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Android高效計算——RenderScript（二），androidrenderscript

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Android高效計算——RenderScript（二），androidrenderscript

3 RenderScript運行時層與反射層

3.1 RenderScript運行時層

RenderScript運行時層是指.rs代碼運行時所在的層級。當對安卓項目進行編譯的時候，.rs或者.rsh中編寫的代碼都會被llvm編譯器編譯成字節碼。當該安卓應用在設備上運行的時候，這些字節碼將會被設備上另外一個llvm編譯（just-in-time）成機器碼。這些機器碼是針對該設備進行了優化的，且緩存在設備上，等到下次被應用的時候就不需要重新編譯了，以加快速度。雖然RenderScript運行時層很像NDK，但是由於NDK中的C函數只針對CPU設計，與RenderScript還能夠在GPU和DSP上運行的目標不同，因此在RenderScript中不能使用NDK中的C函數。

RenderScript運行時庫的特性包括：

請求內存分配，即其內存是由Android framework層負責分配的。
一系列針對標量與向量計算的數學函數
提供基本數據到向量/矩陣或者數據到時間的轉換函數
預定義的一系列二維、三維、四維向量類型
Log功能，rsDebug函數

3.2 反射層

反射層由安卓編譯工具基於開發者編寫的.rs/.rsh文件自動生成的，反射層的作用就是給Android framework層提供對RenderScript運行時層操作的Java接口，包括內存分配、計算任務啟動、數據交互等。

每一個.rs文件都會被映射成繼承於ScriptC的類：ScriptC_RenderScript_filename，該類被生成在gen目錄下與.rs文件相同的包下。該類就是.rs文件的Java版本。該類主要包含.rs中的如下內容：

非靜態函數。.rs中的非kernel函數不能有返回值，因為RenderScript系統被設計成異步執行。當你從安卓層調用RenderScript函數的時候，這個調用被放在隊列中，然後當輪到該調用的時候再執行。這樣的話可以使RenderScript避免被經常打斷以提升性能。如果想在RenderScript代碼（.rs）中給安卓層返回值，則可以使用rsSendToClient()
非靜態全局變量。而且會對這些變量生成get/set方法（const變量則不會生成set方法），且如果在RenderScript中對這些變量進行了初始化，那麼在反射層也會進行相同的初始化。
全局指針。指針會被映射到.rs對應的類中。可以聲明一個指針指向struct或者其他任何RenderScript支持的類型的指針。因為不容許在.rs中給指針分配內存，對於每個指針，都會生成一個對應的get方法以及bind_pointer_name，這個函數用於把在安卓VM中分配的內存綁定到RenderScript運行時。
定義的struct。Struct也是定義在.rs文件中，無論是單獨定義struct還是和其他RenderScript代碼放在一起，都會給每個單獨的struct生成一個ScriptField_struct_name.java的類文件，你可以通過它來給一個或者多個該struct實例分配內存。但是注意：只有當你定義的struct在RenderScript代碼中被用到了才會生成對應的類文件，若是沒有使用的話則不會生成。在struct中不能含有指針或者數列。

Struct映射的詳細解釋

反射層生成的Struct主要包括：

構造函數：ScriptField_struct_name(RenderScript rs, int count)，這個構造函數用來分配count數量的struct內存
構造函數：ScriptField_struct_name(RenderScript rs, int count, int usages)不僅通過count指定要分配的struct數量，並且通過usages指定這些內存被分配在哪個區域。主要有：

可以使用或操作符來指定在多個內存區分配該內存，這樣做表示向RenderScript表明：我想在多個內存區來訪問該數據。

一個Item內部類，通過該內部類你可以創建該結構的實例，這對於如果需要在安卓層中使用結構實例就非常有用。可以使用set(Item i, int index, boolean copyNow)方法來把某個Item實例插入到已經分配好的內存的指定位置。
結構中的每個字段都會有一個對應的set/get方法，且這些方法中都有一個index參數來指定要設置/讀取內存區的哪個對象。每一個set方法都有一個copyNow參數來說明是否立即同步該內存到RenderScript運行時。通過調用copyAll方法可以同步所有還沒有同步的內存。
創建該結構在內存中的描述Element，通過該Element可以分配由一個或者多個該結構對應的Element組成的內存。
resize()函數。就像C中的realloc()一樣，可以擴展之前分配的內存，並保持之前創建的對象的值。
copyAll()用來同步在framework層設置的值到RenderScript運行時層。當調用set方法時，如果給copyNow設置的false，則將會在調用copyNow時同步到RenderScript運行時層。

代碼舉例：

.rs文件，文件名：script.rs

#pragma version(1) #pragma rs java_package_name(com.example.renderscripttest) #pragma rs_fp_relaxed uint32_t width; uint32_t height; rs_allocation inBitmap; rs_allocation rgbBitmap; rs_allocation yuvBitmap; //multipliers to convert a RGB colors to black and white const static float3 gMonoMult = {0.299f, 0.587f, 0.114f}; typedef struct Point_2D{ int x; int y; }Point; static Point *spPoint; static Point sPoint; Point point; Point *pPoint; //google sample void root(const uchar4 *v_in, uchar4 *v_out) { //unpack a color to a float4 float4 f4 = rsUnpackColor8888(*v_in); //take the dot product of the color and the multiplier float3 mono = dot(f4.rgb, gMonoMult); //repack the float to a color *v_out = rsPackColorTo8888(mono); } void __attribute((kernel)) setPoint(const uint2 in, uint32_t x, uint32_t y){ rsDebug("lyh", point.x); point.x = 9; //struct is used point.y = 12; rsSendToClient(0, &point, 1); rsDebug("willhua", point.x); } uchar4 __attribute__((kernel)) halveBitmap(uchar4 in){ uchar4 out = in; out.r = in.r / 2; out.r = in.r / 2; out.r = in.r / 2; return out; } uchar4 __attribute__((kernel)) averageBitmap(uchar4 in, uint32_t x, uint32_t y){ uchar4 out = in; uchar4 left = in; uchar4 top = in; uchar4 right = in; uchar4 bottom = in; if(x - 1 > -1){ //access other element left = rsGetElementAt_uchar4(inBitmap, x - 1, y); } if(y - 1 > -1){ top = rsGetElementAt_uchar4(inBitmap, x , y - 1); } if(x + 1 < width){ right = rsGetElementAt_uchar4(inBitmap, x + 1, y); } if(y + 1 < height){ bottom = rsGetElementAt_uchar4(inBitmap, x, y + 1); } out.r = (left.r + top.r + right.r + bottom.r) / 4; out.g = (left.g + top.g + right.g + bottom.g) / 4; out.b = (left.b + top.b + right.b + bottom.b) / 4; return out; } View Code

反射層生成的ScriptC子類：

/* * Copyright (C) 2011-2014 The Android Open Source Project * * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); * you may not use this file except in compliance with the License. * You may obtain a copy of the License at * * http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0 * * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. * See the License for the specific language governing permissions and * limitations under the License. */ /* * This file is auto-generated. DO NOT MODIFY! * The source Renderscript file: G:\\Files\\EclipseWorkSpace\\RenderScriptTest\\src\\com\\example\\renderscripttest\\script.rs */ package com.example.renderscripttest; import android.support.v8.renderscript.*; import android.content.res.Resources; /** * @hide */ public class ScriptC_script extends ScriptC { private static final String __rs_resource_name = "script"; // Constructor public ScriptC_script(RenderScript rs) { this(rs, rs.getApplicationContext().getResources(), rs.getApplicationContext().getResources().getIdentifier( __rs_resource_name, "raw", rs.getApplicationContext().getPackageName())); } public ScriptC_script(RenderScript rs, Resources resources, int id) { super(rs, resources, id); __U32 = Element.U32(rs); __ALLOCATION = Element.ALLOCATION(rs); __ScriptField_Point_2D = ScriptField_Point_2D.createElement(rs); __U8_4 = Element.U8_4(rs); __U32_2 = Element.U32_2(rs); } private Element __ALLOCATION; private Element __ScriptField_Point_2D; private Element __U32; private Element __U32_2; private Element __U8_4; private FieldPacker __rs_fp_ALLOCATION; private FieldPacker __rs_fp_ScriptField_Point_2D; private FieldPacker __rs_fp_U32; private final static int mExportVarIdx_width = 0; private long mExportVar_width; public synchronized void set_width(long v) { if (__rs_fp_U32!= null) { __rs_fp_U32.reset(); } else { __rs_fp_U32 = new FieldPacker(4); } __rs_fp_U32.addU32(v); setVar(mExportVarIdx_width, __rs_fp_U32); mExportVar_width = v; } public long get_width() { return mExportVar_width; } public Script.FieldID getFieldID_width() { return createFieldID(mExportVarIdx_width, null); } private final static int mExportVarIdx_height = 1; private long mExportVar_height; public synchronized void set_height(long v) { if (__rs_fp_U32!= null) { __rs_fp_U32.reset(); } else { __rs_fp_U32 = new FieldPacker(4); } __rs_fp_U32.addU32(v); setVar(mExportVarIdx_height, __rs_fp_U32); mExportVar_height = v; } public long get_height() { return mExportVar_height; } public Script.FieldID getFieldID_height() { return createFieldID(mExportVarIdx_height, null); } private final static int mExportVarIdx_inBitmap = 2; private Allocation mExportVar_inBitmap; public synchronized void set_inBitmap(Allocation v) { setVar(mExportVarIdx_inBitmap, v); mExportVar_inBitmap = v; } public Allocation get_inBitmap() { return mExportVar_inBitmap; } public Script.FieldID getFieldID_inBitmap() { return createFieldID(mExportVarIdx_inBitmap, null); } private final static int mExportVarIdx_rgbBitmap = 3; private Allocation mExportVar_rgbBitmap; public synchronized void set_rgbBitmap(Allocation v) { setVar(mExportVarIdx_rgbBitmap, v); mExportVar_rgbBitmap = v; } public Allocation get_rgbBitmap() { return mExportVar_rgbBitmap; } public Script.FieldID getFieldID_rgbBitmap() { return createFieldID(mExportVarIdx_rgbBitmap, null); } private final static int mExportVarIdx_yuvBitmap = 4; private Allocation mExportVar_yuvBitmap; public synchronized void set_yuvBitmap(Allocation v) { setVar(mExportVarIdx_yuvBitmap, v); mExportVar_yuvBitmap = v; } public Allocation get_yuvBitmap() { return mExportVar_yuvBitmap; } public Script.FieldID getFieldID_yuvBitmap() { return createFieldID(mExportVarIdx_yuvBitmap, null); } private final static int mExportVarIdx_point = 5; private ScriptField_Point_2D.Item mExportVar_point; public synchronized void set_point(ScriptField_Point_2D.Item v) { mExportVar_point = v; FieldPacker fp = new FieldPacker(8); fp.addI32(v.x); fp.addI32(v.y); int []__dimArr = new int[1]; __dimArr[0] = 1; setVar(mExportVarIdx_point, fp, __ScriptField_Point_2D, __dimArr); } public ScriptField_Point_2D.Item get_point() { return mExportVar_point; } public Script.FieldID getFieldID_point() { return createFieldID(mExportVarIdx_point, null); } private final static int mExportVarIdx_pPoint = 6; private ScriptField_Point_2D mExportVar_pPoint; public void bind_pPoint(ScriptField_Point_2D v) { mExportVar_pPoint = v; if (v == null) bindAllocation(null, mExportVarIdx_pPoint); else bindAllocation(v.getAllocation(), mExportVarIdx_pPoint); } public ScriptField_Point_2D get_pPoint() { return mExportVar_pPoint; } private final static int mExportForEachIdx_root = 0; public Script.KernelID getKernelID_root() { return createKernelID(mExportForEachIdx_root, 3, 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); } private final static int mExportForEachIdx_setPoint = 1; public Script.KernelID getKernelID_setPoint() { return createKernelID(mExportForEachIdx_setPoint, 57, null, null); } public void forEach_setPoint(Allocation ain) { forEach_setPoint(ain, null); } public void forEach_setPoint(Allocation ain, Script.LaunchOptions sc) { // check ain if (!ain.getType().getElement().isCompatible(__U32_2)) { throw new RSRuntimeException("Type mismatch with U32_2!"); } forEach(mExportForEachIdx_setPoint, ain, null, null, sc); } private final static int mExportForEachIdx_halveBitmap = 2; public Script.KernelID getKernelID_halveBitmap() { return createKernelID(mExportForEachIdx_halveBitmap, 35, null, null); } public void forEach_halveBitmap(Allocation ain, Allocation aout) { forEach_halveBitmap(ain, aout, null); } public void forEach_halveBitmap(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_halveBitmap, ain, aout, null, sc); } private final static int mExportForEachIdx_averageBitmap = 3; public Script.KernelID getKernelID_averageBitmap() { return createKernelID(mExportForEachIdx_averageBitmap, 59, null, null); } public void forEach_averageBitmap(Allocation ain, Allocation aout) { forEach_averageBitmap(ain, aout, null); } public void forEach_averageBitmap(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_averageBitmap, ain, aout, null, sc); } } View Code

反射層生成的struct，Point_2D, 對應的類：

4 內存

我們已經知道，應用自身運行在安卓VM中，而RenderScript部分代碼則運行在本地，且其內存是由上層的應用分配的。

4.1 內存分配API

內存API主要包含三個類：Element，Type與Allocation。他們三者對應的關系能用malloc函數的使用來很好的說明，例如：

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

malloc函數的參數可以分成兩個部分：第一個就是sizeof(int)，該過程指定每個內存單元需要多個內存；第二個就是*10，該過程指定需要分配多個這樣的內存單元。對應的內存分配APIs就是Element類，表示的是一個內存單元，就像一個float或者一個struct所表示的內存。而Type表示的就是“*10”部分，就像一個Element序列一樣。Allocation則用來執行由Type所描述的內存分配，且最終代表分配得到的內存。

大部分情況下都不需要直接使用這些API，因為系統在自動生成反射層的時候已經做好了封裝，需要做的就是調用對應類的構造函數並把分配的內存綁定到RenderScript而已。但是比如當你加載一張圖片到RenderScript層或者給一個指針分配內存時，就需要應用到這些API。

4.2 靜態內存

4.2.1 靜態內存的分配

這裡的靜態內存指的是在RenderScript中聲明的非靜態的全局變量（靜態的或者局部的變量就無法在Android framework層訪問，也就不討論），他們在編譯時就分配了內存，在RenderScript代碼中可以直接使用它們而不需要在Android Framework層給他們分配內存。在Android Framework層也可以通過反射層生成的函數來訪問他們。如果這些變量在RenderScript中被初始化，那麼他們也將在Android Framework層中被進行同樣的初始化。

注意：如果在RenderScript中使用到了RenderScript中預定義了的一些含有指針的結構體，比如rs_program_fragment和rs_allocation，那麼就需要先在Android Framework層構造一個該結構對應類的實例，然後調用set方法把內存綁定到RenderScript運行時，而不能直接在RenderScript層操作。但是這個對於用戶自定義的包含指針的結果無效，因為根本就無法自定義包含指針的結構。

4.2.2 靜態內存的讀寫

在RenderScript層對靜態分配的內存的寫操作是單向的。當你在RenderScript層修改了某個變量的值，出於性能方面的考慮，這個變化不會反應給安卓層。在安卓層調用get方法獲得的是安卓層最後一次通過set方法設置的值，除非通過rsSendToClient()等手段，否則安卓層是永遠獲取不到RenderScript對靜態分配的內存的修改的。但是，當安卓層修改了某個變量的值後，該值的變化隨後就會自動同步到RenderScript層。

下面是讀寫示例。假如在rsfile.rs中定義了全局變量point:

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

Point_t point;

那麼在RenderScript中可以如下直接給變量賦值：

point.x = 1;
point.y = 1;

在Android framework層中可以這樣修改該變量的值，且修改的值會通知到RenderScript層：

ScriptC_rsfile mScript;
...
Item i = new ScriptField_Point.Item();
i.x = 1;
i.y = 1;
mScript.set_point(i);

在RenderScript中讀取變量的值：

rsDebug("Printing out a Point", point.x, point.y);

在Android framework中讀取變量的值。再一次強調：讀取到的永遠是Android framework層最後一次調用set方法給該變量賦的值，而如果在Android framework層沒有用set方法給變量賦過值的話，那麼讀取的將是null，下面代碼也會報空指針錯誤

Log.i("TAGNAME", "Printing out a Point: " + mScript.get_point().x + " " + mScript.get_point().y);
System.out.println(point.get_x() + " " + point.get_y());

4.3 動態內存

4.3.1 動態內存的分配

對於動態內存，比如指針，就必須在Android Framework層中給它分配內存。需要兩個過程：分配內存與綁定內存。這樣做的好處在於：安卓VM能夠完全掌握RenderScript內存的分配與回收。

無論在Android Framework層還是RenderScript中，都可以通過該指針來訪問分配的內存。

為了給RenderScript動態分配內存，最常見的做法是調用Script.FieldBase的構造函數，當然好也可以手動創建Allocation來實現，為了簡單起見，應該使用Script.FieldBase.當獲取分配的內存對象後，就可以通過反射層的bind方法把該內存綁定到RenderScript。下面代碼是兩種實現方式的例子：

private RenderScript myRenderScript;
private ScriptC_example mScript;
private Resources resources;

public void init(RenderScript rs, Resources res) {
    myRenderScript = rs;
    resources = res;
     //使用反射層生成的類分配內存
    ScriptField_Point touchPoints = new ScriptField_Point(myRenderScript, 2);
    //自己使用API分配內存
    intPointer = Allocation.createSized(myRenderScript, Element.I32(myRenderScript), 2);
    mScript = new ScriptC_example(myRenderScript, resources, R.raw.example);
     //綁定內存
    mScript.bind_touchPoints(touchPoints);
    mScript.bind_intPointer(intPointer);
   ...
}

4.3.2 動態內存的讀寫

對於動態內存，在Android framework層可以通過反射層的set/get方法來讀/寫內存，在RenderScript中也可以像往常一樣讀/寫，且任意一方的寫操作都會通知到另外一方。

下面是示例。假設在rsfile.rs定義了如下全局指針:

typedef struct Point {
    int x;
    int y;
} Point_t;
Point_t *point;

只要你已經在Android framework層給分配了內存，那麼就可以像往常一樣使用它，且任何的修改都會通知到Android framework層。

point[index].x = 1;
point[index].y = 1;

在Android framework 層通過反射層提供的方法讀寫:

ScriptField_Point p = new ScriptField_Point(mRS, 1);
    Item i = new ScriptField_Point.Item();
    i.x=100;
    i.y = 100;
    p.set(i, 0, true);
    mScript.bind_point(p); 
    points.get_x(0);            //read x and y from index 0
    points.get_x(0);

內存只需要綁定一次就可以了，不需要每次修改值的時候再次綁定

5 基本應用場景

5.1 RenderScript層回調Android framework層

前面我們提到過，RenderScript中的invokable不能有返回值，以及對於靜態內存，RenderScript層對其修改不會通知到Android framework層。對於這兩種情況，配套使用RSMessageHandler和rsSendToClient是很好的解決方案。對於二者的關系，從命名就可以看出一二，RSMessageHandler相當於常用的handleMessage函數，而rsSendToClient則相當於Handler.sendMessage，只是RSMessageHandler運行在Android framework層，而rsSendToClient運行在RenderScript層。

RenderScript.RSMessageHandler它implements Runnable，在使用過程中只需要重寫run函數即可。其有三個重要的字段：

使用范例：

        mRenderScript.setMessageHandler(new RSMessageHandler(){
            @Override
            public void run(){
                switch (mID) {
                case type:
                    //do something
                    break;
                default:
                    break;
                }
            }
        });

注意：run函數不是運行在主線程，所以在run函數中不能直接做操作主界面UI的操作。

5.2 在RenderScript kernel中訪問更多的元素

我們提到過，對於一個kernel，最多只能有一個輸入Allocation，假如需要在kernel中訪問更多的Allocation，那怎麼辦呢？

在kernel中，僅容許對當前元素進行操作，即當前坐標（x，y）表示的元素，如果想訪問其他元素，則需要定義一個全局的輸入allocation，然後使用rsGetElementAt_type()來獲取其他元素，比如：下面的averageBitmap就訪問了全局變量inBitmap的數據:

rs_allocation inBitmap;

uchar4 __attribute__((kernel)) averageBitmap(uchar4 in, uint32_t x, uint32_t y){
    uchar4 out = in;
    
    uchar4 left = in;
    uchar4 top = in;
    uchar4 right = in;
    uchar4 bottom = in;
    
    if(x - 1 > -1){ //access other element
        left = rsGetElementAt_uchar4(inBitmap, x - 1, y);
    }
    if(y - 1 > -1){
        top = rsGetElementAt_uchar4(inBitmap, x , y - 1);
    }
    if(x + 1 < width){
        right = rsGetElementAt_uchar4(inBitmap, x + 1, y);
    }
    if(y + 1 < height){
        bottom = rsGetElementAt_uchar4(inBitmap, x, y + 1);
    }
    
    out.r = (left.r + top.r + right.r + bottom.r) / 4;
    out.g = (left.g + top.g + right.g + bottom.g) / 4;
    out.b = (left.b + top.b + right.b + bottom.b) / 4;
    
    return out;
}

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