RenderScript的基础使用

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RenderScript的基础使用

2019-07-13 19:22发布生成海报

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Renderscript是Android操作系统上的一套API。它基于异构计算思想（指使用不同类型指令集和体系架构的计算单元组成系统的计算方式），专门用于密集型计算，尤其是图像处理、计算机图形、计算机视觉。允许开发者以较少的代码实现功能复杂且性能优越的应用程序。 RenderScript可在设备上所有可用的处理器上并行执行，例如多核CPU、GPU、DSP，所以开发者可以专心写处理算法，而不需要关心调度和负载平衡的问题。本文通过写一个简单的例子（源码链接）来解释怎么使用RenderScript，例子中将彩 {MOD}的图片转换为黑白的，为了测试RenderScript的性能，加上手指滑动的效果，如下图：

1. 工程配置

RenderScript的api从Android 3.0（Api level 11）开始系统自带了，在低于3.0的机器上，可以通过support包来使用RenderScript。但是还是推荐都使用support的RenderScript，因为RenderScript可能会有bug，使用support包能够及时得到更新。本文均使用support包中的Api。要使用RenderScript，除了要导入一个jar包外，还需要复制一些so文件，如果使用gradle的话，就方便一些，只需要在build.gradle文件中增加两句：

android {
    compileSdkVersion 19
    buildToolsVersion "19.0.3"

    defaultConfig {
        minSdkVersion 8
        targetSdkVersion 16

        renderscriptTargetApi 18
        renderscriptSupportModeEnabled true

    }
}

上面两句设置会导致在android编译的时候，有一些特殊的流程：

renderscriptTargetApi：设置生成的字节码的版本，推荐使用最高的API Level，并且设置renderscriptSupportModeEnabled为true。这个选项的合法值从11到最新发布的API Level。如果你的最低SDK的版本和这个值不一样，这个值就会被忽略，在编译的时候，这个值会被设置了最低的SDK版本。
renderscriptSupportModeEnabled：指定在运行的设备不是target version的时候，生成的字节码需要回滚到兼容的版本。
buildToolsVersion：需要使用的Android SDK的编译工具的版本，这个值需要设置为18.1.0或者更高。如果这个值没有指定，那么将使用当前已安装的最高版本。这个值最好设置，防止不同开发者的机器配置不同，导致奇怪的编译问题。

2. 脚本语言

为了能在多个平台执行，RenderScript要求开发者使用Rs的脚本语言来实现计算的代码，脚本代码采用了c99语法，所以看起来和C语言很像。代码要求放在.rs文件中，文件需要放在 /src/ 中，脚本包含脚本的入口、函数和变量：

#pragma version(1)
#pragma rs java_package_name(com.winomtech.androidmisc.rs)

void root(const uchar4 *in, uchar4 *out, uint32_t x, uint32_t y) {
    out->r = out->g = out->b = (in->r + in->g + in->b) / 3;
}

void init() {
}

#pragma version(1) 声明脚本中使用的Rs的版本。#pragma rs java_package_name 声明脚本生成的Java层的代码所在的包名，这个将在后面再细讲。 root（Kernel）函数是rs脚本默认的入口，这种入口函数在rs中称为Kernel函数，默认的Kernel函数名为root，且必须返回void，并且有以下的参数：

指向rs脚本输入输出的内存的指针。在Android 3.2(Api Level 13)或者更早的版本，这两个参数都需要，Android 4.0(Api Level 14)及以后的版本要求一个或两个。

下面的参数是可选的，但是如果你选择使用它们，则都需要提供：

rs脚本用来实现计算的附加数据的指针，可以是原始类型的指针，也可以是复杂的结构体的指针。
附加数据的大小

从Android 4.1 (Api level 16)开始，可以自己定义kernel函数的参数，而不必和前面描述参数及返回值一样。并且可以在同一个脚本中定义多个kernel函数，但是需要在自定义的kernel函数前面增加 __attribute__((kernel))。例如，下面是一个kernel函数，接收两个 uint32_t 类型的参数，返回一个uchar4：

uchar4 __attribute__((kernel)) root(uint32_t x, uint32_t y) {
   ...
}

参数类型uchar4是rs中一类数据类型，称为Vector。Vector通常是普通类型接着2、3、4，比如：float4, int3, double2, ulong4。Vector类型中的成员可以使用多种风格来访问：变量名接着一个点，再接着：

字符x、y、z和w
字符r、g、b和a
字符s或S，随后接着从0开始的下标

uint32_t x、uint32_t y两个参数是当前执行到的下标，这两个参数是可选的，最多可以有三维x、y、z，类型必须为uint32_t。 init函数是一个可选的函数，在kernel函数执行前，init函数会被执行一次，可以在init里面做一些初始化的工作，比如初始化变量。

3. 脚本编译

脚本在执行之前会有两次编译：在android编译的过程中，会发生第一次编译，生成LLVM的字节码；当应用在设备中执行的时候，会发生第二次编译，生成设备的机器码。

4. Java层的接口

因为脚本最后会被编译为机器码，为了方便Java层设置数据和调用接口，rs在android编译的时候，会生成一个java文件，名字为ScriptC_script_name，比如Gray.rs文件，会自动生成一个ScriptC_Gary.java。下面代码是上面rs脚本生成的内容：

public class ScriptC_Gray extends ScriptC {
    private static final String __rs_resource_name = "gray";
    // Constructor
    public  ScriptC_Gray(RenderScript rs) {
        this(rs,
             rs.getApplicationContext().getResources(),
             rs.getApplicationContext().getResources().getIdentifier(
                 __rs_resource_name, "raw",
                 rs.getApplicationContext().getPackageName()));
    }

    public  ScriptC_Gray(RenderScript rs, Resources resources, int id) {
        super(rs, resources, id);
        __U8_4 = Element.U8_4(rs);
    }

    private Element __U8_4;
    private final static int mExportForEachIdx_root = 0;
    public Script.KernelID getKernelID_root() {
        return createKernelID(mExportForEachIdx_root, 27, null, null);
    }

    public void forEach_root(Allocation ain, Allocation aout) {
        forEach_root(ain, aout, null);
    }

    public void forEach_root(Allocation ain, Allocation aout, Script.LaunchOptions sc) {
        // check ain
        if (!ain.getType().getElement().isCompatible(__U8_4)) {
            throw new RSRuntimeException("Type mismatch with U8_4!");
        }
        // check aout
        if (!aout.getType().getElement().isCompatible(__U8_4)) {
            throw new RSRuntimeException("Type mismatch with U8_4!");
        }
        Type t0, t1;        // Verify dimensions
        t0 = ain.getType();
        t1 = aout.getType();
        if ((t0.getCount() != t1.getCount()) ||
            (t0.getX() != t1.getX()) ||
            (t0.getY() != t1.getY()) ||
            (t0.getZ() != t1.getZ()) ||
            (t0.hasFaces()   != t1.hasFaces()) ||
            (t0.hasMipmaps() != t1.hasMipmaps())) {
            throw new RSRuntimeException("Dimension mismatch between parameters ain and aout!");
        }

        forEach(mExportForEachIdx_root, ain, aout, null, sc);
    }

}

生成的代码继承于ScriptC，其中有一些变量和函数名都有_root的后缀，这个后缀的root其实就是kernel函数的名字，如果一个rs脚本中有多个kernel函数，比如有一个名为test的kernel函数，那么就有一些函数和变量名有_test后缀。 getKernelID_root这个是返回root的id，这个id是RenderScript框架所使用的。有时候需要在一个Kernel函数执行完后，再执行另外一个时，就需要使用到它。 forEach_root函数是用来调用Kernel函数执行的入口，在执行之前，会检查输入和输出是否和脚本中的类型一致，如果不一致直接抛出异常，同时还会检查输入和输出的维度是否一致。

5. 执行

下面代码是缩减后的代码，仅作讲解使用，代码的主要作用是用输入的图片生成一张黑白的图片，并且显示在界面上：

Bitmap mInBitmap = BitmapFactory.decodeResource(getResources(), R.drawable.renderscript_input);
Bitmap mOutBitmap = Bitmap.createBitmap(mInBitmap.getWidth(), mInBitmap.getHeight(), Bitmap.Config.ARGB_8888);

RenderScript mRenderScript = RenderScript.create(getActivity());
ScriptC_Gray mGrayScript = new ScriptC_Gray(mRenderScript);

Allocation mAllocationIn = Allocation.createFromBitmap(mRenderScript, mInBitmap);
Allocation mAllocationOut = Allocation.createFromBitmap(mRenderScript, mOutBitmap);

mGrayScript.forEach_root(mAllocationIn, mAllocationOut);
mAllocationOut.copyTo(mOutBitmap);
mImageView.setImageBitmap(mOutBitmap);

RenderScript

这个类用来访问RenderScript的上下文，管理RenderScript的初始化、资源、以及生命周期的。在任何其他RS对象使用之前，需要创建一个RenderScript对象，并且需要缓存这个对象，以方便后续使用。当进程完成使用RenderScript的任务的时候，需要调用releaseAllContexts。通过调用RenderScript.create静态方式，可以得到RenderScript的对象。在Api 23的时候，多次调用create得到的会是同样的对象，所以能够得到同样的上下文，以及同样的配置。在Api 23之前，每次调用create将生成一个新的上下文。

ScriptC_Gray

上文已讲到。

Allocation

应用程序在Android虚拟机上使用RenderScript，但是实际的rs脚本在native层执行，并且需要访问Android虚拟机分配的内存。为此，就需要将虚拟机层分配的内存和RenderScript runtime连接起来，这个过程称为绑定，然后RenderScript runtime就可以方便的使用它需要的内存了，而不需要显式的分配。最终的结果就好像你在C中调用了malloc一样。为了支持这种内存分配的方式，提供了一组API给Android VM来分配内存，类似于malloc函数的功能。这些类本质是描述应该怎么分配内存以及执行真正的分配。为了更好的理解这些类是怎么工作的，我们看看它们与malloc的关系：

array = (int *)malloc(sizeof(int)*10);

这个malloc调用可以分为两个部分：分配的内存单元的大小（sizeof(int)），分配的单元的个数。Android框架提供了类似于这两部分的类，以及类似malloc的类。 Element类代表malloc中的分配单元，例如浮点类型或者一个结构体。Type类对Element和分配的个数进行包装，可以将Type想象成Element的数组。而Allocation类基于给定的Type执行真正的内存分配，以及访问分配的内存。 Type由5个维度组成：X、Y、Z、LOD(level of detail)和Faces(of a cube map)。可以设置X、Y、Z为任意正整数，但是要限制在可用内存的范围内。如果某个维度的值为0，表示没有那个维度，例如：x=10、y=1、z=0表示二维。LOD和Faces用boolean值来表示是否出现了。 Allocation.createFromBitmap是对分配操作的封装，会根据Bitmap的配置来指定对于的Element的值，以及Type的值，并且用Bitmap的宽高来指定x、y的值。

forEach_root

forEach_root中两个参数分别指定输入和输出，RenderScript会根据输入参数中的维度，遍历整个数组，对每个数值都调用一次Kernel函数，所以rs文件中的in、out、x、y是根据当前遍历的位置的不同而不同。

6. 变量

在前面的rs文件中，只指定了输入和输出，当需要外部传入多个参数时，就需要使用rs的变量了。本文的例子中，除了要指定输入输出，还需要指定从哪个位置开始是需要变灰的，所以我们在rs脚本中增加一个变量：

#pragma version(1)
#pragma rs java_package_name(com.winomtech.androidmisc.rs)

int gPos;
...

再编译下android工程，我们再看生成的java代码，会多出来两个方法：

public synchronized void set_gPos(int v) {
    setVar(mExportVarIdx_gPos, v);
    mExportVar_gPos = v;
}

public int get_gPos() {
    return mExportVar_gPos;
}

java层就可以通过这两个接口来访问rs中的gPos变量了。

7. 总结

RenderScript用起来还算挺简单的，当然也主要是本文实现功能简单。当然RenderScript的作用还是很容易看出来的，可以写一个长循环，然后看cpu使用，在我的手机上面，4个核心可以跑满，而如果使用jni的话，很明显只会在一个核心上面跑。参考资料： http://developer.android.com/guide/topics/renderscript/index.html https://stuff.mit.edu/afs/sipb/project/android/docs/guide/topics/renderscript/index.html 这个链接是旧的版本，但是里面有些内容是前面那个没提到的。