Sachverhalt:
A.
Das Bezirksgericht Zürich verurteilte X._ am 8. Juli 2014 wegen mehrfachen Exhibitionismus im Sinne von <ref-law> zu 240 Stunden gemeinnütziger Arbeit (unbedingt, anstelle einer Geldstrafe von 60 Tagessätzen zu Fr. 20.-). Gleichzeitig widerrief es einen vom Kantonsgericht St. Gallen am 15. Dezember 2008 bedingt gewährten Vollzug einer Geldstrafe.
B.
Auf Berufung von X._ hin bestätigte das Obergericht des Kantons Zürich am 31. Mai 2016 das erstinstanzliche Urteil. Das Obergericht geht im Wesentlichen von folgendem Sachverhalt aus:
Am 18. Juli 2013 spazierte X._, gekleidet in weisse, kurze und hautenge Leggings, im Terrassenbereich des Cafés M._ in Zürich umher. Zuvor hatte er durch Injektion eines Medikaments in die Schwellkörper sein Geschlechtsorgan zur anhaltenden Erektion gebracht. Mit der Hand über dem beinahe durchsichtigen Kleidungsstück brachte er das deutlich abstehende Glied dergestalt in Position, dass die mit ihrer Schwester an einem der Gästetische sitzende A._ unweigerlich davon Kenntnis nehmen musste (erster Vorfall).
Am 25. Juli 2013 hielt sich X._ wenige Meter neben dem stark frequentierten, zur Badeanstalt "Oberer Letten" in Zürich führenden Fussweg auf. Dort berührte er gegenüber B._ und C._ sein erigiertes Glied zunächst über der Badehose mit der Hand, bevor er es entblösste, um vor den Augen der genannten Passantinnen zu onanieren (zweiter Vorfall).
C.
Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, das angefochtene Urteil sei aufzuheben und er sei vollumfänglich freizusprechen; vom Widerruf der bedingten Geldstrafe sei abzusehen. Eventuell sei die Sache zu neuer Entscheidung an das Obergericht zurückzuweisen. Überdies ersucht X._ um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege.

Erwägungen:
1.
1.1. Gemäss <ref-law> wird auf Antrag mit Geldstrafe bis zu 180 Tagessätzen bestraft, wer eine exhibitionistische Handlung vornimmt. Darunter ist das bewusste Zurschaustellen der Sexualorgane aus sexuellen Beweggründen zu verstehen, bzw. das Entblössen des männlichen Glieds vor einem ahnungslosen Opfer zum Zweck der Erregung oder Befriedigung der Geschlechtslust. Das entblösste Sexualorgan muss vom Opfer tatsächlich wahrgenommen werden (Urteil 6S.474/2002 vom 10. April 2003 E. 4, nicht publ. in: <ref-ruling>; Urteile 6B_527/2009 vom 3. September 2009 E. 3.1 und 6P.237/2006 vom 27. März 2007 E. 3.2).
In subjektiver Hinsicht ist direkter Vorsatz erforderlich. Der Exhibitionist muss ausdrücklich wollen, dass das Opfer ihn und seine Handlung sieht. Eventualvorsatz reicht nicht aus (Urteil 6B_527/2009 vom 3. September 2009 E. 3.1; Kaspar Meng, in: Basler Kommentar, Strafrecht, 3. Aufl. 2013, N. 24 zu <ref-law>; Michel Dupuis und andere, Code pénal, 2012, N. 13 zu <ref-law>).
1.2. Die eingangs angeführten vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellungen zum ersten Vorfall sind für das Bundesgericht verbindlich (Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Sie werden in der Beschwerde denn auch ausdrücklich als nicht willkürlich bezeichnet. Hingegen macht der Beschwerdeführer in zweifacher Hinsicht Verletzung von Bundesrecht geltend. Zum einen werde der objektive Straftatbestand von <ref-law> nur bei effektiver und vollständiger Entblössung des Geschlechtsorgans erfüllt. Zum andern scheitere die Verwirklichung des subjektiven Tatbestands daran, dass der Täter eine ganz bestimmte Zielperson oder ganz bestimmte Zielpersonen im Auge haben müsse. Dies sei beim Vorfall im Café M._ nicht der Fall gewesen.
1.3. Von <ref-law> geschütztes Rechtsgut bildet die sexuelle Selbstbestimmung und als deren Teilaspekt die Freiheit der Person, nicht gegen ihren Willen mit sexuellen Handlungen anderer konfrontiert zu werden (Botschaft vom 26. Juni 1985 über die Änderung des Schweizerischen Strafgesetzbuches und des Militärstrafgesetzes, BBl 1985 II 1080; Trechsel/Bertossa, in: Schweizerisches Strafgesetzbuch, Praxiskommentar, 2. Aufl. 2013, N. 1 zu <ref-law>). Das einzelne Opfer soll auch vor unerwünschten visuellen Einwirkungen geschützt werden (Meng, a.a.O., N. 3 zu <ref-law>). Nach der dargelegten Rechtsprechung (E. 1.1 hievor) stellt das Entblössen des männlichen Glieds vor einem nichtsahnenden Opfer den Regelfall exhibitionistischer Handlungen dar. Auch die Lehre führt als tatbestandsmässiges Verhalten durchwegs das sexuell motivierte Vorzeigen des entblössten Geschlechts an (vgl. statt vieler Andreas Donatsch, Strafrecht III, Delikte gegen den Einzelnen, 10. Aufl. 2013, S. 530). Der objektive Tatbestand kann indes in Ausnahmefällen auch ohne gänzliche Entblössung der Geschlechtsorgane, d.h. auch ohne völlige Nacktheit im Genitalbereich, erfüllt werden (kritisch dazu Meng, a.a.O., N. 10 zu <ref-law>). Wie die Vorinstanz nämlich zutreffend feststellt, liegt das Schwergewicht des inkriminierten Verhaltens auf der bewussten Zurschaustellung der Sexualorgane (BBl a.a.O.). Das Vorzeigen von Geschlechtsteilen kann je nach den Begleitumständen trotz (dünner und enger) Bekleidung eine Anschaulichkeit und Nachdrücklichkeit erreichen, welche der Präsentation nackter Genitalien durchaus gleichkommt. Wer wie der Beschwerdeführer sein medikamentös zur andauernden Erektion gebrachtes, unter beinahe durchsichtigem Beinkleid deutlich abstehendes Glied auf der Terrasse eines Cafés darbietet und mit der Hand so ausrichtet, dass es von Gästen unweigerlich wahrgenommen werden muss (und in der Folge auch wahrgenommen wird), erfüllt den objektiven Straftatbestand von <ref-law>.
Dem vom Gesetzgeber beabsichtigten Schutz vor unvermittelter Konfrontation mit fremden sexuellen Handlungen würde nicht hinreichend Genüge getan, wenn das geschilderte Verhalten nur wegen einer hauchdünnen textilen Kaschierung straflos bliebe. Die Eindrücklichkeit der sexuell bestimmten visuellen Einwirkung auf das Opfer dürfte jedenfalls in derartigen Fällen nicht geringer sein als bei Zurschaustellung eines vollständig nackten, nicht erigierten männlichen Glieds. Entgegen dem Einwand in der Beschwerde führen die Erwägungen des Bundesgerichts im sog. Nacktwanderer-Urteil zu keiner andern Betrachtungsweise. In <ref-ruling> E. 3.1 S. 15 wurde festgestellt, dass Nacktwandern den Tatbestand des Exhibitionismus nicht erfüllt, und zur Begründung ausgeführt "... der Beschwerdeführer wanderte, wovon mit der Vorinstanz auszugehen ist, nicht aus sexuellen Beweggründen mit entblösstem Geschlechtsteil, was aber eine Voraussetzung für die Anwendung von <ref-law> wäre...". Daraus lässt sich einzig ableiten, dass die Strafnorm ein Handeln aus sexueller Motivation heraus verlangt. Zur hievor verneinten Frage, ob exhibitionistisches Handeln in jedem Falle Nacktheit voraussetzt, äusserte sich das Bundesgericht damals nicht.
1.4. Was den subjektiven Tatbestand anbelangt, bestreitet der Beschwerdeführer letztinstanzlich seine sexuellen Beweggründe nicht mehr. Ebenso wenig stellt er in Abrede, dass beim Vorfall im Café M._ sein eigentliches Handlungsziel darin lag, mit seinem erigierten, unter den weissen Leggings deutlich abstehenden Geschlechtsteil von Frauen gesehen zu werden. Hingegen macht er unter Hinweis auf Bernhard Isenring (Der strafrechtlich relevante Exhibitionismus - eine kritische Auseinandersetzung mit <ref-law>, AJP 2015 S. 329 ff., 332 f.) geltend, der Täter müsse wissen und wollen, dass er vor einer von ihm ausgesuchten, mithin ganz bestimmten Zielperson (oder ganz bestimmten Zielpersonen) eine exhibitionistische Handlung vornehme. Die bloss zufällige Wahrnehmung fremder Genitalien durch eine beliebige dritte Person begründe keine Strafbarkeit (Verweis auf Meng, a.a.O., N. 13 zu <ref-law>). A._ sei nicht Zielperson gewesen, habe er sie doch gemäss ihren eigenen Angaben nicht einmal direkt angeschaut.
Wer im geschilderten Aufzug die Terrasse eines Cafés betritt und vor den Gästetischen in der Absicht herumspaziert, bei seinem exhibitionistischen Auftreten ganz allgemein von Frauen gesehen zu werden, erfüllt bereits den subjektiven Tatbestand von <ref-law>. Einer Nachforschung darüber, welche der weiblichen Gäste der Täter - wenn überhaupt - besonders anvisiert hat, bedarf es entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers nicht. Jedenfalls ist die als Gast auf der Caféterrasse sitzende A._ nicht als beliebige Drittperson zu betrachten, die das in den hautengen Leggings wirkungsvoll zur Schau gestellte Geschlechtsorgan bloss zufällig wahrnahm.
1.5. Im Zusammenhang mit dem zweiten Vorfall beim "Oberen Letten" rügt der Beschwerdeführer einzig, die Vorinstanz verletze Bundesrecht, indem sie den subjektiven Tatbestand bejahe, obwohl er auch dort keinesfalls die Passantinnen B._ und C._ als eigentliche Zielpersonen ausgesucht habe. Er habe keinen visuellen Kontakt bzw. keine optische Beziehung mit ihnen herstellen wollen, sondern habe vielmehr einfach nur herumgeschaut und die Genannten lediglich im Blickwinkel gehabt, sich letztlich aber auf ein Pärchen am Flussufer konzentriert.
Nach den für das Bundesgericht verbindlichen Feststellungen durch die Vorinstanz (Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG) hat indes der Beschwerdeführer beide Geschädigte angeschaut, als er seine Badehose abstreifte und mit (gänzlich) entblösstem Geschlechtsteil vor ihren Augen onanierte. Es kann daher keinem vernünftigen Zweifel unterliegen, dass der Beschwerdeführer B._ und C._ explizit zu Zuschauerinnen und damit zu Opfern seiner exhibitionistischen Handlung machen wollte. Wie das Obergericht zutreffend festhält, spielt es dabei keine Rolle, ob er ursprünglich die Absicht hegte, sich vor einem Paar zu produzieren, welches sich angeblich am Flussufer seinerseits sexuell verlustierte.
2.
Da es beim angefochtenen Schuldspruch bleibt, ist das Rechtsbegehren betreffend den Widerruf der bedingten Geldstrafe gegenstandslos, stützt es sich doch ausschliesslich auf den beantragten Freispruch.
3.
Die Beschwerde ist abzuweisen. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist gutzuheissen. Es sind daher keine Gerichtskosten aufzuerlegen. Der Rechtsvertreter des Beschwerdeführers hat Anspruch auf Entschädigung aus der Bundesgerichtskasse (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1.
Die Beschwerde wird abgewiesen.
2.
Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird gutgeheissen.
3.
Es werden keine Gerichtskosten erhoben.
4.
Der Rechtsvertreter des Beschwerdeführers, Rechtsanwalt Dr. Bernhard Isenring, wird aus der Bundesgerichtskasse mit Fr. 3000.- entschädigt.
5.
Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 19. April 2017
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Denys
Der Gerichtsschreiber: Attinger