Android开发系列：高性能视图组件Surfaceview

一、Surfaceview概述

在Android应用开发领域，面对视频播放、游戏构建及相机实时预览等高性能需求场景，直接操控图像数据并即时展示于屏幕成为必要条件。传统View组件在此类情境下显现局限性：

性能瓶颈：传统View的绘制任务由UI主线程承担，如果绘制操作过于复杂或需要频繁刷新，就可能导致主线程阻塞，进而影响界面的响应速度和用户交互体验。
视觉瑕疵：传统View组件缺乏双缓冲技术的支持，View直接屏幕绘制易引发画面闪烁及图像撕裂。
效果局限：传统View组件基于视图层次结构，每个View都被视为一个矩形区域，这使得实现不规则形状、透明度变化等复杂视觉效果变得相对困难。

鉴于上述挑战，Android引入了SurfaceView作为解决方案。这一特殊视图组件具备独立的Surface层（图形缓冲区），实现内容的离线绘制，特点如下：

独立渲染：SurfaceView的Surface层独立于主UI线程，确保复杂绘图操作不干扰UI响应，提升应用流畅性。
双缓冲机制：通过双缓冲机制，有效缓解画面闪烁与撕裂现象，提升视觉呈现质量。
透明度支持：透明的Surface设计使其能无缝融入视图层级，支持与其他View叠加或裁剪，解锁复杂视觉效果的实现潜能。
支持OpenGL ES：SurfaceView支持OpenGL ES库，这意味着它可以实现2D和3D图形效果，对于游戏、视频等性能要求较高的应用非常有用。

总之，SurfaceView凭借其独特的架构优势，优化了高性能应用场景下的渲染效率与用户体验，是处理视频播放、游戏动画及实时预览等需求的理想选择，成功绕过了常规View组件的诸多障碍。

二、工作原理

核心类：

Surface：Surface创建了一个独立的绘图表面。这个独立的Surface允许SurfaceView在一个单独的线程中进行UI绘制，从而避免占用主线程资源，提高应用性能。
SurfaceHolder：SurfaceHolder负责管理Surface 的生命周期，并提供了一系列回调方法，以便开发者获取 Surface 的状态变化。
SurfaceView：SurfaceView 是一个View组件，它内部封装了一个SurfaceHolder，以便将 Surface 呈现到屏幕上。

SurfaceView、Surface、和SurfaceHolder之间的关系可以类比为MVC架构。其中，Model对应数据模型，对应Surface；View对应视图，对应SurfaceView；Controller对应控制器，对应SurfaceHolder。

在Android应用程序的Activity布局中，多种View组件相互嵌套，形成了一个层次分明的View hierarchy（视图层级结构）。这个结构的最顶端是DecorView，它是整个View树与Window Manager Service（WMS）之间的桥梁，WMS仅直接与这个根视图交互，并为之分配一个WindowState对象来管理视图的显示属性。同时，在SurfaceFlinger（SF）系统框架下，DecorView同样获得一个Layer，负责在屏幕上的最终合成与显示。

不同于普通View，SurfaceView内嵌了一个独立的Surface，这是一个用于直接绘图的缓冲区。这个Surface在WMS中同样注册了一个WindowState，意味着它能独立参与窗口管理，享有与DecorView类似的管理机制。并且，在SF中，SurfaceView的Surface也会被赋予一个单独的Layer，这样的设计允许SurfaceView在不干扰UI线程的情况下，由专有线程高效地进行图形更新，非常适合处理如视频播放或复杂动画等高负载、高频率刷新的场景，从而极大提升了图形渲染的效率和应用的流畅度。

在这里插入图片描述
SurfaceView像是在窗口上挖一个洞，它就是显示在这个洞里，传统的View是显示在窗口上。实际上，SurfaceView的Layer在Z轴上的位置小于其宿主Activity窗口的Layer，因此它默认是被遮挡的。但SurfaceView提供了一个透明区域，使得只有在这个区域内的内容才对用户可见。

详细的原理代码，可以移步：https://www.jianshu.com/p/5e5ae2f524ce

三、应用实践

1. 创建SurfaceView
在布局文件中添加SurfaceView，或者在代码中动态创建。
2. 获取SurfaceHolder，添加和实现Callback
创建一个类实现SurfaceHolder.Callback接口，以便监听SurfaceView的创建surfaceCreated、销毁surfaceDestroyed和状态改变surfaceChanged。
在你的SurfaceView实现类中，获取到SurfaceHolder实例，并使用addCallback方法添加之前创建的Callback实例。

3. 绘图
在绘图线程中，通过SurfaceHolder获取Canvas对象，并在其上绘制图形。

Canvas canvas= mSurfaceHolder.lockCanvas();

创建一个新的线程，在这个线程里不断地执行绘图逻辑。通常会在这个线程中锁定Canvas，然后进行绘制，最后解锁并提交绘制结果。

if (canvas != null){
    mSurfaceHolder.unlockCanvasAndPost(canvas);
}

4. 处理Surface变化
在surfaceChanged回调中处理Surface尺寸或格式的变化。
5. 清理资源
在surfaceDestroyed回调中，停止绘图线程并释放所有相关资源。

示例

public class MySurfaceView extends SurfaceView implements SurfaceHolder.Callback {

    private SurfaceHolder holder;
    private DrawThread drawThread;

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

    public MySurfaceView(Context context, AttributeSet attrs) {
        super(context, attrs);
        init();
    }

    public MySurfaceView(Context context, AttributeSet attrs, int defStyleAttr) {
        super(context, attrs, defStyleAttr);
        init();
    }

    private void init() {
        holder = getHolder();
        holder.addCallback(this);

        // 设置SurfaceView的格式，使其支持透明度
        holder.setFormat(PixelFormat.TRANSPARENT);
    }

    @Override
    public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {
        drawThread = new DrawThread(holder);
        drawThread.start();
    }

    @Override
    public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) {
        // 重新配置绘图环境
    }

    @Override
    public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {
        boolean retry = true;
        drawThread.running = false;
        while (retry) {
            try {
                drawThread.join();
                retry = false;
            } catch (InterruptedException e) {
                // nothing to do
            }
        }
    }

    class DrawThread extends Thread {
        private SurfaceHolder mSurfaceHolder;
        volatile boolean running = true;

        public DrawThread(SurfaceHolder surfaceHolder) {
            mSurfaceHolder = surfaceHolder;
        }

        @Override
        public void run() {
            Canvas canvas;
            while (running) {
                canvas = null;
                try {
                    canvas = mSurfaceHolder.lockCanvas(null);
                    synchronized (mSurfaceHolder) {
                        // 在这里执行具体的绘图操作
                    }
                } finally {
                    if (canvas != null) {
                        mSurfaceHolder.unlockCanvasAndPost(canvas);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

四、注意事项

线程同步问题：因为SurfaceView的绘图通常在单独的线程中进行，所以确保线程间的同步至关重要。不当的同步可能导致绘制错误、图像撕裂或应用崩溃。使用锁机制（如synchronized关键字）或条件变量来协调资源访问。
资源泄漏：忘记在surfaceDestroyed中正确清理资源，特别是线程和绘图相关的资源，会导致内存泄漏。确保在不再需要时及时停止和回收所有资源。
绘制效率：频繁的锁住和解锁Canvas会降低性能。尽量减少这些操作的次数，比如通过批量绘制或者优化绘图逻辑来提高效率。
屏幕旋转与配置变更：当设备旋转或系统配置变更时，SurfaceView可能会被销毁和重建。需要在onSaveInstanceState中保存必要的状态，并在onCreate或onRestoreInstanceState中恢复，确保平滑过渡。
触摸事件处理：默认情况下，触摸事件可能不会传递给SurfaceView。需要重写onTouchEvent方法，并可能需要调整视图的setZOrderOnTop属性，确保能够正确接收并处理触摸事件。
后台绘制与电池消耗：即使应用退至后台，如果绘图线程没有正确暂停，也可能持续消耗CPU和电池资源。确保在onPause和onResume中管理绘图线程的状态。
Surface生命周期管理：正确处理SurfaceHolder.Callback中的生命周期方法，尤其是surfaceCreated、surfaceChanged和surfaceDestroyed。例如，避免在surfaceDestroyed后继续尝试访问Surface。surfaceView可见时才被创建,隐藏时就被销毁。
硬件加速与兼容性：硬件加速可能与SurfaceView的某些特性不兼容，导致渲染问题。理解何时开启或关闭硬件加速，并测试不同设备和Android版本的兼容性。
内存管理：大图或过多的Bitmap操作可能导致OutOfMemoryError。合理使用Bitmap的采样策略、及时回收Bitmap对象，以及考虑使用更高效的图像加载库（如Glide或Picasso）。
与Activity/Fragment生命周期的协调：确保SurfaceView的生命周期与包含它的Activity或Fragment保持一致，避免在Activity或Fragment销毁后继续运行，引发内存泄漏或异常。