Android App中使用SurfaceView制作多线程动画的实例讲解

1. SurfaceView的定义
通常情况程序的View和用户响应都是在同一个线程中处理的，这也是为什么处理长时间事件（例如访问网络）需要放到另外的线程中去（防止阻塞当前UI线程的操作和绘制）。但是在其他线程中却不能修改UI元素，例如用后台线程更新自定义View（调用View的在自定义View中的onDraw函数）是不允许的。

如果需要在另外的线程绘制界面、需要迅速的更新界面或则渲染UI界面需要较长的时间，这种情况就要使用SurfaceView了。SurfaceView中包含一个Surface对象，而Surface是可以在后台线程中绘制的。SurfaceView的性质决定了其比较适合一些场景：需要界面迅速更新、对帧率要求较高的情况。使用SurfaceView需要注意以下几点情况：
SurfaceView和SurfaceHolder.Callback函数都从当前SurfaceView窗口线程中调用（一般而言就是程序的主线程）。有关资源状态要注意和绘制线程之间的同步。
在绘制线程中必须先合法的获取Surface才能开始绘制内容，在SurfaceHolder.Callback.surfaceCreated() 和SurfaceHolder.Callback.surfaceDestroyed()之间的状态为合法的，另外在Surface类型为SURFACE_TYPE_PUSH_BUFFERS时候是不合法的。
额外的绘制线程会消耗系统的资源，在使用SurfaceView的时候要注意这点。

2. SurfaceView的使用
首先继承SurfaceView，并实现SurfaceHolder.Callback接口，实现它的三个方法：surfaceCreated，surfaceChanged，surfaceDestroyed。
（1）surfaceCreated(SurfaceHolder holder)：surface创建的时候调用，一般在该方法中启动绘图的线程。
（2）surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width,int height)：surface尺寸发生改变的时候调用，如横竖屏切换。
（3）surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) ：surface被销毁的时候调用，如退出游戏画面，一般在该方法中停止绘图线程。
还需要获得SurfaceHolder，并添加回调函数，这样这三个方法才会执行。
只要继承SurfaceView类并实现SurfaceHolder.Callback接口就可以实现一个自定义的SurfaceView了，SurfaceHolder.Callback在底层的Surface状态发生变化的时候通知View，SurfaceHolder.Callback具有如下的接口：
（1）surfaceCreated(SurfaceHolder holder)：当Surface第一次创建后会立即调用该函数。程序可以在该函数中做些和绘制界面相关的初始化工作，一般情况下都是在另外的线程来绘制界面，所以不要在这个函数中绘制Surface。
（2）surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width,int height)：当Surface的状态（大小和格式）发生变化的时候会调用该函数，在surfaceCreated调用后该函数至少会被调用一次。
（3）surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder)：当Surface被摧毁前会调用该函数，该函数被调用后就不能继续使用Surface了，一般在该函数中来清理使用的资源。
通过SurfaceView的getHolder()函数可以获取SurfaceHolder对象，Surface 就在SurfaceHolder对象内。虽然Surface保存了当前窗口的像素数据，但是在使用过程中是不直接和Surface打交道的，由SurfaceHolder的Canvas lockCanvas()或则Canvas lockCanvas(Rect dirty)函数来获取Canvas对象，通过在Canvas上绘制内容来修改Surface中的数据。如果Surface不可编辑或则尚未创建调用该函数会返回null，在 unlockCanvas() 和 lockCanvas()中Surface的内容是不缓存的，所以需要完全重绘Surface的内容，为了提高效率只重绘变化的部分则可以调用lockCanvas(Rect dirty)函数来指定一个dirty区域，这样该区域外的内容会缓存起来。在调用lockCanvas函数获取Canvas后，SurfaceView会获取Surface的一个同步锁直到调用unlockCanvasAndPost(Canvas canvas)函数才释放该锁，这里的同步机制保证在Surface绘制过程中不会被改变（被摧毁、修改）。
当在Canvas中绘制完成后，调用函数unlockCanvasAndPost(Canvas canvas)来通知系统Surface已经绘制完成，这样系统会把绘制完的内容显示出来。为了充分利用不同平台的资源，发挥平台的最优效果可以通过SurfaceHolder的setType函数来设置绘制的类型，目前接收如下的参数：
（1）SURFACE_TYPE_NORMAL：用RAM缓存原生数据的普通Surface
（2）SURFACE_TYPE_HARDWARE：适用于DMA(Direct memory access )引擎和硬件加速的Surface
（3）SURFACE_TYPE_GPU：适用于GPU加速的Surface
（4）SURFACE_TYPE_PUSH_BUFFERS：表明该Surface不包含原生数据，Surface用到的数据由其他对象提供，在Camera图像预览中就使用该类型的Surface，有Camera负责提供给预览Surface数据，这样图像预览会比较流畅。如果设置这种类型则就不能调用lockCanvas来获取Canvas对象了。
访问SurfaceView的底层图形是通过SurfaceHolder接口来实现的，通过getHolder()方法可以得到这个SurfaceHolder对象。你应该实现surfaceCreated(SurfaceHolder)和surfaceDestroyed(SurfaceHolder)方法来知道在这个Surface在窗口的显示和隐藏过程中是什么时候创建和销毁的。

注意：一个SurfaceView只在SurfaceHolder.Callback.surfaceCreated() 和 SurfaceHolder.Callback.surfaceDestroyed()调用之间是可用的，其他时间是得不到它的Canvas对象的（null）。
3. SurfaceView实战
下面通过一个小demo来学习SurfaceView在实际项目中的使用，绘制一个精灵，该精灵有四个方向的行走动画，让精灵沿着屏幕四周不停的行走。游戏中精灵素材和最终实现的效果图:

首先创建核心类GameView.java，源码如下：

public class GameView extends SurfaceView implements
    SurfaceHolder.Callback {

  //屏幕宽高
  public static int SCREEN_WIDTH;
  public static int SCREEN_HEIGHT;

  private Context mContext;
  private SurfaceHolder mHolder;
  //最大帧数 (1000 / 30)
  private static final int DRAW_INTERVAL = 30;

  private DrawThread mDrawThread;
  private FrameAnimation []spriteAnimations;
  private Sprite mSprite;
  private int spriteWidth = 0;
  private int spriteHeight = 0;
  private float spriteSpeed = (float)((500 * SCREEN_WIDTH / 480) * 0.001);
  private int row = 4;
  private int col = 4;

  public GameSurfaceView(Context context) {
    super(context);
    this.mContext = context;
    mHolder = this.getHolder();
    mHolder.addCallback(this);
    initResources();

    mSprite = new Sprite(spriteAnimations,0,0,spriteWidth,spriteHeight,spriteSpeed);
  }

  private void initResources() {
    Bitmap[][] spriteImgs = generateBitmapArray(mContext, R.drawable.sprite, row, col);
    spriteAnimations = new FrameAnimation[row];
    for(int i = 0; i < row; i ++) {
      Bitmap []spriteImg = spriteImgs[i];
      FrameAnimation spriteAnimation = new FrameAnimation(spriteImg,new int[]{150,150,150,150},true);
      spriteAnimations[i] = spriteAnimation;
    }
  }

  public Bitmap decodeBitmapFromRes(Context context, int resourseId) {
    BitmapFactory.Options opt = new BitmapFactory.Options();
    opt.inPreferredConfig = Bitmap.Config.RGB_565;
    opt.inPurgeable = true;
    opt.inInputShareable = true;

    InputStream is = context.getResources().openRawResource(resourseId);
    return BitmapFactory.decodeStream(is, null, opt);
  }

  public Bitmap createBitmap(Context context, Bitmap source, int row,
      int col, int rowTotal, int colTotal) {
    Bitmap bitmap = Bitmap.createBitmap(source,
        (col - 1) * source.getWidth() / colTotal,
        (row - 1) * source.getHeight() / rowTotal, source.getWidth()
            / colTotal, source.getHeight() / rowTotal);
    return bitmap;
  }

  public Bitmap[][] generateBitmapArray(Context context, int resourseId,
      int row, int col) {
    Bitmap bitmaps[][] = new Bitmap[row][col];
    Bitmap source = decodeBitmapFromRes(context, resourseId);
    this.spriteWidth = source.getWidth() / col;
    this.spriteHeight = source.getHeight() / row;
    for (int i = 1; i <= row; i++) {
      for (int j = 1; j <= col; j++) {
        bitmaps[i - 1][j - 1] = createBitmap(context, source, i, j,
            row, col);
      }
    }
    if (source != null && !source.isRecycled()) {
      source.recycle();
      source = null;
    }
    return bitmaps;
  }

  public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width,
      int height) {
  }

  public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {
    if(null == mDrawThread) {
      mDrawThread = new DrawThread();
      mDrawThread.start();
    }
  }

  public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {
    if(null != mDrawThread) {
      mDrawThread.stopThread();
    }
  }

  private class DrawThread extends Thread {
    public boolean isRunning = false;

    public DrawThread() {
      isRunning = true;
    }

    public void stopThread() {
      isRunning = false;
      boolean workIsNotFinish = true;
      while (workIsNotFinish) {
        try {
          this.join();// 保证run方法执行完毕
        } catch (InterruptedException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
        }
        workIsNotFinish = false;
      }
    }

    public void run() {
      long deltaTime = 0;
      long tickTime = 0;
      tickTime = System.currentTimeMillis();
      while (isRunning) {
        Canvas canvas = null;
        try {
          synchronized (mHolder) {
            canvas = mHolder.lockCanvas();
            //设置方向
            mSprite.setDirection();
            //更新精灵位置
            mSprite.updatePosition(deltaTime);
            drawSprite(canvas);
          }
        } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
        } finally {
          if (null != mHolder) {
            mHolder.unlockCanvasAndPost(canvas);
          }
        }

        deltaTime = System.currentTimeMillis() - tickTime;
        if(deltaTime < DRAW_INTERVAL) {
          try {
            Thread.sleep(DRAW_INTERVAL - deltaTime);
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }
        }
        tickTime = System.currentTimeMillis();
      }

    }
  }

  private void drawSprite(Canvas canvas) {
    //清屏操作
    canvas.drawColor(Color.BLACK);
    mSprite.draw(canvas);
  }

}

GameView.java中包含了一个绘图线程DrawThread，在线程的run方法中锁定Canvas、绘制精灵、更新精灵位置、释放Canvas等操作。因为精灵素材是一张大图，所以这里进行了裁剪生成一个二维数组。使用这个二维数组初始化了精灵四个方向的动画，下面看Sprite.java的源码。

public class Sprite {

  public static final int DOWN = 0;
  public static final int LEFT = 1;
  public static final int RIGHT = 2;
  public static final int UP = 3;

  public float x;
  public float y;
  public int width;
  public int height;
  //精灵行走速度
  public double speed;
  //精灵当前行走方向
  public int direction;
  //精灵四个方向的动画
  public FrameAnimation[] frameAnimations;

  public Sprite(FrameAnimation[] frameAnimations, int positionX,
      int positionY, int width, int height, float speed) {
    this.frameAnimations = frameAnimations;
    this.x = positionX;
    this.y = positionY;
    this.width = width;
    this.height = height;
    this.speed = speed;
  }

  public void updatePosition(long deltaTime) {
    switch (direction) {
    case LEFT:
      //让物体的移动速度不受机器性能的影响,每帧精灵需要移动的距离为：移动速度*时间间隔
      this.x = this.x - (float) (this.speed * deltaTime);
      break;
    case DOWN:
      this.y = this.y + (float) (this.speed * deltaTime);
      break;
    case RIGHT:
      this.x = this.x + (float) (this.speed * deltaTime);
      break;
    case UP:
      this.y = this.y - (float) (this.speed * deltaTime);
      break;
    }
  }

  /**
   * 根据精灵的当前位置判断是否改变行走方向
   */
  public void setDirection() {
    if (this.x <= 0
        && (this.y + this.height) < GameSurfaceView.SCREEN_HEIGHT) {
      if (this.x < 0)
        this.x = 0;
      this.direction = Sprite.DOWN;
    } else if ((this.y + this.height) >= GameSurfaceView.SCREEN_HEIGHT
        && (this.x + this.width) < GameSurfaceView.SCREEN_WIDTH) {
      if ((this.y + this.height) > GameSurfaceView.SCREEN_HEIGHT)
        this.y = GameSurfaceView.SCREEN_HEIGHT - this.height;
      this.direction = Sprite.RIGHT;
    } else if ((this.x + this.width) >= GameSurfaceView.SCREEN_WIDTH
        && this.y > 0) {
      if ((this.x + this.width) > GameSurfaceView.SCREEN_WIDTH)
        this.x = GameSurfaceView.SCREEN_WIDTH - this.width;
      this.direction = Sprite.UP;
    } else {
      if (this.y < 0)
        this.y = 0;
      this.direction = Sprite.LEFT;
    }

  }

  public void draw(Canvas canvas) {
    FrameAnimation frameAnimation = frameAnimations[this.direction];
    Bitmap bitmap = frameAnimation.nextFrame();
    if (null != bitmap) {
      canvas.drawBitmap(bitmap, x, y, null);
    }
  }
}

精灵类主要是根据当前位置判断行走的方向，然后根据行走的方向更新精灵的位置，再绘制自身的动画。由于精灵的动画是一帧一帧的播放图片，所以这里封装了FrameAnimation.java，源码如下：

public class FrameAnimation{
  /**动画显示的需要的资源 */
  private Bitmap[] bitmaps;
  /**动画每帧显示的时间 */
  private int[] duration;
  /**动画上一帧显示的时间 */
  protected Long lastBitmapTime;
  /**动画显示的索引值，防止数组越界 */
  protected int step;
  /**动画是否重复播放 */
  protected boolean repeat;
  /**动画重复播放的次数*/
  protected int repeatCount;

  /**
   * @param bitmap:显示的图片<br/>
   * @param duration:图片显示的时间<br/>
   * @param repeat:是否重复动画过程<br/>
   */
  public FrameAnimation(Bitmap[] bitmaps, int duration[], boolean repeat) {
    this.bitmaps = bitmaps;
    this.duration = duration;
    this.repeat = repeat;
    lastBitmapTime = null;
    step = 0;
  }

  public Bitmap nextFrame() {
    // 判断step是否越界
    if (step >= bitmaps.length) {
      //如果不无限循环
      if( !repeat ) {
        return null;
      } else {
        lastBitmapTime = null;
      }
    }

    if (null == lastBitmapTime) {
      // 第一次执行
      lastBitmapTime = System.currentTimeMillis();
      return bitmaps[step = 0];
    }

    // 第X次执行
    long nowTime = System.currentTimeMillis();
    if (nowTime - lastBitmapTime <= duration[step]) {
      // 如果还在duration的时间段内,则继续返回当前Bitmap
      // 如果duration的值小于0,则表明永远不失效,一般用于背景
      return bitmaps[step];
    }
    lastBitmapTime = nowTime;
    return bitmaps[step++];// 返回下一Bitmap
  }

}

FrameAnimation根据每一帧的显示时间返回当前的图片帧，若没有超过指定的时间则继续返回当前帧，否则返回下一帧。
接下来需要做的是让Activty显示的View为我们之前创建的GameView，然后设置全屏显示。

public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
   super.onCreate(savedInstanceState);

   getWindow().setFlags(WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN,
       WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN);
   requestWindowFeature(Window.FEATURE_NO_TITLE);
   getWindow().setFlags(WindowManager.LayoutParams.FLAG_KEEP_SCREEN_ON,
       WindowManager.LayoutParams.FLAG_KEEP_SCREEN_ON);

   DisplayMetrics outMetrics = new DisplayMetrics();
   this.getWindowManager().getDefaultDisplay().getMetrics(outMetrics);
   GameSurfaceView.SCREEN_WIDTH = outMetrics.widthPixels;
   GameSurfaceView.SCREEN_HEIGHT = outMetrics.heightPixels;
   GameSurfaceView gameView = new GameSurfaceView(this);
   setContentView(gameView);
 }

现在运行Android工程，应该就可以看到一个手持宝剑的武士在沿着屏幕不停的走了。