iOS离屏渲染之优化分析

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:

图1

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

图2

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

[/crayon]

方法二

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

[/crayon]

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。

[/crayon]

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。

图3

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。(文中部分图片来自互联网,版权归原作者所有)

参考资料

iOS 离屏渲染的研究

iOS离屏渲染优化(附DEMO)

iOS图片设置圆角性能优化

iOS — UIView与CALayer的联系与区别

iOS开发之图形渲染分析、离屏渲染、当前屏幕渲染、On-Screen Rendering、Off-Screen Rendering

iOS-Core-Animation之十二—-性能调优

The Relationship Between Layers and Views

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