浅谈JavaSE性能优化（1）——BufferedImage与像素级渲染

写在前面的话：

JAVA应用结构简单，易于编写，能够轻易完成高强度的复杂交互，并且安全性高，稳定性强，免费资源丰富，网络功能强大，拥有近乎完美的多线程机制。有必要的前提下，Java程序员甚至可以使用JNI直接与本地环境沟通，从而绕过虚拟机的性能制约。

 

而JAVA应用的跨平台特性，更（理论上）让其可以运行于任何系统和平台之上，最大限度的增加了程序的通用可能。

 

从本质上讲，无论你以Java开发桌面应用也好，网页应用也罢，其实并没有明显的界线存在。究其根本，无非是使用Applet/JApplet/JavaFX当做容器，抑或AWT/Swing/SWT当作容器的区别罢了。

 

快捷、灵活、通用、稳定，以上这些优势，原本足以让JAVA将成为未来网页游戏乃至中小型桌面游戏开发的主流语言之一。

 

然而，Java的运行效率问题，似乎却成了这一些美好前景的绊脚石。更直接的说，有一些人武断的认为，Java“缓慢”的运行速度，让它根本不适合作为游戏客户端之用。

 

即便自JDK1.6起Java的图形渲染能力已经有了显著提升，即便国外像RuneScape之类的Java3D网页游戏已经上线盈利很多年（PS：顺便鄙视下Jagex最近对RuneScape作的人物属性调整……），即便连NetBeans的运行速度都已经变得能同普通桌面程序不遑多让。但是，某些自2004年后或许从未接触过新技术的家伙，依旧乐此不疲的散布着有关Java性能的流言蜚语。

 

在某些落伍人士眼里，Java如同洪水猛兽，又好像是他们天生的对头。他们甚至宁愿选择某些行将就木的技术，他们甚至宁愿将某些只适合做低成本动画的东西视为命根，他们甚至宁愿花大力气去处理那些因为不支持实际多线程、CPU占用过高、硬件加速不到位、资源回收异常等等问题而引发的致命BUG，也不愿意去多了解一下Java。他们将一种原本可以带来巨大商业利益的语言视若等闲，他们宁愿让自己的雇主花费数倍的精力与财力去打造垃圾，也不愿意让雇主和公司拥有接触到更为优秀技术的机会。

 

不得不说，这即是Java的遗憾，更是某些落伍人士雇主及其公司，乃至整个游戏产业的遗憾。

 

当然，一味的指责他人，就成了抱怨，势必会犯“有嘴说别人，没嘴说自己”的民族通病。事实上，人们对于Java性能方面之所以会产生误解，除了旁人的傲慢与偏见外，自然也同Java自身的发展历程密不可分（具体原因我在其它的博文中已经阐述过很多次，此处不再赘述）。

 

但总体上讲，除了原Sun公司本身的不作为，以及Java偏向企业级开发，偏向服务器端开发的大环境影响外。Java进行游戏开发，或者说桌面开发的最大缺陷，就在于其图形开发方面，特别是有关于渲染优化方面，乃至整个Java游戏开发领域的书籍资料都严重匮乏。没错，相比浩如烟海的Java服务器端技术资料而言，Java游戏开发方面的资源凤毛麟角。在某个黑暗时期中，甚至连Java版的贪食蛇、俄罗斯方块、超级马里奥之类的资源都会被人视为经典。

 

不客气地说，如果凭那些东西就想让人树立对于Java游戏开发的信心，就算不等于痴人说梦，至少也是难于登天了。

 

而如果想要解决这个问题，那么更多的示例，以及更多的技术文章将必不可少。为此，笔者才会产生创作此系列博文的意愿，唯恨椽笔拙文，权作引玉之砖。

 

 

正文：BufferedImage与像素级渲染

 

常有人说Java图形渲染很慢？嗯，相对C/C++而言，Java2D固有的图像处理能力确实有待提高。

 

但是，这也仅仅局限于对比C/C++应用而言。

 

如果您是以其它什么东西与之比较，却得出Java渲染很慢的结论。那么，或者并不是出自Java本身的原因，而在于您并没能搞清楚该怎样正确的使用Java绘图。

 

况且，即便是相对于C/C++而谈，Java也并非相差到难以望其项背的地步。相对于某些行将就木的技术，至少我们除了异常积极的自行修改JRE，或者极端消极的等待JRE官方更新以外，还有使用OpenGL或者像素级优化这两条道路可走。

 

在本节当中，我们就先谈点基础的，来说说Java渲染的像素级优化吧。

 

像素与RGB：

 

像素是什么？简单的讲，像素就是色彩，像素是系统能够在计算机屏幕上显示的最小染色点。越高位的像素，其拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。

 

众所周知，图像是像素的复合，看似绚丽的形象，也无外是一个个肉眼难以分辨的细微颗粒集合罢了。

 

比如，在一些常见的Java图像处理中，我们经常会用到所谓的RGB24模式（24位三原色模式，在Java2D中以TYPE_INT_RGB表示），将Red，Green，Blue三种色彩加以混合，创造出唯一的色彩点并绘制到计算机之上。而这个色彩点，也就是所谓的像素。因为在RGB24中Red，Green，Blue三者都被分配有一个0~255的强度值，所以该RGB模式的极限机能就是256*256*256，即至多可以显示出16777216种颜色。

 

PS：关于16位的RGB565（Java2D中表示为TYPE_USHORT_565_RGB）以及RGB555（Java2D中表示为TYPE_USHORT_555_RGB）会在以后章节中涉及，大家此刻只要知道，使用24位以下的图形处理模式，在显示速度上虽然会有提高，视觉效果上却必然会有损失就可以了。

 

也许有网友会感叹。哇！16777216种颜色，这么多？难道都能用上吗？！

 

没错，16777216种颜色确实很多；事实上，这已非常接近于人类肉眼所能观察到的颜色数目极限, 所以我们又将它称之为真彩色。然而，人类的欲求却是无止境的，即便能够展现出16777216种颜色的RGB真彩模式，依旧有人嫌弃它的效果太差。

 

否则，在您计算机“颜色质量”一栏中，或许就不会再有32位这种“多余”的选择了。

 

正是因为人类天性的贪婪，当今2D、3D图形渲染中最为常见的ARGB模式，也就是32位真彩模式才会应运而生。

 

ARGB模式：

 

您问什么是ARGB？其实，它就是个穿了Alpha通道马甲的RGB。

事实上，较之最初的RGB模式，ARGB仅仅增加了一个名为Alpha的色彩通道。这是一个8位的灰度通道，用256级灰度来记录图像中的透明度信息，定义透明、不透明和半透明区域。通俗的说，你的ARGB图像是否透明，与底层图像的遮挡关系如何，都将由Alpha这个参数所决定。

 

在 Java2D中， TYPE_INT_ARGB象征着32 位十六进制数的ARGB色彩模式。

 

将“32 位十六进制数”的概念具象化后，也就是四对十六进制数字的序列。每个十六进制对定义四个颜色通道，即Red、Green、Blue和Alpha中每个颜色通道的强度，全以范围介于 0 到 255 之间的十进制数的十六进制表示法。（在16进制表示中，FF 是指全强度 ，最高的255。00 是指通道中无颜色，最低为0）

 

正如大家都知道的那样, 由于颜色值长度需要两位数字, 因此您需要填充一个通道, 例如用 01 代替 1，这样才可确保十六进制数中始终具有八个数字。还应确保指定十六进制数前缀 0x，这样才能被Java识别为16进制。

 

例如，白色 (全强度) 用十六进制记数法表示为: 0xFFFFFFFF。而黑色正好相反；它在红色、绿色和蓝色中的任何一个通道中都无颜色，结果就成了: 0xFF000000。请注意, Alpha 通道中的全强度意味着没有 Alpha (FF)，也就是不透明, 而无强度 (00)，则意味着全透明。

利用ARGB模式，我们可以轻易的创建出一些RGB所无法实现的艳丽图像，完成一些RGB所无法企及的缤纷效果。应该说，如果您只是想制作一个让人可以入目的画面，那么普通的RGB模式已然游刃有余，但如果您想百尺竿头更进一步，制作出一些让人心旷神怡的视觉盛宴，那就非ARGB不可。而一旦您开始使用ARGB，就与Alpha、Red、Green、Blue这四层色彩通道留下了不解之缘。

 

在Java中获得ARGB像素的方法如下：

 

public static int getARGB(int r, int g, int b, int alpha) {

        return (alpha << 24) | (r << 16) | (g << 8) | b;

}

关于BufferedImage：

 

当我们需要使用像素级操作，当我们需要设定针对不同图像的不同色彩模式时，最直接有效的方法，就是使用BufferedImage。

 

事实上，就像深入优化Flash渲染必须利用BitmapData一样，没有对BufferedImage的相关了解，提高Java2D性能根本无从谈起，甚至不能说你会用Java2D。

 

当您想要创建BufferedImage，并对其中像素进行直接操作时，大体上有三种方式可选：

 

1、直接创建BufferedImage，导出DataBufferInt对象获取像素集合。

 

//创建一个640x480的BufferedImage，设定渲染模式为ARGB

BufferedImage image = new BufferedImage(640, 480,

              BufferedImage.TYPE_INT_ARGB);

//获得当前BufferedImage的图像数据存储器，并转为DataBufferInt

DataBufferInt dataBuffer = ((DataBufferInt) image.getRaster()

              .getDataBuffer());

//获得对应BufferedImage的像素数组

int[] pixels = dataBuffer.getData(); 

2、以int[]生成WritableRaster，以WritableRaster产生BufferedImage。

//设定BufferedImage的宽与高

int width = 640, height = 480;

int size = width * height;

//创建数组，用以保存对应BufferedImage的像素集合

int[] pixels = new int[size];

//以指定数组创建出指定大小的DataBuffer

DataBuffer dataBuffer = new DataBufferInt(pixels, size);

//创建一个WritableRaster对象，用以管理光栅

WritableRaster raster = Raster.createPackedRaster(dataBuffer, width, height,width, new int[] { 0xFF0000, 0xFF00, 0xFF }, null);

//创建一个24位的RGB色彩模型，并填充相应的R、G、B掩码

DirectColorModel directColorModel = new DirectColorModel(24, 0xFF0000, 0xFF00, 0xFF);

// 以下为32位RGB色彩模型

// DirectColorModel directColorModel = new DirectColorModel(32, 0xFF000000, 0xFF0000, 0xFF00, 0xFF);

//生成BufferedImage,预设Alpha，无配置

BufferedImage image = new BufferedImage(directColorModel, raster, true, null);

 

3、与方法2基本相同，唯一差别在于使用了SampleModel

int width = 640, height = 480;

int size = width * height;

int[] pixels = new int[size];

// 24位色彩模型

DirectColorModel directColorModel = new DirectColorModel(24, 0xFF0000,

              0xFF00, 0xFF);

// 以SinglePixelPackedSampleModel构建像素包

SampleModel sample = new SinglePixelPackedSampleModel(

              DataBuffer.TYPE_INT, width, height, new int[] { 0xFF0000,

                     0xFF00, 0xFF });

//生成DataBuffer

DataBuffer dataBuffer = new DataBufferInt(pixels, size);

//以SampleModel及DataBuffer生成WritableRaster

WritableRaster raster = Raster.createWritableRaster(sample, dataBuffer,

              new Point(0, 0));

//生成BufferedImage

BufferedImage image = new BufferedImage(directColorModel, raster, true, null);

 

实际上，虽然表面上有所不同，但无论您采用以上何种方式获得BufferedImage及其对应的像素集合（PS:此处并非一定要获得像素的int[]形式，如short[]、byte[]等各式亦可，请根据实际需求决定），pixels对您而言都将成为一块保存有图像数据的内存区域，针对此pixels进行的任何修改，都将被直接反馈于BufferedImage之上。

 

得到了像素集合，我们又该如何将其应用到Java2D中呢？下面，我将介绍两个像素级Java渲染组件给大家参考。下面我们所使用到的一切操作，也都将围绕pixels这个以int[]形式出现的数组展开。

一、古董级的Processing

 

项目地址：http://processing.org/

 

这是一套完整的，开源的，兼顾2D与3D方面的Java渲染组件。事实上，Processing在针对Java2D性能优化上的意义并不太大，因为它本来就不是为了解决性能问题而出现的。

 

Processing所做的，更多的是一种效果优化，一种对 Java 语言的延伸。它希望人们能利用它对Java的扩充，以简单高效的方式实现绚丽夺目的图形效果。应该说，Processing 将 Java 的语法简化并将其运算结果“感官化”，让使用者能很快享有声光兼备的交互式多媒体作品。

 

由于Processing运行于PApplet之上，而 PApplet 继承自Applet 。也就是说原本的 Processing 也是一种小程序，如果我们要将它应用在网页环境之外，要们就将PApplet插入到Frame/JFrame当中，要么就将其改写。

 

为了未来的演示更加方便，笔者选择了改写的道路，将其PGraphics渲染层直接封装。以下，是一个已经替换为Processing渲染的LGame示例：

 

public class ProcessingBall extends Screen { class Ball { float x; float y; float speed; float gravity; float w; float life = 255; Ball(float tempX, float tempY, float tempW) { x = tempX; y = tempY; w = tempW; speed = 0; gravity = 0.1f; } void move() { speed = speed + gravity; y = y + speed; if (y > getHeight()) { speed = speed * -0.8f; y = getHeight(); } } boolean finished() { life--; if (life < 0) { return true; } else { return false; } } void display(LPGraphics g) { g.fill(0, life); g.ellipse(x, y, w, w); } } private ArrayList balls; private int ballWidth = 48; PImage image=Utils.loadImage("system/image/logo.png"); public ProcessingBall() { balls = new ArrayList(); balls.add(new Ball(getWidth() / 2, 0, ballWidth)); } public void draw(LPGraphics g) { g.background(255); for (int i = balls.size() - 1; i >= 0; i--) { Ball ball = (Ball) balls.get(i); ball.move(); ball.display(g); if (ball.finished()) { balls.remove(i); } } } public void leftClick(MouseEvent e) { balls.add(new Ball(getMouseX(), getMouseY(), ballWidth)); } public void middleClick(MouseEvent e) { } public void rightClick(MouseEvent e) { } public void onKey(KeyEvent e) { } public void onKeyUp(KeyEvent e) { } public static void main(String[] args) { GameScene frame = new GameScene("球体下落", 480, 360); Deploy deploy = frame.getDeploy(); deploy.setScreen(new ProcessingBall()); deploy.setShowFPS(true); deploy.setFPS(100); deploy.mainLoop(); frame.showFrame(); } }

二、新生代的PulpCore

 

项目地址：http://www.interactivepulp.com/pulpcore/

 

事实上，PulpCore在国外的Java圈中也算颇有名气，甚至连某位JavaFX开发者都曾以它和自己的项目作过比较。如果有朋友泡过http://www.javagaming.org/，想必应该知道，如果你在该论坛中寻求Java游戏框架，那么3D方面的优先推荐必然是JME，2D方面的优先推荐绝对是Slick2D，至于网页游戏开发方面，则必属PulpCore无疑。

 

在以OpenGL为绝对主流的javagaming上，一款以标准Java2D开发的框架，居然会受到如此推崇，PulpCore的技术价值我们可想而知。

 

下图为PulpCore提供的应用示例：

PS：虽然PulpCore所提供的示例多为小游戏，但该作者曾反复强调，PulpCore是一个开源的2D渲染和动画处理框架。

 

与Processing一样，启动PulpCore的CoreApplet继承自Applet，所以PulpCore依旧属于Applet实现，也就是默认情况下只能运行于网页之上。但相对于标准Applet应用，PulpCore却做了更多的优化，尤其注重用户体验与动画效果。应该说，Pulpcore是目前为止笔者所见过的，在不损失图像色彩的情况下最高效的Java2D解决方案。

 

关于图像渲染部分，PulpCore中有对应于标准Java2D的Graphics类，名为CoreGraphics。其中对像素级操作进行了必要的封装，也基本参照标准Java2D API命名。（PS：具体留待下节讲解，目前请自行参考其源码）不过，或许是方便模块化管理的缘故，CoreGraphics默认情况下并不对外开放，而被统一封装在PulpCore所提供的各种精灵类里。

 

如果您想要获得CoreGraphics进行修改，要么请重载Sprite的draw(需要super.draw一下，否则会覆盖到基础操作) ，要么请在Scene2D中重载drawScene（需要super.drawScene一下，否则会覆盖到基础操作），PulpCore并没有直接提供给您。对于仅想进行简单图形绘制的用户而言，这不得不说是一个小小的不足。

 

另外，虽然PulpCore也有对应于Font的CoreFont类，但相比于Processing的字体绘制方案，它明显寒酸了很多。

 

实际上，PulpCore中的CoreFont只是一个分图管理器，由用户导入一张由英文字母及各种符号组成的图像，而CoreFont负责分配不同的图像对应不同的字母绘制。这意味着，如果您不自行扩充其CoreFont部分，那么PulpCore将绝对无法支持中文输入及显示。（PS：目前来说，最偷懒的方法就是将Processing中的PFont和text部分直接“移植”到CoreGraphics中使用。毕竟两者都是操作像素绘制图像，很好copy……）

 

针对PulpCore的CoreGraphics，笔者也提供了一个LGame的替代封装，以方便后文讲解分析其渲染方式之用。

示例源码：

 public class Test extends Screen { class Ball { private CoreImage image = CoreImage.loadImage("ball.png"); private int x, y, size; protected int vx, vy; public Ball(int x, int y, int vx, int vy) { this.size = image.getWidth(); this.x = x; this.y = y; this.vx = vx; this.vy = vy; } public void move() { x += vx; y += vy; if (x < 0 || x > getWidth() - size) { vx = -vx; } if (y < 0 || y > getHeight() - size) { vy = -vy; } } public void draw(CoreGraphics g) { g.drawImage(image, x, y); } } private static final int NUM_BALLS = 99; private Random rand; private Ball[] ball; public Test() { // 以当前毫秒生成随机数 rand = new Random(System.currentTimeMillis()); ball = new Ball[NUM_BALLS]; // 初始化球体参数 for (int i = 0; i < NUM_BALLS; i++) { int x = rand.nextInt(getWidth()); int y = rand.nextInt(getHeight()); int vx = rand.nextInt(10); int vy = rand.nextInt(10); ball[i] = new Ball(x, y, vx, vy); } } public void draw(CoreGraphics g) { for (int i = 0; i < NUM_BALLS; i++) { ball[i].move(); ball[i].draw(g); } } public void leftClick(MouseEvent e) { } public void middleClick(MouseEvent e) { } public void onKey(KeyEvent e) { } public void onKeyUp(KeyEvent e) { } public void rightClick(MouseEvent e) { } public static void main(String[] args) { GameScene frame = new GameScene("多球体渲染", 480, 360); Deploy deploy = frame.getDeploy(); deploy.setScreen(new Test()); deploy.setShowFPS(true); deploy.setFPS(100); deploy.mainLoop(); frame.showFrame(); } } 

 

另外笔者还要补充一点，那就是PulpCore虽然提供了较为完善的“脏绘”机制，却必须和Sprite一起使用才能看到效果（被封装到了Sprite的draw函数里，所以单就渲染速度而言，在PulpCore中使用精灵绘图反而比不用更快）。

 

从下文开始，笔者将以PulpCore为基础，逐步讲解Java像素级渲染框架的设计与实现。

以下为以PulpCore与Processing进行渲染的LGame实验工程：

 

http://loon-simple.googlecode.com/files/Pixels-LGame.7z

 

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心理学上有一个名词叫做The Halo Effect ，也就是俗称的晕轮效应或者说“刻板印象”。在这种心理现象影响下，很多人往往会将某种事物的“第一印象”当作终身的准则，而无视其实际究竟是怎样的。

 

其实对于Java桌面或网页应用而言，性能上的问题早就已经算不得什么问题。只要人们稍微留心一下，就会发现Java在游戏开发方面，至少在网页游戏方面完全可以比某些东西作的更好，更强，更复杂，更快捷，也更稳定。真正关键的，反倒是那些听信了流言蜚语的人们对于Java性能上的误解，以及食古不化的偏见，才是真正制约Java发展的拦路虎。

 

所谓积重难返，要想扭转这种顽固偏见，只凭小弟一人是绝对不足够的，还要靠各位Java同仁的努力。

 

都说“荒田无人耕，耕开有人争”，可都等着别人耕田，毕竟太慢，始终没有自己动手那么快捷。毕竟只有将Java做大做强，各位同仁才能有更多的出路，更好的待遇，以及更多的Money好赚……