离屏渲染

Posted 2021-03-07 dins

一、Off-Screen Rendering

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。

离屏渲染的数量才是影响 app 交互性能的根源。

离屏渲染耗时是发生在离屏这个动作上面，而不是渲染。原因主要在于创建缓冲区和上下文切换。创建新的缓冲区代价都不算大，付出最大代价的是上下文切换。

二、上下文切换

不管是在 GPU 渲染过程中，还是熟悉的进程切换，上下文切换在哪里都是一个相当耗时的操作。

首先要保存当前屏幕渲染环境，然后切换到一个新的绘制环境，申请绘制资源 -> 初始化环境 -> 开始一个绘制 -> 绘制完毕后销毁这个绘制环境，如需要切换到 On-Screen Rendering 或者再开始一个新的离屏渲染重复之前的操作。

下图描述了一次 mask 的渲染操作。


一次 mask 发生了两次离屏渲染和一次主屏渲染。即使忽略昂贵的上下文切换，一次 mask 需要渲染三次才能在屏幕上显示，这已经是普通视图显示 3 倍耗时，若再加上下文环境切换，一次 mask 就是普通渲染的 30 倍以上耗时操作。

三、出现场景

下面的情况或操作会引发离屏渲染：

1. 为图层设置遮罩（layer.mask）
2. 将图层的 layer.masksToBounds/view.clipsToBounds 属性设置为 true
3. 将图层的 layer.allowsGroupOpacity 属性设置为 YES 和 layer.opacity < 1.0
4. 为图层设置阴影（layer.shadow*）
5. 为图层设置 layer.shouldRasterize = true
6. 具有 layer.cornerRadius、layer.edgeAntialiasingMask、layer.allowsEdgeAntialiasing 的图层
7. 文本（任何种类，包括 UILabel、CATextLayer、CoreText 等）
8. 使用 CGContext 在 drawRect: 方法中绘制大部分情况下会导致离屏渲染，甚至仅仅是一个空的实现

四、优化方案

官方对离屏渲染产生性能问题也进行了优化：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 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。

4.1 圆角优化

在 APP 开发中圆角图片还是经常出现的。如果一个界面中只有少量圆角图片或许对性能没有非常大的影响，但是当圆角图片比较多的时候就会 APP 性能产生明显的影响。

我们设置圆角一般通过如下方式：

imageView.layer.cornerRadius = CGFloat(10);
imageView.layer.masksToBounds = YES;

这样处理的渲染机制是 GPU 在当前屏幕缓冲区外新开辟一个渲染缓冲区进行工作，也就是离屏渲染，这会带来额外的性能损耗，如果这样的圆角操作达到一定数量，会触发缓冲区的频繁合并和上下文的的频繁切换，出现掉帧现象。

1. 使用贝塞尔曲线 UIBezierPath 和 Core Graphics 框架画出一个圆角。

   UIImageView * imageView = [[UIImageView alloc] initWithFrame:CGRectMake(100, 100, 100, 100)];
   UIImage * image = [UIImage imageNamed:@"myImg"];
   
   // 开始对 imageView 进行画图
   UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(imageView.bounds.size, NO, [UIScreen mainScreen].scale);
   // 使用贝塞尔曲线画出一个圆形图
   [[UIBezierPath bezierPathWithRoundedRect:imageView.bounds cornerRadius:imageView.frame.size.width] addClip];
   [image drawInRect:imageView.bounds];
   imageView.image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
   // 结束画图
   UIGraphicsEndImageContext();
   
   [self.view addSubview:imageView];

   HJCornerRadius

2. 视图上添加一个子 layer 到最上层，用于遮盖该视图及其子视图，设置 layer 的图片为刚好能够遮盖成所需圆角样子，并且图片颜色刚好是该视图父视图的背景颜色就达到想要的效果。

   弊端：如果该父视图的颜色不是纯色，此时该方式就不适用了，同样，如果父视图的颜色会变化，那实现起来的代码也不那么优雅。

   
   
   

3. 通过修改 layer.mask，首先通过贝塞尔曲线创建基于矢量的路径，传递给 CAShapeLayer 进行渲染。路径闭环，再把绘制出的 Shape 赋值给 layer.mask，在 Mask 范围之外的 Layer 将不被显示从而达到圆角效果。代码实现很简单，如下：

   UIButton *btn = [[UIButton alloc]initWithFrame:CGRectMake(130, 330, 100, 100)];
   [btn setBackgroundColor:[UIColor colorWithRed:(226.0 / 255.0) green:(113.0 / 255.0) blue:(19.0 / 255.0) alpha:1]];
   [backgroundImageView addSubview:btn];
   //绘制曲线路径
   UIBezierPath *maskPath = [UIBezierPath bezierPathWithRoundedRect:btn.bounds byRoundingCorners:UIRectCornerAllCorners cornerRadii:btn.bounds.size];
   CAShapeLayer *maskLayer = [[CAShapeLayer alloc]init];
   //设置大小
   maskLayer.frame = btn.bounds;
   //设置图形样子
   maskLayer.path = maskPath.CGPath;
   btn.layer.mask = maskLayer;

   
   
   

4.2 shadow 优化

对于 shadow，如果图层是个简单的几何图形或者圆角图形，我们可以通过设置 shadowPath 来优化性能，能大幅提高性能。示例如下：

imageView.layer.shadowColor = [UIColor grayColor].CGColor;
imageView.layer.shadowOpacity = 1.0;
imageView.layer.shadowRadius = 2.0;
UIBezierPath * path = [UIBezierPath bezierPathWithRect:imageView.frame];
imageView.layer.shadowPath = path.CGPath;

当使用阴影的视图形状发生变化时，即 shadowPath 并不会跟随 CALayer 的 bounds 属性进行变化，所以在 layer 的 bounds 产生变化以后需要手动更新 shadowPath 才能让其适配新的 bounds。具体推荐看这篇文章

我们还可以通过设置 shouldRasterize 属性值为 YES 来强制开启离屏渲染。其实就是光栅化（Rasterization）。既然离屏渲染这么不好，为什么我们还要强制开启呢？当一个图像混合了多个图层，每次移动时，每一帧都要重新合成这些图层，十分消耗性能。当我们开启光栅化后，会在首次产生一个位图缓存，当再次使用时候就会复用这个缓存。但是如果图层发生改变的时候就会重新产生位图缓存。所以这个功能一般不能用于 UITableViewCell 中，cell 的复用反而降低了性能。最好用于图层较多的静态内容的图形。而且产生的位图缓存的大小是有限制的，一般是 2.5 个屏幕尺寸。在 100ms 之内不使用这个缓存，缓存也会被删除。所以我们要根据使用场景而定。

4.3 其他的一些优化建议

1. 当我们需要圆角效果时，可以使用一张中间透明图片蒙上去
2. 使用 ShadowPath 指定 layer 阴影效果路径
3. 使用异步进行 layer 渲染（Facebook 开源的异步绘制框架 AsyncDisplayKit）
4. 设置 layer 的 opaque 值为 YES，减少复杂图层合成
5. 尽量使用不包含透明（alpha）通道的图片资源
6. 尽量设置 layer 的大小值为整形值
7. 直接让美工把图片切成圆角进行显示，这是效率最高的一种方案
8. 很多情况下用户上传图片进行显示，可以让服务端处理圆角
9. 使用代码手动生成圆角 Image 设置到要显示的 View 上，利用 UIBezierPath（CoreGraphics框架）画出来圆角图片

4.4 Core Animation 工具检测离屏渲染

对于离屏渲染的检测，苹果为我们提供了一个测试工具Core Animation。可以在Xcode->Open Develeper Tools->Instruments中找到，如下图：


Core Animation工具用来监测Core Animation性能，提供可见的FPS值，并且提供几个选项来测量渲染性能。如下图：


下面我们来说明每个选项的功能：

• Color Blended Layers：这个选项如果勾选，你能看到哪个 layer 是透明的，GPU 正在做混合计算。显示红色的就是透明的，绿色就是不透明的。

• Color Hits Green and Misses Red：如果勾选这个选项，且当我们代码中有设置shouldRasterize为YES，那么红色代表没有复用离屏渲染的缓存，绿色则表示复用了缓存。我们当然希望能够复用。

• Color Copied Images：按照官方的说法，当图片的颜色格式GPU不支持的时候，Core Animation 会拷贝一份数据让 CPU 进行转化。例如从网络上下载了 TIFF 格式的图片，则需要 CPU 进行转化，这个区域会显示成蓝色。还有一种情况会触发Core Animation的copy方法，就是字节不对齐的时候。

• Color Immediately：默认情况下 Core Animation 工具以每毫秒 10 次的频率更新图层调试颜色，如果勾选这个选项则移除 10ms 的延迟。对某些情况需要这样，但是有可能影响正常帧数的测试。

• Color Misaligned Images：勾选此项，如果图片需要缩放则标记为黄色，如果没有像素对齐则标记为紫色。像素对齐我们已经在上面有所介绍。

• Color Offscreen-Rendered Yellow：用来检测离屏渲染的，如果显示黄色，表示有离屏渲染。当然还要结合 Color Hits Green and Misses Red 来看，是否复用了缓存。

• Color OpenGL Fast Path Blue：这个选项对那些使用 OpenGL 的图层才有用，像是 GLKView 或者 CAEAGLLayer，如果不显示蓝色则表示使用了 CPU 渲染，绘制在了屏幕外，显示蓝色表示正常。

• Flash Updated Regions：当对图层重绘的时候回显示黄色，如果频繁发生则会影响性能。可以用增加缓存来增强性能。

五、UITableView 优化

1. 使用tableView的复用机制?

   作用：减少内存资源的消耗。?

   注意：cell被重用时，它内部绘制的内容并不会被自动清除，因此你可能需要调用setNeedsDisplayInRect: 或 setNeedsDisplay 方法。?

2. 提前预估高度?

   提前计算并缓存好高度（布局），因为 heightForRowAtIndexPath: 是调用最频繁的方法。?

3. cell 内部有图片?

   此时需要异步加载图片，防止卡顿（此时的 SDWebImage 的每个 cell 中都创建一个子线程吗？）但是内部开启的线程过多也会影响主线程的性能?

   解决办法：
   ?
   • 在 scrollerView 的代理方法中，didEndDragging，didEndDeceleratiing 方法中，才开始异步加载，其它时刻不进行加载?
   • 在 didEndDragging，didEndDeceleratiing 方法中实现方法：获取屏幕上显示出来的 cell 的 indexPath 数组，然后通过遍历 indexPath 的数组，在数据源中，如果已经加载了，就不需要再异步加载，反之进行异步加载,然后再cellForRow方法中也进行一次判断：当self.tableView.dragging == NO && self.tableView.decelerating == NO 的时候执行异步加载图片的方法?

4. 尽量少用 addView 给 Cell 动态添加 View?

   可以初始化时就添加，相对于一些固定的视图在初始化时就布局好，学会用 hidden 属性来控制是否显示。?

5. 减少子视图的数目?

   当 cell 上面的子视图数量过多时，会影响滑动性能，当子视图太多的时候，对适当的视图进行绘制。?

6. 使用不透明视图?

   不透明的视图可以极大地提高渲染的速度。因此如非必要，可以将 table cell 及其子视图的 opaque 属性设为 YES（默认值）。?

7. 预渲染图像和离屏渲染?

   你会发现即使做到了上述几点，当新的图像出现时，仍然会有短暂的停顿现象。解决的办法就是预渲染图像，在bitmap context里先将其画一遍，导出成UIImage对象，然后再绘制到屏幕，详细做法可见《利用预渲染加速iOS设备的图像显示》。?

   离屏渲染就是在 tableView 中展示多张需要切圆形的图片，此时不要使用 setCornerRadius 的方法，这样耗损性能，用 Core Graphics 绘制圆角，然后返回图片，在 SDWebImage 处理我的分类返回的图片，并进行缓存。?

8. UIImage：本地图片加载方式本地图片加载常用方法有两种：?

   • [UIImage imageNamed:@”xx.png”] 图片多次使用时使用，需要使用此方式加入缓存。?
   • [[UIImage alloc] initWithContentsOfFile:@”xx.png”] 图片不常使用时，不使用缓存。?

9. 避免对象创建时过多消耗资源?

   例如：日期处理，将保持日期对象全局唯一。

老生常谈之UITableView的性能优化