBitmap.recycle();
            frameBitmap = null;
        }
    }

    @Override
    protected void onFrameDraw(Canvas canvas) {
        //繪製一幀前需要先清畫布，否則所有幀都疊在一起同時顯示
        clearCanvas(canvas);
        if (!isStart()) {
            return;
        }
        if (!isFinish()) {
            drawOneFrame(canvas);
        } else {
            onFrameAnimationEnd();
        }
    }

    //繪製一幀，是張Bitmap
    private void drawOneFrame(Canvas canvas) {
        frameBitmap = BitmapUtil.decodeOriginBitmap(getResources(), bitmaps.get(bitmapIndex), options);
        canvas.drawBitmap(frameBitmap, srcRect, dstRect, paint);
        bitmapIndex++;
    }

    private void onFrameAnimationEnd() {
        reset();
    }

    private void reset() {
        bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    }

    //幀動畫是否結束
    private boolean isFinish() {
        return bitmapIndex >= bitmaps.size();
    }

    //幀動畫是否開始
    private boolean isStart() {
        return bitmapIndex != INVALID_BITMAP_INDEX;
    }
    
    //開始播放幀動畫
    public void start() {
        bitmapIndex = 0;
    }

    private void clearCanvas(Canvas canvas) {
        paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.CLEAR));
        canvas.drawPaint(paint);
        paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.SRC));
    }
}
複製程式碼

FrameSurfaceView繼承自BaseSurfaceView，所以它複用了基類的繪製框架演算法，並且定了自己每一幀的繪製內容：一張Bitmap。
Bitmap資源 id 通過setBitmaps()傳遞進來， 繪製一幀解析一張 ，在每一幀繪製完畢後，呼叫Bitmap.recycle()釋放圖片 native 記憶體並去除 java 堆中圖片畫素資料的引用。這樣當 GC 發生時，圖片畫素資料可以及時被回收。

一切都是這麼地能夠自圓其說，我迫不及待地執行程式碼並開啟AndroidStudio的Profiler標籤頁，切換到MEMORY，想用真實記憶體資料驗證下效能。但殘酷的事實狠狠地打了下臉。。。多次播放幀動畫後，記憶體佔用居然比原生AnimationDrawable還大，而且每播放一次，記憶體中都會多出 N 個Bitmap物件（N為幀動畫總幀數）。唯一令人欣慰的是，手動觸發 GC 後幀動畫圖片能夠被回收。（AnimationDrawable中的圖片資料不會被 GC）

原因就在於自作聰明地及時回收，每一幀繪製完後幀資料被回收，那下一幀解析Bitmap時只能新申請一塊記憶體。幀動畫每張圖片大小是一致的，是不是能複用上一幀Bitmap的記憶體空間？於是乎有了下面這個版本的FrameSurfaceView：

逐幀解析 & 幀複用

public class FrameSurfaceView extends BaseSurfaceView {
    public static final int INVALID_BITMAP_INDEX = Integer.MAX_VALUE;
    private List<Integer> bitmaps = new ArrayList<>();
    private Bitmap frameBitmap;
    private int bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    private Paint paint = new Paint();
    private BitmapFactory.Options options;
    private Rect srcRect;
    private Rect dstRect = new Rect();

    public void setDuration(int duration) {
        int frameDuration = duration / bitmaps.size();
        setFrameDuration(frameDuration);
    }

    public void setBitmaps(List<Integer> bitmaps) {
        if (bitmaps == null || bitmaps.size() == 0) {
            return;
        }
        this.bitmaps = bitmaps;
        getBitmapDimension(bitmaps.get(0));
    }

    private void getBitmapDimension(Integer integer) {
        final BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
        options.inJustDecodeBounds = true;
        BitmapFactory.decodeResource(this.getResources(), integer, options);
        defaultWidth = options.outWidth;
        defaultHeight = options.outHeight;
        srcRect = new Rect(0, 0, defaultWidth, defaultHeight);;
    }

    public FrameSurfaceView(Context context) {
        super(context);
    }

    @Override
    protected void init() {
        super.init();
        //定義解析Bitmap引數為可變型別，這樣才能複用Bitmap
        options = new BitmapFactory.Options();
        options.inMutable = true;
    }

    @Override
    protected void onLayout(boolean changed, int left, int top, int right, int bottom) {
        super.onLayout(changed, left, top, right, bottom);
        dstRect.set(0, 0, getWidth(), getHeight());
    }

    @Override
    protected int getDefaultWidth() {
        return defaultWidth;
    }

    @Override
    protected int getDefaultHeight() {
        return defaultHeight;
    }

    @Override
    protected void onFrameDrawFinish() {
        //每幀繪製完畢後不再回收
//        recycle();
    }

    public void recycle() {
        if (frameBitmap != null) {
            frameBitmap.recycle();
            frameBitmap = null;
        }
    }

    @Override
    protected void onFrameDraw(Canvas canvas) {
        clearCanvas(canvas);
        if (!isStart()) {
            return;
        }
        if (!isFinish()) {
            drawOneFrame(canvas);
        } else {
            onFrameAnimationEnd();
        }
    }

    private void drawOneFrame(Canvas canvas) {
        frameBitmap = BitmapUtil.decodeOriginBitmap(getResources(), bitmaps.get(bitmapIndex), options);
        //複用上一幀Bitmap的記憶體
        bitmaps.get(bitmapIndex), options);
        options.inBitmap = frameBitmap;
        canvas.drawBitmap(frameBitmap, srcRect, dstRect, paint);
        bitmapIndex++;
    }

    private void onFrameAnimationEnd() {
        reset();
    }

    private void reset() {
        bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    }

    private boolean isFinish() {
        return bitmapIndex >= bitmaps.size();
    }

    private boolean isStart() {
        return bitmapIndex != INVALID_BITMAP_INDEX;
    }

    public void start() {
        bitmapIndex = 0;
    }

    private void clearCanvas(Canvas canvas) {
        paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.CLEAR));
        canvas.drawPaint(paint);
        paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.SRC));
    }
}
複製程式碼

將Bitmap的解析引數inBitmap設定為已經成功解析的Bitmap物件以實現複用。

這一次不管重新播放多少次幀動畫，記憶體中Bitmap數量只會增加1，因為只在解析第一張圖片是分配了記憶體。而這塊記憶體可以在FrameSurfaceView生命週期結束時手動呼叫recycle()回收。

talk is cheap, show me the code

為了更清晰的展示，上述程式碼段省略了一些和主題無關的自定義 View 細節，完整的程式碼可以點選這裡。

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