iOS离屏渲染之优化分析

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在进行iOS的应用开发过程中,有时候会出现卡顿的问题,虽然iOS设备的性能越来越高,但是卡顿的问题还是有可能会出现,而离屏渲染是造成卡顿的原因之一。因此,本文主要分析一下离屏渲染产生的原因及避免的方法,最后介绍一下Xcode自带的分析离屏渲染的工具Instruments的使用。

UIView和CALayer关系

UIView继承自UIResponder,可以处理系统传递过来的事件,如:UIApplicationUIViewControllerUIView,以及所有从UIView派生出来的UIKit类。每个UIView内部都有一个CALayer提供内容的绘制和显示,并且作为内部RootLayer的代理视图。

CALayer继承自NSObject类,负责显示UIView提供的内容contentsCALayer有三个视觉元素:背景色、内容和边框,其中,内容的本质是一个CGImage

下图为CALayer的结构图:

iOS离屏渲染之优化分析

界面渲染过程

RunLoop有一个60fps的回调,即每16.7ms绘制一次屏幕,所以view的绘制必须在这个时间内完成,view内容的绘制是CPU的工作,然后把绘制的内容交给GPU渲染,包括多个View的拼接(Compositing)、纹理的渲染(Texture)等等,最后显示在屏幕上。但是,如果无法是16.7ms内完成绘制,就会出现丢帧的问题,一般情况下,如果帧率保证在30fps以上,界面卡顿效果不明显,那么就需要在33.4ms内完成View的绘制,而低于这个帧率,就会产生卡顿的效果,影响体验。

渲染的过程如下:

  • UIViewlayer层有一个content,指向一块缓存,即backing store
  • UIView绘制时,会调用drawRect方法,通过context将数据写入backing store
  • backing store写完后,通过render server交给GPU去渲染,将backing store中的bitmap数据显示在屏幕上

iOS离屏渲染之优化分析

离屏渲染

在使用圆角、阴影和遮罩等视图功能的时候,图层属性的混合体被指定为在未预合成之前不能直接在屏幕中绘制,所有就需要在屏幕外的上下文中渲染,即离屏渲染。

离屏渲染卡顿原因

离屏渲染之所以会特别消耗性能,是因为要创建一个屏幕外的缓冲区,然后从当屏缓冲区切换到屏幕外的缓冲区,然后再完成渲染;其中,创建缓冲区和切换上下文最消耗性能,而绘制其实不是性能损耗的主要原因。

设置了以下属性时,就会触发离屏绘制:

  • shouldRasterize(光栅化)
  • masks(遮罩)
  • shadows(阴影)
  • edge antialiasing(抗锯齿)
  • group opacity(不透明)
  • 复杂形状设置圆角等
  • 渐变

屏幕渲染类型

CPU计算好显示内容提交到GPUGPU渲染完成后将渲染结果放入帧缓冲区,随后视频控制器会按照 VSync信号逐行读取帧缓冲区的数据,经过可能的数模转换传递给显示器显示。

屏幕渲染有如下三种:

GPU中的屏幕渲染:

1、On-Screen Rendering

意为当前屏幕渲染,指的是GPU的渲染操作是在当前用于显示的屏幕缓冲区中进行

2、Off-Screen Rendering

意为离屏渲染,指的是GPU在当前屏幕缓冲区以外新开辟一个缓冲区进行渲染操作

3、CPU中的离屏渲染(特殊离屏渲染,即不在GPU中的渲染)

如果我们重写了drawRect方法,并且使用任何Core Graphics的技术进行了绘制操作,就涉及到了CPU渲染

CoreGraphic通常是线程安全的,所以可以进行异步绘制,显示的时候再放回主线程

切圆角优化

切圆角是开发app过程中经常会用到的功能,但是使用不同的方式,性能损耗也会不同,下面会介绍3种切圆角的方法;其中,方法三的性能相对最好。

方法一

使用cornerRadius进行切圆角,在iOS9之前会产生离屏渲染,比较消耗性能,而之后系统做了优化,则不会产生离屏渲染,但是操作最简单

iv.layer.cornerRadius = 30;
iv.layer.masksToBounds = YES;

方法二

利用mask设置圆角,利用的是UIBezierPathCAShapeLayer来完成

CAShapeLayer *mask1 = [[CAShapeLayer alloc] init];
mask1.opacity = 0.5;
mask1.path = [UIBezierPath bezierPathWithOvalInRect:iv.bounds].CGPath;
iv.layer.mask = mask1;

方法三

利用CoreGraphics画一个圆形上下文,然后把图片绘制上去,得到一个圆形的图片,达到切圆角的目的。

- (UIImage *)drawCircleImage:(UIImage*)image
{
    CGFloat side = MIN(image.size.width, image.size.height);
    
    UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(CGSizeMake(side, side), false, [UIScreen mainScreen].scale);
    CGContextAddPath(UIGraphicsGetCurrentContext(), [UIBezierPath bezierPathWithOvalInRect:CGRectMake(0, 0, side, side)].CGPath);
    CGContextClip(UIGraphicsGetCurrentContext());
    
    CGFloat marginX = -(image.size.width - side) * 0.5;
    CGFloat marginY = -(image.size.height - side) * 0.5;
    [image drawInRect:CGRectMake(marginX, marginY, image.size.width, image.size.height)];
    
    CGContextDrawPath(UIGraphicsGetCurrentContext(), kCGPathFillStroke);
    
    UIImage *newImage = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
    UIGraphicsEndImageContext();
    
    return newImage;
}

Instruments使用

iOS的性能调试有许多方法,而官方提供的Instruments是一个强大的性能调试工具,可以分析如下功能:内存、核心动画、自动化、布局、网络等等,本文主要介绍一下利用Core Animation来分析应用的性能问题。

iOS离屏渲染之优化分析

下面介绍一下Core Animation中的Debug属性的部分功能,这些功能在分析离屏渲染等性能问题时十分有用:

Color Blended Layers

这个选项基于渲染程度对屏幕中的混合区域进行绿到红的高亮(也就是多个半透明图层的叠加)。由于重绘的原因,混合对GPU性能会有影响,同时也是滑动或者动画帧率下降的罪魁祸首之一

Color Hits Green and Misses Red

当设置shouldRasterizep属性为YES的时候,耗时的图层绘制会被缓存,然后当做一个简单的扁平图片呈现。当缓存再生的时候这个选项就用红色对栅格化图层进行了高亮。如果缓存频繁再生的话,就意味着栅格化可能会有负面的性能影响了

Color Offscreen-Rendered Yellow

开启后会把那些需要离屏渲染的图层高亮成黄色,这就意味着黄色图层可能存在性能问题

当然Debug还有其它的选项,来分析不同的性能问题,如有需求,请参考其它资料。


iOS离屏渲染的性能分析到此结束,文中如有不足之处,欢迎指出,共同进步

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未经允许不得转载:作者:SheaYang, 转载或复制请以 超链接形式 并注明出处 技术Dog|博客
原文地址:《iOS离屏渲染之优化分析》 发布于2019-09-27

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