高效計(jì)算——****RenderScript

RenderScript是安卓平臺上很受谷歌推薦的一個(gè)高效計(jì)算平臺，它能夠自動(dòng)把計(jì)算任務(wù)分配到各個(gè)可用的計(jì)算核心上，包括CPU,GPU以及DSP等，提供十分高效的并行計(jì)算能力?？赡苁怯捎趹?yīng)用開發(fā)時(shí)的需求不夠，關(guān)于RenderScript的相關(guān)文章很少，剛好我在工作中應(yīng)用到此平臺，做了一些筆記，因此決定整理成博文分享給大家。內(nèi)容主要來源于官方文檔、StackOverflow以及自己的理解，如有錯(cuò)誤，請大家指正。本篇主要介紹RenderScript的基本概念。

1 RenderScript****簡介

RenderScript是安卓提供的一個(gè)高效計(jì)算平臺。它顯著的特點(diǎn)在于：

1. 能夠自動(dòng)利用各種核心，包括CPU，GPU以及DSP等，來進(jìn)行并行計(jì)算，能大大提高在圖片處理、數(shù)學(xué)模型等領(lǐng)域提供高效的計(jì)算能力；
2. 不需要針對不同的核心平臺而編寫不同的代碼，因?yàn)镽enderScript是在設(shè)備上進(jìn)行運(yùn)行時(shí)編譯的。

使用了RenderScript的應(yīng)用與一般的安卓應(yīng)用在代碼編寫上與并沒有太大區(qū)別。使用了RenderScript的應(yīng)用依然像傳統(tǒng)應(yīng)用一樣運(yùn)行在VM中，但是你需要給你的應(yīng)用編寫你所需要的RenderScript代碼，且這部分代碼運(yùn)行在native層。

RenderScript采用從屬控制架構(gòu)：底層RenderScript被運(yùn)行在虛擬機(jī)中的上層安卓系統(tǒng)所控制。安卓VM負(fù)責(zé)所有內(nèi)存管理并把它分配給RenderScript的內(nèi)存綁定到RenderScript運(yùn)行時(shí)，所以RenderScript代碼能夠訪問這些內(nèi)存。安卓框架對RenderScript進(jìn)行異步調(diào)用，每個(gè)調(diào)用都放在消息隊(duì)列中，并且會被盡快處理。

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RenderScript工作流程需要經(jīng)歷三層：

1. RenderScript運(yùn)行時(shí)API：提供進(jìn)行運(yùn)算的API
2. 反射層：相當(dāng)于NDK中的JNI膠水代碼，它是一些由安卓編譯工具自動(dòng)生成的類，對你寫的RenderScript代碼進(jìn)行包裝，使得安卓層能夠和RenderScript進(jìn)行交互
3. 安卓框架：通過調(diào)用反射層來訪問RenderScript運(yùn)行時(shí)

RenderScript的主要優(yōu)點(diǎn)：

1. 可移植性：對于不同架構(gòu)，不同的處理器都不需要考慮代碼的差異化，因?yàn)槎际沁\(yùn)行時(shí)在設(shè)備上進(jìn)行編譯的；
2. 高性能：提供充分利用所有核心的無縫的并行化計(jì)算
3. 易用性：簡化編碼，不需要像JNI一樣寫膠水代碼

缺點(diǎn)：

1. 開發(fā)復(fù)雜：需要去學(xué)習(xí)新的api
2. 調(diào)試可見性：因?yàn)镽enderScript可能運(yùn)行在除了主cpu之外的處理器上，所以調(diào)試?yán)щy

2 ****使用****RenderScript

使用RenderScript需要對編譯或者開發(fā)環(huán)境進(jìn)行一定的配置。

使用RenderScript主要分為兩個(gè)步驟：編寫.rs文件以及在Android framework中使用RenderScript，下面分別介紹。

2.1 ****環(huán)境配置

• RenderScript的API可以有兩種來源方式：

對于Android 3.0 （API level 11）及以上的可以在android.renderscript包中獲取

通過android.support.v8.renderscript包獲取，可以支持API level 8及以上的平臺，官方強(qiáng)烈建議使用此支持包的方式來獲取API

• 編譯環(huán)境要求：

Android SDK Tools revision 需要22.2及以上

Android SDK Build-tools revision 需要18.1.0及以上

• 在project.properties文件中寫入如下屬性：

renderscript.target=18

renderscript.support.mode=true

或者在AS中的build.gradle的defaultConfig中添加

renderscriptTargetApi 18

renderscriptSupportModeEnabled true

注意：target的值應(yīng)該為11及以上，但推薦使用18.如果在Manifest中配置的minSDK的值與target的值不相同，那么在編譯的時(shí)候，將使用target的值替代Mainfest中的minSDK值。

2.2 ****編寫****RenderScript****文件

RenderScript代碼放在.rs或者.rsh文件中，在RenderScript代碼中包含計(jì)算邏輯以及聲明所有必須的變量和指針，通常一個(gè).rs文件包含如下幾個(gè)部分：

• 編譯聲明：#pragma rs java_package_name(package.name)，比如#pragma rs java_package_name (com.willhua.RenderScript)，用來聲明本rs所在的java包。注意：.rs文件只能在應(yīng)用程序包中，而不能在library項(xiàng)目中。
• 編譯聲明：#pragma version(1).聲明RenderScript版本，現(xiàn)在都是1
• 主工作函數(shù)root().它會被RenderScript層的reForEach函數(shù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)多處理器對root工作的并行處理。Root函數(shù)必須返回void以及接受如下參數(shù)

1.分配給RenderScript的輸入輸出地址的指針。在Android3.2以及更低版本中，輸入輸出的指針都需要，在Android4.0及以后的版本中，給出其中一個(gè)或者兩個(gè)都可以

• 2.下面兩個(gè)參數(shù)是可選的，但是只要用了其中一個(gè)就必須兩個(gè)都提供

a) 指向用戶數(shù)據(jù)的指針。該數(shù)據(jù)會在RenderScript的計(jì)算中用到。該數(shù)據(jù)可以指向原始類型或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型

b) 用戶數(shù)據(jù)的大小

從官方文檔來看，老版本的文檔中有介紹root，而新版本的則用kernel替代。官方在弱化root函數(shù)的概念，而是推薦使用kernel概念。本質(zhì)上來說，root僅僅是一個(gè)寫法形式上特殊的kernel而已。

• 可選init()函數(shù)?？梢杂脕碜鋈魏纬跏蓟ぷ?，比如初始化變量。它將會在每次RenderScript啟動(dòng)的時(shí)候，在其他任何代碼之前執(zhí)行一次
• 一些invokable函數(shù)。這些函數(shù)都是單線程函數(shù)（kernel函數(shù)的工作則是并行工作的），你可以給這些函數(shù)傳遞任意數(shù)量的參數(shù)。這些函數(shù)將會在反射層中生成對應(yīng)的版本，可以從Android framework中調(diào)用。這些函數(shù)一般用來做一些初始化工作或者當(dāng)做計(jì)算任務(wù)中的一個(gè)串行計(jì)算單元任務(wù)。注意：invokable函數(shù)不能是static的。
• 一些計(jì)算內(nèi)核（compute kernel）。計(jì)算內(nèi)核是并行執(zhí)行的，它將并行處理輸入Allocation中的每一個(gè)Element。一個(gè)簡單的compute kernel如下：

uchar4 __attribute__((kernel)) invert(uchar4 in, uint32_t x, uint32_t y) {
    uchar4 out = in;
    out.r = 255 - in.r;
    out.g = 255 - in.g;
    out.b = 255 - in.b;
    return out;
}

compute kernel基本與一個(gè)C函數(shù)一樣，但是有如下特征：

a) attribute((kernel))標(biāo)志。該標(biāo)志表示該函數(shù)是一個(gè)RenderScript kernel函數(shù)，而不是一個(gè)invokable函數(shù)

b) in參數(shù)及其類型。在RenderScript kernel中，這個(gè)參數(shù)將會基于傳給kernel的輸入Allocation而自動(dòng)賦值，且默認(rèn)情況下，對于Allocation中每一個(gè)Element都將會執(zhí)行一遍kernel函數(shù)

c) 返回值及其類型。每次kernel函數(shù)執(zhí)行的返回值將會自動(dòng)寫入到輸出Allocation的正確位置。RenderScript將會對輸入輸出Allocation進(jìn)行檢查，如果他們與kernel函數(shù)聲明不匹配則將拋出異常。

每個(gè)kernel都應(yīng)該有一個(gè)輸入Allocation或者一個(gè)輸出Allocation或者二者都有，但不能有兩個(gè)及以上的輸入或者輸出Allocation。如果需要在kernel中訪問多個(gè)輸入或者輸出，則需要聲明rs_allocation全局變量來擔(dān)任多余一個(gè)的輸入或者輸出角色，然后再kernel函數(shù)或者invokable函數(shù)中通過rsGetElementAt_type()或者rsSetElementAt_type()來訪問或者設(shè)置相應(yīng)的Allocation，其中type為對應(yīng)Allocation的Element類型對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，比如uchar4。

在kernel中，可以通過可選的xyz參數(shù)來獲取當(dāng)前Element在整個(gè)Allocation中的坐標(biāo)值，比如上面的invert中就通過xy來獲取了xy坐標(biāo)值。注意xyz的參數(shù)名不能設(shè)置為其他名稱，且類型必須為uint32_t。

• 任何要在RenderScript中用到的變量，指針以及結(jié)構(gòu)。這些聲明也可以在.rsh文件中
• 所需要的script變量。就和C中的全局變量一樣，這些全局變量一般用來傳遞參數(shù)給計(jì)算kernel。
• 一些靜態(tài)變量以及函數(shù)。靜態(tài)的變量與普通全局變量的區(qū)別在于：靜態(tài)變量不會在映射在反射層，也即無法從Android framework中調(diào)用；靜態(tài)函數(shù)就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)，但是不會映射到反射層，也無法從Android framework中調(diào)用，但是可以在RenderScript中的kernel或者invokable中調(diào)用。如果有變量或者函數(shù)需要在RenderScript中使用但是不需要在Java中使用，強(qiáng)烈推薦設(shè)置為static的。
• 可選的精度控制配置，主要有三個(gè)等級：

a) #pragma rs_fp_full：默認(rèn)的等級。表示的完全遵守IEEE 754-2008 standard的精度要求

b) #pragma rs_fp_relaxed：不嚴(yán)格的IEEE 754-2008 standard的精度要求

c) #pragma rs_fp_imprecise：比relaxed更低的精度要求

對于大部分應(yīng)用來說，使用relaxed精度要求都可以滿足要求而無任何副作用

example.rs :

#pragma version(1)
#pragma rs java_package_name(com.willhua.rgbtoyuv)
#pragma rs_fp_relaxed

typedef struct Point_T{
    int x;
    int y;
}Point;

//script variable
uint32_t inW;
uint32_t inH;
uint32_t inCount;
rs_allocation outYUV;
struct Point point;

//root
void root(const uchar4 *in, uint32_t x, uint32_t y){
    struct myStruct my;
    my.x = 0;
    struct myStruct my2 = my;
    int u = my.x;
    uchar R,G,B;
    int Y,U,V;
    R = (*in).r;
    G = (*in).g;
    B = (*in).b;
    Y = ( (  66 * R + 129 * G +  25 * B + 128) >> 8) +  16;
    uint32_t yIndex = y * inW + x;
    Y = ((Y < 0) ? 0 : ((Y > 255) ? 255 : Y));
    rsSetElementAt_uchar(outYUV, ((uchar)Y), yIndex);
    if((x & 1) == 0 && (y & 1) == 0) {
        U = ( ( -38 * R -  74 * G + 112 * B + 128) >> 8) + 128;
        V = ( ( 112 * R -  94 * G -  18 * B + 128) >> 8) + 128;
        uint32_t index = (y >> 1) * inW + x + inCount;
        U = ((U < 0) ? 0 : ((U > 255) ? 255 : U));
        V = ((V < 0) ? 0 : ((V > 255) ? 255 : V));
        rsSetElementAt_uchar(outYUV, ((uchar)U), index + 1);
        rsSetElementAt_uchar(outYUV, ((uchar)V), index );
    }
}

//compute kernel
__attribute__((kernel)) invert(uchar4 in, uint32_t x, uint32_t y) {
    uchar4 out = in;
    out.r = 255 - in.r;
    out.g = 255 - in.g;
    out.b = 255 - in.b;
    return out;
}
//invokable function
void setInPara(uint32_t w, uint32_t h){
    inW = w;
    inH = h;
    inCount = w * h;
}

//init
void init(){
}

View Code

2.3 ****在****Android framework****層調(diào)用****RenderScript

雖然各個(gè)應(yīng)用使用RenderScript細(xì)節(jié)各不相同，但大體有著這樣的模式：

1. 初始化RenderScript context。通過RenderScript.create函數(shù)可以創(chuàng)建相應(yīng)的context，有了該context才可以進(jìn)行RenderScript的其他動(dòng)作，并通過該context可以控制其他RenderScript對象的生命周期。因?yàn)閏ontext的創(chuàng)建需要在不同的硬件設(shè)備上創(chuàng)建資源，所以可能會比較耗時(shí)。因此，最好不要讓context的創(chuàng)建在響應(yīng)速度要求比較高的時(shí)間點(diǎn)上。一般來說，一個(gè)應(yīng)用應(yīng)該只有一個(gè)context。
2. 至少需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Allocation。用的比較多的方法是createTyped(RenderScript, Type) 或createFromBitmap(RenderScript, Bitmap)。
3. 創(chuàng)建需要的scripts。可以分為兩種，一種就是通過自定義.rs文件，然后在反射層自動(dòng)生成的ScriptC子類，名字為ScriptC_rsfilename；還有一種就是系統(tǒng)定義的一些scripts，比如高斯模糊等，他們都是ScriptIntrinsic的子類。
4. 給Allocation填充數(shù)據(jù)。使用Allocation的copy系類方法
5. 設(shè)置必要的script變量。在ScriptC_rsfilename會給script變量生成相應(yīng)的set方法，比如int型名為num的script變量則會在反射層生成set_num(int)方法。
6. 啟動(dòng)計(jì)算。.rs中定義的kernel函數(shù)都會在反射層的ScriptC_rsfilename類中生成forEach_kernalname方法。該方法的執(zhí)行是異步的，且會在RenderScript中按照kernel調(diào)用順序來執(zhí)行。前面提到過，forEach_kernalname方法默認(rèn)對對應(yīng)Allocation中所有的Element執(zhí)行計(jì)算，但是可以在forEach_kernalname參數(shù)的最后傳入一個(gè)Scrpit.LunchOptions參數(shù)來指定Allocation中需要被計(jì)算的子集。.rs中定義的invokable函數(shù)則會在反射層生成invoke_functionname的方法，也可以按需調(diào)用
7. 從Allocation中得到數(shù)據(jù)。通過Allocation的copyTo系類方法，可以把Allocation中的數(shù)據(jù)放到Java數(shù)據(jù)中。這些copyTo方法與forEach方法保持同步，forEach的計(jì)算完成之后就會自動(dòng)啟動(dòng)copy過程。目前只支持基本類型的copyTo，暫不支持比如自定義的struct等數(shù)據(jù)。
8. 釋放資源。通過RenderScript.destory方法來釋放相關(guān)資源。

2.4 RenderScript****工作流程

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轉(zhuǎn)自：https://www.cnblogs.com/willhua/p/5778415.html