NanoVG 優化筆記：效能提高5倍的祕密
NanoVG 優化筆記
nanovg正如其名稱所示的那樣，是一個非常小巧的向量繪圖函式庫。相比cairo和skia的數十萬行程式碼，nanovg不足5000行的C語言程式碼，稱為nano也是名副其實了。nanovg的設計、介面和程式碼質量都堪稱典範，唯一美中不足的就是效能不太理想。特別是在Android的低端機型和大螢幕的機型上，一個簡單的介面每秒只能畫十幾幀。最近我把AWTK移植到Android上時，就碰到了這個尷尬的問題。
經過優化之後，AWTK在低端機型上，整體渲染效能有了3到5倍的提升。這裡做個筆記，供有需要的朋友參考。
nanovg的效能瓶頸在於片段著色器（fragment shader），片段著色器可以認為是為GPU提供的一個回撥函式，該回調函式在處理每個畫素時被呼叫，在每一幀繪製時都會執行數百萬次，可見該函式的對效能的影響是很大的。
我們先看看nanovg的片段著色器（fragment shader）程式碼：
static const char* fillFragShader = "#ifdef GL_ES\n" "#if defined(GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH) || defined(NANOVG_GL3)\n" " precision highp float;\n" "#else\n" " precision mediump float;\n" "#endif\n" "#endif\n" "#ifdef NANOVG_GL3\n" "#ifdef USE_UNIFORMBUFFER\n" " layout(std140) uniform frag {\n" " mat3 scissorMat;\n" " mat3 paintMat;\n" " vec4 innerCol;\n" " vec4 outerCol;\n" " vec2 scissorExt;\n" " vec2 scissorScale;\n" " vec2 extent;\n" " float radius;\n" " float feather;\n" " float strokeMult;\n" " float strokeThr;\n" " int texType;\n" " int type;\n" " };\n" "#else\n" // NANOVG_GL3 && !USE_UNIFORMBUFFER " uniform vec4 frag[UNIFORMARRAY_SIZE];\n" "#endif\n" " uniform sampler2D tex;\n" " in vec2 ftcoord;\n" " in vec2 fpos;\n" " out vec4 outColor;\n" "#else\n" // !NANOVG_GL3 " uniform vec4 frag[UNIFORMARRAY_SIZE];\n" " uniform sampler2D tex;\n" " varying vec2 ftcoord;\n" " varying vec2 fpos;\n" "#endif\n" "#ifndef USE_UNIFORMBUFFER\n" " #define scissorMat mat3(frag[0].xyz, frag[1].xyz, frag[2].xyz)\n" " #define paintMat mat3(frag[3].xyz, frag[4].xyz, frag[5].xyz)\n" " #define innerCol frag[6]\n" " #define outerCol frag[7]\n" " #define scissorExt frag[8].xy\n" " #define scissorScale frag[8].zw\n" " #define extent frag[9].xy\n" " #define radius frag[9].z\n" " #define feather frag[9].w\n" " #define strokeMult frag[10].x\n" " #define strokeThr frag[10].y\n" " #define texType int(frag[10].z)\n" " #define type int(frag[10].w)\n" "#endif\n" "\n" "float sdroundrect(vec2 pt, vec2 ext, float rad) {\n" " vec2 ext2 = ext - vec2(rad,rad);\n" " vec2 d = abs(pt) - ext2;\n" " return min(max(d.x,d.y),0.0) + length(max(d,0.0)) - rad;\n" "}\n" "\n" "// Scissoring\n" "float scissorMask(vec2 p) {\n" " vec2 sc = (abs((scissorMat * vec3(p,1.0)).xy) - scissorExt);\n" " sc = vec2(0.5,0.5) - sc * scissorScale;\n" " return clamp(sc.x,0.0,1.0) * clamp(sc.y,0.0,1.0);\n" "}\n" "#ifdef EDGE_AA\n" "// Stroke - from [0..1] to clipped pyramid, where the slope is 1px.\n" "float strokeMask() {\n" " return min(1.0, (1.0-abs(ftcoord.x*2.0-1.0))*strokeMult) * min(1.0, ftcoord.y);\n" "}\n" "#endif\n" "\n" "void main(void) {\n" " vec4 result;\n" " float scissor = scissorMask(fpos);\n" "#ifdef EDGE_AA\n" " float strokeAlpha = strokeMask();\n" " if (strokeAlpha < strokeThr) discard;\n" "#else\n" " float strokeAlpha = 1.0;\n" "#endif\n" " if (type == 0) { // Gradient\n" " // Calculate gradient color using box gradient\n" " vec2 pt = (paintMat * vec3(fpos,1.0)).xy;\n" " float d = clamp((sdroundrect(pt, extent, radius) + feather*0.5) / feather, 0.0, 1.0);\n" " vec4 color = mix(innerCol,outerCol,d);\n" " // Combine alpha\n" " color *= strokeAlpha * scissor;\n" " result = color;\n" " } else if (type == 1) { // Image\n" " // Calculate color fron texture\n" " vec2 pt = (paintMat * vec3(fpos,1.0)).xy / extent;\n" "#ifdef NANOVG_GL3\n" " vec4 color = texture(tex, pt);\n" "#else\n" " vec4 color = texture2D(tex, pt);\n" "#endif\n" " if (texType == 1) color = vec4(color.xyz*color.w,color.w);" " if (texType == 2) color = vec4(color.x);" " // Apply color tint and alpha.\n" " color *= innerCol;\n" " // Combine alpha\n" " color *= strokeAlpha * scissor;\n" " result = color;\n" " } else if (type == 2) { // Stencil fill\n" " result = vec4(1,1,1,1);\n" " } else if (type == 3) { // Textured tris\n" "#ifdef NANOVG_GL3\n" " vec4 color = texture(tex, ftcoord);\n" "#else\n" " vec4 color = texture2D(tex, ftcoord);\n" "#endif\n" " if (texType == 1) color = vec4(color.xyz*color.w,color.w);" " if (texType == 2) color = vec4(color.x);" " color *= scissor;\n" " result = color * innerCol;\n" " }\n" "#ifdef NANOVG_GL3\n" " outColor = result;\n" "#else\n" " gl_FragColor = result;\n" "#endif\n" "}\n";
它的功能很完整也很複雜，裁剪和反走樣都做了處理。仔細分析之後，我發現了幾個效能問題：
一、顏色填充的問題
簡單顏色填充和漸變顏色填充使用了相同的程式碼：
" if (type == 0) { // Gradient\n" " // Calculate gradient color using box gradient\n" " vec2 pt = (paintMat * vec3(fpos,1.0)).xy;\n" " float d = clamp((sdroundrect(pt, extent, radius) + feather*0.5) / feather, 0.0, 1.0);\n" " vec4 color = mix(innerCol,outerCol,d);\n" " // Combine alpha\n" " color *= strokeAlpha * scissor;\n" " result = color;\n"
問題
簡單顏色填充只需一條指令，而漸變顏色填充則需要數十條指令。這兩種情況重用一段程式碼，會讓簡單顏色填充慢10倍以上。
方案
把顏色填充分成以下幾種情況，分別進行優化：
- 矩形簡單顏色填充。
對於無需裁剪的矩形(這是最常見的情況)，直接賦值即可，效能提高20倍以上。
" if (type == 5) { //fast fill color\n"
" result = innerCol;\n"
- 通用多邊形簡單顏色填充。
去掉漸變的取樣函式，效能會提高一倍以上：
" } else if(type == 7) { // fill color\n"
" strokeAlpha = strokeMask();\n"
" if (strokeAlpha < strokeThr) discard;\n"
" float scissor = scissorMask(fpos);\n"
" vec4 color = innerCol;\n"
" color *= strokeAlpha * scissor;\n"
" result = color;\n"
- 漸變顏色填充(只佔極小的部分)。
這種情況非常少見，還是使用之前的程式碼。
效果：
平均情況，填充效能提高10倍以上！
二、字型的問題
對於文字而言，需要顯示的畫素和不顯示的畫素，平均算下來在1:1左右。
" } else if (type == 3) { // Textured tris\n"
"#ifdef NANOVG_GL3\n"
" vec4 color = texture(tex, ftcoord);\n"
"#else\n"
" vec4 color = texture2D(tex, ftcoord);\n"
"#endif\n"
" if (texType == 1) color = vec4(color.xyz*color.w,color.w);"
" if (texType == 2) color = vec4(color.x);"
" color *= scissor;\n"
" result = color * innerCol;\n"
" }\n"
問題：
如果顯示的畫素和不顯示的畫素都走完整的流程，會浪費調一半的時間。
方案：
- 當color.x < 0.02時直接跳過。
- 裁剪和反走樣放到判斷語句之後。
" } else if (type == 3) { // Textured tris\n"
"#ifdef NANOVG_GL3\n"
" vec4 color = texture(tex, ftcoord);\n"
"#else\n"
" vec4 color = texture2D(tex, ftcoord);\n"
"#endif\n"
" if(color.x < 0.02) discard;\n"
" strokeAlpha = strokeMask();\n"
" if (strokeAlpha < strokeThr) discard;\n"
" float scissor = scissorMask(fpos);\n"
" color = vec4(color.x);"
" color *= scissor;\n"
" result = color * innerCol;\n"
" }\n"
效果：
字型渲染效能提高一倍！
三、反走樣的問題
反走樣的實現函式如下(其實我也不懂):
"float strokeMask() {\n"
" return min(1.0, (1.0-abs(ftcoord.x*2.0-1.0))*strokeMult) * min(1.0, ftcoord.y);\n"
"}\n"
問題：
與簡單的賦值操作相比，加上反走樣功能，效能會下降5-10倍。但是不加反走樣功能，繪製多邊形時邊緣效果比較差。不加不好看，加了又太慢，看起來是個兩難的選擇。
方案：
矩形填充是可以不用反走樣功能的。而90%以上的情況都是矩形填充。矩形填充單獨處理，一條指令搞定，效能提高20倍以上：
" if (type == 5) { //fast fill color\n"
" result = innerCol;\n"
效果：
配合裁剪和矩形的優化，效能提高10倍以上。
四、裁剪的問題
裁剪放到Shader中雖然合理，但是效能就要大大折扣了。
"// Scissoring\n"
"float scissorMask(vec2 p) {\n"
" vec2 sc = (abs((scissorMat * vec3(p,1.0)).xy) - scissorExt);\n"
" sc = vec2(0.5,0.5) - sc * scissorScale;\n"
" return clamp(sc.x,0.0,1.0) * clamp(sc.y,0.0,1.0);\n"
"}\n"
問題：
與簡單的賦值操作相比，加上裁剪功能，效能會下降10以上倍。但是不加裁剪功能，像滾動檢視這樣的控制元件就沒法實現，這看起來也是個兩難的選擇。
方案：
而90%以上的填充都是在裁剪區域的內部的，沒有必要每個畫素都去判斷，放在Shader之外進行判斷即可。
static int glnvg__pathInScissor(const NVGpath* path, NVGscissor* scissor) {
int32_t i = 0;
float cx = scissor->xform[4];
float cy = scissor->xform[5];
float hw = scissor->extent[0];
float hh = scissor->extent[1];
float l = cx - hw;
float t = cy - hh;
float r = l + 2 * hw - 1;
float b = t + 2 * hh - 1;
const NVGvertex* verts = path->fill;
for (i = 0; i < path->nfill; i++) {
const NVGvertex* iter = verts + i;
int x = iter->x;
int y = iter->y;
if (x < l || x > r || y < t || y > b) {
return 0;
}
}
return 1;
}
效果：
配合裁剪和矩形的優化，效能提高10倍以上。
五、綜合
綜合裁剪、反走樣和矩形，新增3個型別，進行特殊處理：
- 快速填充無需裁剪的矩形：NSVG_SHADER_FAST_FILLCOLOR
- 快速填充無需裁剪的圖片：NSVG_SHADER_FAST_FILLIMG
- 快速用簡單顏色填充多邊形：NSVG_SHADER_FILLCOLOR
裁剪、反走樣和矩形可以組合更多型別，進行更精細的優化。但即使只作這三種情況處理，AWTK在Android平臺的整體效能已經有了3-5倍的提高，demoui在我們測試的機型上，都穩穩的保持在60FPS，沒有必要為了效能增加它的複雜度了。
詳細情況和完整程式碼請參考
NanoVG 優化筆記
nanovg正如其名稱所示的那樣，是一個非常小巧的向量繪圖函式庫。相比cairo和skia的數十萬行程式碼
(1)優化前
如下一條SQL，把從1985-05-21入職前的員工薪資都增加500，執行約20.70 s，
從執行計劃中可以看出對錶salaries進行的是索引全掃描，掃描行數約260W行。
mysql> update salaries set sala
概述
最近公司的下單介面有些慢，老闆擔心無法支撐雙11，想讓我優化一把，但是前提是不允許大改，因為下單介面太複雜了，如果改動太大，怕有風險。另外開發成本和測試成本也非常大。對於這種有挑戰性的任務，我向來是非常喜歡的，因為在解決問題的過程中，可以學習到很多東西。
對於我們公司定製的電商系統，客戶反映最近下單介面有點慢心無法支撐雙12（好像是雙十一搞了場超大的垮了），現在想讓我優化一把，但是前提是不允許大改，因為下單介面太複雜了，如果改動太大，怕有風險。另外開發成本和測試成本也非常大。對於這種有挑戰性的任務，我向來是非常喜歡的，因為在解決問題的過程中，可以
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下面來個簡單的示例，標註（1、2、3、4、5）我們要重點關注的資料：
type列，連線型別。一個好的SQL語句至少要達到range級別。杜絕出現a
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