基于 Cocos 的高性能跨平台开发方案

2018 年 6 月 GMTC 全球移动技术大会在北京举办,大会旨在通过聚焦前沿技术与实践经验帮助参会者了解移动开发、前端领域最新的技术趋势与最佳实践。

我作为讲师嘉宾也参与了这次大会,分享了《基于 Cocos 的高性能跨平台开发方案》。

如下是整理后的演讲正文。

大概从去年九月份开始,我们选择使用Cocos来作为我们一款产品 ABCmouse 的跨平台应用开发方案,在这个过程中,我们做了一系列的优化,也踩了一些坑,本文将对这个过程做一个回顾和总结。

本文的内容主要分三块来讲。首先简单介绍一下项目背景,接下来具体介绍下我们的实践过程,分享一些经验。最后给出新的开发方案和以前的效果对比。

一、项目背景

首先介绍一下我们的产品,ABCmouse 是美国知名的儿童英语在线学习领导品牌,在美国有超过百万家庭在使用,也获得了7万多个教师的推荐。

这个应用采用的是典型的 Hybrid App 跨平台开发方案,里头基本全是 H5 的页面。

Hybrid App 最大的问题就是性能问题,用户经常会在页面加载上等待非常多时间。我们统计了 ABCmouse 各个场景的平均加载耗时,发现平均都要花费大约三到四秒的时间,漫长的等待时间也对用户的学习积极性带来影响。

从去年九月份开始,团队与 ABCmouse 的研发公司 Age of Learning 公司开展了战略合作,我们希望能够开发出一款针对中国儿童的英语学习应用——我们称之为 ABCmouse 腾讯版。我们希望它能提供更符合中国儿童使用习惯的学习路径,并在里头融入腾讯的社交元素,从而带动儿童外语学习的积极性。

从技术上,我们希望新版的 ABCmouse 能够在表现力、性能、效率和社交四大方面都能有更好的表现(这里的表现力指的是产品的界面和交互,能够做到更吸引中国的小朋友)。

通过初期技术预研后,我们决定使用 Cocos 来改造这个项目:

  1. 跨平台。Cocos 支持使用同一套代码构建生成 Web、iOS、Android 等几个端,最新的版本还支持发布到微信小游戏、Facebook Instant Games 和 QQ 玩一玩;
  2. 性能。Cocos 的原理是在 Activity 中绘制一个 OpenGL 的 SurfaceView ,并由其完成页面的渲染的。与基于 WebView 渲染的 Hybrid 应用相比,Cocos 的渲染速度更快,性能更好。
  3. 效率。借助可视化的 Cocos Creator 工具,界面的开发和资源的管理非常便捷,设计团队也可以参与进来设计界面和动效,提升开发效率。
  4. 表现力。ABCmouse 中包含了很多诸如游戏、画图、音乐等带游戏和娱乐性质的场景,而 Cocos 本身是为游戏开发设计的,更适合用在我们的产品中。

二、实践过程

在具体实践这一块,我准备分成架构篇、甜头篇、踩坑篇、优化篇四个部分来介绍。

架构篇

一图胜千言。我们整个系统架构可以用这张图来概括。

我们自底向上看,最底层是 native 层,Cocos2d-x 开发框架,在这一层提供了对 JavaScriptCore、SpiderMonkey、V8、ChakraCore 等多种可选的 JS 执行引擎的封装。在这基础上又架设了一层 JSB ,主要起到桥接作用。我们的应用也在底层封装了多种基础能力,包括支持直出的webview、自定义的视频播放器、音频播放器、支付、推送等。

再往上是 JS 层,在这一层 Cocos 提供了丰富的开发组件和 API,我们也扩展了多种组件,包括一些通用的UI组件、一个多端通用的音频播放器、一个带缓存和内存回收功能的图片加载器、常驻节点、上报、日志等组件。有些组件是依赖 native 层的。

Cocos 层和 Native 层就通过 callStaticMethod 和 evalString 来完成互相调用。

有了这些基础后,再往上则可以开展具体的场景开发了。

为了帮助大家更好地理解 Cocos 的跨平台原理,我们可以拿 Cocos 的渲染原理和 React Native 做一个对比。

Cocos 的渲染原理是在 UI 线程将场景文件理解成场景树,然后交给 GL 线程渲染。也就是说,用户看到的大部分场景都是使用 OpenGL 或者 WebGL 绘制的,即使在不同的平台,也能够有完全相同的表现。

而 React Native 的渲染原理是将 JS/JSX 理解成 Virtual DOM,然后调用各自平台的 Widget 。由于不同的平台,底层的 Widget 表现是不同的,因此使用上可能会存在差异。这也是 React Native 为人诟病的一点。

甜头篇

采用 Cocos 作为我们的跨平台开发框架后,我们尝到了不少甜头。

首先是跨平台带来的便利。我们使用一套代码可以生成到安卓、iOS、Web、微信小游戏等多种平台,并且在多个端达到了高度一致的体验。在 React Native 上经常遇到的 UI 体验不一致的问题,在 Cocos 开发中基本没有遇到过。

由于Cocos支持构建小游戏版本的应用,所以我们的项目也提供了小游戏版本。上周末已经有很多爸爸在微信小游戏里收到了他们的孩子使用 ABCmouse 制作的贺卡。值得一提的是,小游戏版本是我们两个开发在花了一周左右的时间内移植完成的。这里头主要的移植工作在于接入微信小游戏的登录授权,接入 VideoPlayer 和 InnerAudioContext 以分别支持视频播放和音频播放。

第二个甜头是开发效率的提升。

首先,Cocos 提供了可视化的 Cocos Creator ,使用它来管理和构建工程非常轻松。

其次,设计萌妹子也能直接使用 Cocos Creator 编辑动效,输出动效资源给开发,提高协作效率。

另外,Cocos Creator 支持直接在浏览器中预览调试场景,节省了大把构建编译的耗时。

第三个甜头是热更新带来的便利。

Cocos 同时支持脚本和资源的热更新,这给我们修复线上问题、发布运营活动带来了很大便利。此外,Cocos 的热更新可以做到 hot reload,无需冷重启,很好的保证了用户的体验。并且,Cocos 的热更新支持高度可定制,可以很方便的定制满足业务需要的热更新流程。

第四个甜头是 Cocos 提供的强大的社区支持。

Cocos 的开发团队来自中国,有着非常活跃的中文社区。

另外,使用 Cocos 开发小游戏也成了最主要的方式,可见 Cocos 的受欢迎程度,也侧面证明了这套开发框架的生命力。

踩坑篇

跨平台开发虽然方便,但是在一些具体的实践中难免也会踩到坑。

首先,Cocos 主要是面向游戏开发的,要使用它来开发应用,少不了需要开发一些 UI 组件。因此,我们在 Cocos 层开发了一系列的通用 UI 组件,包括对话框、选择器、表单、按钮、toast、loading 等组件,这些组件遵循一套规范化的接口标准,使用起来非常便捷灵活。

开发完 UI 组件后,我们发现这些组件的加载也存在问题。和原生应用开发不同,这些UI组件本质上都是挂载在场景里头的节点,如果没有调度的话,可能存在同时弹出多种弹窗和对话框的情况,整个场景就会变得很混乱。

为了解决这种问题,我们写了一个针对 Cocos 的弹窗调度器,统一由它来调度弹窗,避免了弹窗的混乱。

我们接下来遇到的另一个坑是 VideoPlayer 的置顶问题。

前面提到,Cocos 的场景是在 GL 上绘制的。例如,对于 Android 平台,Cocos 开启了一个 OpenGL 的 SurfaceView 来进行场景绘制。而这个 GLSurfaceView 不能直接支持渲染视频,所以,Cocos 提供了一个 VideoPlayer 组件用于播放视频。这个 VideoPlayer 是独立且置顶的一层。

这带来的一个问题是:无法在视频上绘制 UI 。

比如我们希望视频播放器里头能加上我们自定义的按钮、进度条,如果是直接在 Cocos 层对 VideoPlayer 进行封装的话,会发现这些 UI 元素会被视频本身遮盖,达不到定制界面的目的。

最终我们放弃了直接使用 Cocos 提供的 VideoPlayer 组件,而是在底层为各个端开发视频播放器,并各自实现界面的定制。

视频播放问题解决了,我们又遇到了音频播放的问题。

由于应用中有非常多的音乐、音效、语音,为了减小包大小,大部分的语音素材放在 CDN 上,需要的时候才从 CDN 上拉取播放。少部分常见的音效会直接打进应用包中。而 Cocos 自带的 AudioEngine 组件在 Native 端只支持本地资源的播放。

因此,我们又封装了一个跨平台的音频播放器,可以自动根据指定的音频路径决定使用播放方式:

  • 对于 Web 端或者 Native 端的本地资源文件,直接使用 AudioEngine 来播放。
  • 对于 Native 端的远程音频,使用 Native 的播放器来播放。
  • 对于小游戏环境,则使用小游戏的 InnerAudioContext 来播放。

由于对外的接口只有一套,开发者无需考虑具体的平台和底层播放器的选择。并且可以使用同样的接口来统一管理不同的音频。

最后我们遇到的一个比较严重的问题是 local reference table overflow error 问题。

为了复用 Native 端的能力,我们在 Cocos 层大量地使用反射机制来调用 Native 端提供的方法。然而,我们经常会遇到 local reference table overflow error 错误导致的界面卡死问题。

最初,我们怀疑是反射调用使用得太频繁导致。因此,我们对诸如打 log、事件上报等 Native 方法进行了频率限制,例如使用缓冲的方法将多个 log 合并后再打印。然而,虽然这个做法减少了界面卡死的发生,但依然没有彻底杜绝问题的再次出现,就像是一个定时炸弹一样,威胁着我们应用的稳定性。

通过阅读引擎的代码,我们发现 Cocos 的引擎在反射阶段处理字符串参数时,使用了 NewStringUTF() 方法将其转换为 JNI 层的字符串,然而在调用执行完成后并没有相应地使用 DeleteLocalRef() 释放该字符串的引用,从而导致了引用表的溢出。

了解到这个原因后,我们给 Cocos 的引擎提交了一个 pull request,修复了这个问题。

优化篇

虽然 Cocos 比起纯 Hybrid 的方案在性能上已经占据了优势,但是比起 native 还是有一些差距的。下面就说说我们在开发过程中尝试过的一些优化,让我们的应用做到接近原生的体验。

1.高性能的 ScrollView

官方 ScrollView 组件需要配合 layout 组件,当一次加载大量的子节点组件,或者分帧加载单个子节点组件时,初始化 ScrollView 节点视图会比较慢,在加载完成前存在拖动掉帧的问题。另外,一次性加载所有节点,也会导致内存资源的浪费。

下图这个场景是 ABCmouse 里的二级资源页,由于一次性加载了太多子节点,当屏幕滚动时,帧率降到了 8 fps 左右,给人的感受是非常卡顿。

我们对 ScrollView 进行了重写,基本的优化思路是:一次仅加载页面可容纳的少量数目子节点。并在滚动过程中,回收不可视的子节点组件并重用。

具体来说,ScrollView 大多数情况下表现为列表组件和宫格组件,以列表组件为例,可以根据子节点数目和子节点大小,计算出整个 ScrollView 内容的宽高,同时计算出屏幕可视区域最多可以容纳的子节点行数 rows,加载时仅加载 rows + 2 个子节点组件,其中添加的 2 个字节点组件作为滚动回收缓冲。

下图是对上述思路的图例。当手势向上,内容往下滚动时,一旦最上排的子节点组件不可视,就立马将它们回收掉并将其重用于将要渲染的子节点组件中。

这么做的优点在于:一次仅加载页面可容纳的少量数目子节点,并且逐帧加载,能极大提升展示和滚动性能,另外大大减少了内存占用。

经过优化后,不管二级资源页场景里有多少元素需要展示,整体的帧率都维持在 60 fps 左右,非常流畅。

2.内存优化

内存占用过高也是 Cocos 开发过程中很容易遇到的问题。如果没有优化好内存占用,很可能就会引发黑屏或者 OOM。

要优化内存占用,有几个思路:

第一个思路是把内存消耗大以及没有回收的元凶先找出来对症下药。

于是,我们仿照 Cocos 的监视器也写了一个内存监视器,利用它来找出疑似存在内存泄漏的场景。

对于每一个场景,我们也对每个节点的内存占用做了一个排名,找出靠前的,分析是否合理,并进行针对性的优化。比如把原图缩小,把无需透明像素的png图转换成JPG图,等等。

第二个思路是为图片渲染开启纹理压缩,从而大幅度降低图片渲染的内存占用。Cocos 提供了 ETC1、PVR 等几种纹理压缩方案,其中,PVR 兼容性最好,内存消耗也最低,但是质量较差;ETC1 不支持 iOS 的低端机型,质量也较差。我们又对 Cocos2d-x 进行扩展,增加了 ETC2 纹理压缩,这种方案的优势比起 ETC1 而言,压缩质量更好。

下图可以看到 ETC2 和 PVR 压缩质量和内存占用的直观对比。对比原图,我们可以看出 ETC2 的压缩结果与原图相差不大,但内存减少了 75% 。而 PVR 的压缩结果相比 ETC2 言在细节方面少了很多,内存则减少了 87.5% 。

针对兼容性问题,我们设计了一种混合纹理压缩方案:对于高质量要求的纹理,如果该机型能支持ETC2,就使用ETC2纹理压缩;如果不支持,就将该纹理进行大小减半压缩;对于低质量要求的纹理,使用兼容性好的PVR纹理压缩。单图渲染的内存消耗可以降低接近 75%~87.5%。

纹理压缩是一项耗时的任务,所以我们把这项任务放在项目构建完后进行,而不是在客户端运行的时候才动态压缩。

我们编写了一个扩展工具,在构建完成后自动进行纹理压缩任务。后面我们发现这个工具压缩完一遍纹理要花费大概3分钟的时间,我们又改进成了增量压缩的方式,一次压缩任务缩短到10秒左右。

drawcall 优化

每一帧的渲染耗时直接影响到整个应用的性能,而和渲染耗时相关的操作是 drawcall 。

什么是 drawcall 呢?我们可以看这张图来了解一下。在一帧的渲染过程中,场景会先被解析成场景树。场景树的每一个节点依次加入渲染队列中等待交付 GPU 渲染。GPU 接收渲染指令并执行的操作就叫做一次 drawcall。在一帧里头,drawcall 越少,性能当然就越好。

Cocos 针对 drawcall 优化已经提供了一种自动合并技术:比如,上图中的渲染指令 1、2 来自贴图 A,3、4 来自贴图 B ,5、6、7 来自贴图 C,这些指令会被分别合并优化,最终只产生 3 次 drawcall。我们要做的就是利用好这个自动合并技术。

首先可以找出浪费 drawcall 的节点对症下药。一般可以通过把节点的 active 属性设为 false 看看 drawcall 有没有大量减少来判断。

接下来我们可以利用好 Cocos 的合并技术。

  • 对于静态的 Sprite ,可以使用合并图集来减少 drawcall 。例如使用 Cocos Creator 自带的 AutoAtlas 或者第三方工具 TexturePacker 。
  • 文本的动态绘制也是 drawcall 浪费的重灾区。对于 Label,可以使用 BMFont 位图字体来取代普通文本,减少 drawcall 。

目前这套优化方案还不能满足动态资源和动画的优化,我们也期待 Cocos 能够把 batching 技术做得更完善。

另外,还有另外一个需要注意的地方:小心避免跨层切换合图。Cocos 是按照节点层级顺序依次提交渲染指令的,如果不注重层级顺序,可能会导致贴图的切换从而浪费不必要的 drawcall 。

例如,下图中的渲染指令 4 使用的是贴图 C,直接卡在了渲染指令 3 和 5 之间,导致贴图 B 的渲染指令没法合并,从而浪费了多余的 drawcall。通过调整节点层级可以避免这个问题。

Hybrid 页面优化

我们的应用里头目前依然存在一些原来的版本遗留下来的 H5 页面构成的场景,对于这些 H5 页面,我们也使用了一些比较常规的 Hybrid 优化技术,来达到首屏直出的要求。

因为已经有很多现有的优化方案了,所以这一块我并不打算细讲。简单为大家罗列几个技术点吧:

  • 一个是使用离线缓存,对一些常用的 H5 场景,也可以离线打包进应用里头,优化首次启动速度。
  • 一个是并行加载在 WebView 启动的同时并行地去拉资源,这样可以避免等待 WebView 初始化耗时对页面加载的影响。另外,还可以对一些 H5 页面进行预加载,减少等待。
  • 一个是可以对页面进行少量标注,只增量更新需要动态变的部分。

通过这一系列的优化,我们的应用里头的 H5 页面的加载耗时也能够控制在 1 秒以内。

三、整体效果对比

最后我们来看一下整体的改造效果:

项目整体的 Cocos 化率目前占到了 56%,剩下的还有 40% 的 H5 的页面(主要是一些小游戏),还有像视频这种 native 场景。

对比原来的场景启动耗时,经过一系列改造和优化后的场景都能控制在 1 秒内启动。

直接看数据不够直观,我们可以看一下原来加载耗时最长的一个场景,经过改造后做到了秒开。

而腾讯版本的包大小也比原来的版本小了 64% 。

本文分享自微信公众号 - HaHack(gh_12d2fe363c80)

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原始发表时间:2018-07-07

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