iOS 离屏渲染的研究

Posted 2020-08-14

GPU渲染机制：

CPU 计算好显示内容提交到 GPU，GPU 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。

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GPU屏幕渲染有以下两种方式：

• 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。

• 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。

  特殊的离屏渲染：
  如果将不在GPU的当前屏幕缓冲区中进行的渲染都称为离屏渲染，那么就还有另一种特殊的“离屏渲染”方式： CPU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。整个渲染过程由CPU在App内 同步地
  完成，渲染得到的bitmap最后再交由GPU用于显示。
  备注：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，一个简单的异步绘制过程大致如下

  - (void)display {
     dispatch_async(backgroundQueue, ^{
         CGContextRef ctx = CGBitmapContextCreate(...);
         // draw in context...
         CGImageRef img = CGBitmapContextCreateImage(ctx);
         CFRelease(ctx);
         dispatch_async(mainQueue, ^{
             layer.contents = img;
         });
     });
  }

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离屏渲染的触发方式

设置了以下属性时，都会触发离屏绘制：

• 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

其中shouldRasterize（光栅化）是比较特别的一种：
光栅化概念：将图转化为一个个栅格组成的图象。
光栅化特点：每个元素对应帧缓冲区中的一像素。

shouldRasterize = YES在其他属性触发离屏渲染的同时，会将光栅化后的内容缓存起来，如果对应的layer及其sublayers没有发生改变，在下一帧的时候可以直接复用。shouldRasterize = YES，这将隐式的创建一个位图，各种阴影遮罩等效果也会保存到位图中并缓存起来，从而减少渲染的频度（不是矢量图）。

相当于光栅化是把GPU的操作转到CPU上了，生成位图缓存，直接读取复用。

当你使用光栅化时，你可以开启“Color Hits Green and Misses Red”来检查该场景下光栅化操作是否是一个好的选择。绿色表示缓存被复用，红色表示缓存在被重复创建。

如果光栅化的层变红得太频繁那么光栅化对优化可能没有多少用处。位图缓存从内存中删除又重新创建得太过频繁，红色表明缓存重建得太迟。可以针对性的选择某个较小而较深的层结构进行光栅化，来尝试减少渲染时间。

注意：
对于经常变动的内容,这个时候不要开启,否则会造成性能的浪费

例如我们日程经常打交道的TableViewCell,因为TableViewCell的重绘是很频繁的（因为Cell的复用）,如果Cell的内容不断变化,则Cell需要不断重绘,如果此时设置了cell.layer可光栅化。则会造成大量的离屏渲染,降低图形性能。

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为什么会使用离屏渲染

当使用圆角，阴影，遮罩的时候，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，所以就需要屏幕外渲染被唤起。

屏幕外渲染并不意味着软件绘制，但是它意味着图层必须在被显示之前在一个屏幕外上下文中被渲染（不论CPU还是GPU）。

所以当使用离屏渲染的时候会很容易造成性能消耗，因为在OPENGL里离屏渲染会单独在内存中创建一个屏幕外缓冲区并进行渲染，而屏幕外缓冲区跟当前屏幕缓冲区上下文切换是很耗性能的。

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Instruments监测离屏渲染

Instruments的Core Animation工具中有几个和离屏渲染相关的检查选项：

• 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。

• Color Hits Green and Misses Red
  如果shouldRasterize被设置成YES，对应的渲染结果会被缓存，如果图层是绿色，就表示这些缓存被复用；如果是红色就表示缓存会被重复创建，这就表示该处存在性能问题了。

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iOS版本上的优化

ios 9.0 之前UIimageView跟UIButton设置圆角都会触发离屏渲染

iOS 9.0 之后UIButton设置圆角会触发离屏渲染，而UIImageView里png图片设置圆角不会触发离屏渲染了，如果设置其他阴影效果之类的还是会触发离屏渲染的。

这可能是苹果也意识到离屏渲染会产生性能问题，所以能不产生离屏渲染的地方苹果也就不用离屏渲染了。

文／齐滇大圣（简书作者）
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