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帧动画内存OOM不存在的-SurfaceView逐帧解析

jiezi

Android 提供了 AnimationDrawable 用于实现帧动画。在动画开始之前，所有帧的图片都被解析并占用内存，一旦动画较复杂帧数较多，在低配置手机上容易发生 OOM。即使不发生 OOM，也会对内存造成不小的压力。下面代码展示了一个帧数为 4 的帧动画：

原生帧动画

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();

有没有什么办法让帧动画的数据逐帧加载，而不是一次性全部加载到内存？SurfaceView就提供了这种能力。

SurfaceView

屏幕的显示机制和帧动画类似，也是一帧一帧的连环画，只不过刷新频率很高，感觉像连续的。为了显示一帧，需要经历计算和渲染两个过程，CPU 先计算出这一帧的图像数据并写入内存，然后调用 OpenGL 命令将内存中数据渲染成图像存放在 GPU Buffer 中，显示设备每隔一定时间从 Buffer 中获取图像并显示。

上述过程中的计算，对于 View 来说，就好比在主线程遍历 View 树 以决定视图画多大（measure），画在哪（layout），画些啥（draw），计算结果存放在内存中，SurfaceFlinger 会调用 OpenGL 命令将内存中的数据渲染成图像存放在 GPU Buffer 中。每隔 16.6ms，显示器从 Buffer 中取出帧并显示。所以自定义 View 可以通过重载 onMeasure()、onLayout()、onDraw() 来定义帧内容，但不能定义帧刷新频率。

SurfaceView可以突破这个限制。而且它可以将计算帧数据放到独立的线程中进行。下面是自定义 SurfaceView 的模版代码：

public abstract class BaseSurfaceView extends SurfaceView implements SurfaceHolder.Callback {
    public static final int DEFAULT_FRAME_DURATION_MILLISECOND = 50;
    // 用于计算帧数据的线程
    private HandlerThread handlerThread;
    private Handler handler;
    // 帧刷新频率
    private int frameDuration = DEFAULT_FRAME_DURATION_MILLISECOND;
    // 用于绘制帧的画布
    private Canvas canvas;
    private boolean isAlive;

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

    protected void init() {getHolder().addCallback(this);
        // 设置透明背景，否则 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;
    }

    // 停止帧绘制线程
    private void stopDrawThread() {handlerThread.quit();
        handler = null;
    }

    // 启动帧绘制线程
    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. 获取画布
                canvas = getHolder().lockCanvas();
                //2. 绘制一帧
                onFrameDraw(canvas);
            } catch (Exception e) {e.printStackTrace();
            } finally {
                //3. 将帧数据提交
                getHolder().unlockCanvasAndPost(canvas);
                //4. 一帧绘制结束
                onFrameDrawFinish();}
            // 不停的将自己推送到绘制线程的消息队列以实现帧刷新
            handler.postDelayed(this, frameDuration);
        }
    }
    
    protected abstract void onFrameDrawFinish();

    protected abstract void onFrameDraw(Canvas canvas);
}
  • 用 HandlerThread 作为独立帧绘制线程，好处是可以通过与其绑定的 Handler 方便地实现“每隔一段时间刷新”，而且在 Surface 被销毁的时候可以方便的调用 HandlerThread.quit() 来结束线程执行的逻辑。
  • DrawRunnable.run()运用模版方法模式定义了绘制算法框架，其中帧绘制逻辑的具体实现被定义成两个抽象方法，推迟到子类中实现，因为绘制的东西是多样的，对于本文来说，绘制的就是一张张图片，所以新建 BaseSurfaceView 的子类FrameSurfaceView：

逐帧解析 & 及时回收

public class FrameSurfaceView extends BaseSurfaceView {
    public static final int INVALID_BITMAP_INDEX = Integer.MAX_VALUE;
    private List<Integer> bitmaps = new ArrayList<>();
    // 帧图片
    private Bitmap frameBitmap;
    // 帧索引
    private int bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    private Paint paint = new Paint();
    private BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
    // 帧图片原始大小
    private Rect srcRect;
    // 帧图片目标大小
    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;
        // 默认情况下，计算第一帧图片的原始大小
        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() {
        // 在一帧绘制完后，直接回收它
        recycleOneFrame();}

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

    @Override
    protected void onFrameDraw(Canvas canvas) {
        // 绘制一帧前需要先清画布，否则所有帧都叠在一起同时显示
        clearCanvas(canvas);
        if (!isStart()) {return;}
        if (!isFinish()) {drawOneFrame(canvas);
        } else {onFrameAnimationEnd();
        }
    }

    // 绘制一帧，是张 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;}

    // 帧动画是否结束
    private boolean isFinish() {return bitmapIndex >= bitmaps.size();
    }

    // 帧动画是否开始
    private boolean isStart() {return bitmapIndex != INVALID_BITMAP_INDEX;}
    
    // 开始播放帧动画
    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));
    }
}
  • FrameSurfaceView继承自BaseSurfaceView，所以它复用了基类的绘制框架算法，并且定了自己每一帧的绘制内容：一张Bitmap。
  • Bitmap资源 id 通过 setBitmaps() 传递进来，绘制一帧解析一张 ，在每一帧绘制完毕后，调用Bitmap.recycle() 释放图片 native 内存并去除 java 堆中图片像素数据的引用。这样当 GC 发生时，图片像素数据可以及时被回收。

一切都是这么地能够自圆其说，我迫不及待地运行代码并打开 AndroidStudio 的Profiler标签页，切换到 MEMORY，想用真实内存数据验证下性能。但残酷的事实狠狠地打了下脸。。。多次播放帧动画后，内存占用居然比原生AnimationDrawable 还大，而且每播放一次，内存中都会多出 N 个 Bitmap 对象（N 为帧动画总帧数）。唯一令人欣慰的是，手动触发 GC 后帧动画图片能够被回收。（AnimationDrawable中的图片数据不会被 GC）

原因就在于自作聪明地及时回收，每一帧绘制完后帧数据被回收，那下一帧解析 Bitmap 时只能新申请一块内存。帧动画每张图片大小是一致的，是不是能复用上一帧 Bitmap 的内存空间？于是乎有了下面这个版本的FrameSurfaceView：

逐帧解析 & 帧复用

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();
        // 定义解析 Bitmap 参数为可变类型，这样才能复用 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() {
        // 每帧绘制完毕后不再回收
//        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);
        // 复用上一帧 Bitmap 的内存
        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));
    }
}
  • 将 Bitmap 的解析参数 inBitmap 设置为已经成功解析的 Bitmap 对象以实现复用。

这一次不管重新播放多少次帧动画，内存中 Bitmap 数量只会增加 1，因为只在解析第一张图片是分配了内存。而这块内存可以在 FrameSurfaceView 生命周期结束时手动调用 recycle() 回收。

talk is cheap, show me the code

为了更清晰的展示，上述代码段省略了一些和主题无关的自定义 View 细节，完整的代码可以点击这里。

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