iOS进阶--UIView的绘制
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发布时间：2022-11-27 03:47
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时间：2023-10-14 00:51
如果要研究OpenGL ES相关和 GPU 相关，这篇文章很具有参考的入门价值.
首先要从 Runloop 开始说,iOS 的 MainRunloop 是一个60fps 的回调,也就是说16.7ms(毫秒)会绘制一次屏幕,这个时间段内要完成:
这些 CPU 的工作.
然后将这个缓冲区交给 GPU 渲染, 这个过程又包含:
最终现实在屏幕上.因此,如果在16.7ms 内完不成这些操作, eg: CPU做了太多的工作, 或者 view 层次过于多,图片过于大,导致 GPU 压力太大,就会导致"卡"的现象,也就是 丢帧,掉帧.
苹果官方给出的最佳帧率是:60fps(60Hz),也就是一帧不丢, 当然这是理想中的绝佳体验.
一般来说如果帧率达到 60+fps (fps >= 60帧以上,如果帧率fps > 50,人眼就基本感觉不到卡顿了,因此,如果你能让你的 iOS 程序稳定保持在 60fps 已经很不错了, 注释,是"稳定"在60fps,而不是, 10fps , 40fps , 20fps 这样的跳动,如果帧频不稳就会有卡的感觉, 60fps 真的很难达到, 尤其是在 iPhone 4/4s等 32bit 位机上,不过现在苹果已经全面放弃32位,支持最低64位会好很多.
总的来说, UIView从绘制到Render的过程有如下几步：
UIView 的绘制和渲染是两个过程:
上面提到的从 CPU 到 GPU 的过程可用下图表示:
下面具体来讨论下这个过程
假设我们创建一个 UILabel
这个时候不会发生任何操作, 由于 UILabel 重写了 drawRect 方法,因此,这个 View 会被 marked as "dirty" :
类似这个样子:
然后一个新的 Runloop 到来，上面说道在这个 Runloop 中需要将界面渲染上去，对于 UIKit 的渲染，Apple用的是它的 Core Animation 。 做法是在Runloop开始的时候调用：
在 Runloop 结束的时候调用
在 begin 和 commit 之间做的事情是将 view 增加到 view hierarchy 中，这个时候也不会发生任何绘制的操作。 当 [CATransaction commit] 执行完后， CPU 开始绘制这个 view :
首先 CPU 会为 layer 分配一块内存用来绘制 bitmap ，叫做backing store
创建指向这块 bitmap 缓冲区的指针，叫做 CGContextRef
通过 Core Graphic 的 api ，也叫 Quartz2D ，绘制 bitmap
将 layer 的 content 指向生成的 bitmap
清空 dirty flag 标记
这样 CPU 的绘制基本上就完成了.
通过 time profiler 可以完整的看到个过程：
假如某个时刻修改了 label 的 text :
由于内容变了, layer 的 content 的 bitmap 的尺寸也要变化，因此这个时候当新的 Runloop 到来时， CPU 要为 layer 重新创建一个 backing store ，重新绘制 bitmap .
CPU 这一块最耗时的地方往往在 Core Graphic 的绘制上，关于 Core Graphic 的性能优化是另一个话题了，又会牵扯到很多东西，就不在这里讨论了.
GPU bound：
CPU 完成了它的任务：将 view 变成了 bitmap ，然后就是 GPU 的工作了， GPU 处理的单位是 Texture .
基本上我们控制 GPU 都是通过 OpenGL 来完成的，但是从 bitmap 到 Texture 之间需要一座桥梁， Core Animation 正好充当了这个角色：
Core Animation 对 OpenGL 的 api 有一层封装，当我们要渲染的 layer 已经有了 bitmap content 的时候，这个 content 一般来说是一个 CGImageRef ， CoreAnimation 会创建一个 OpenGL 的 Texture 并将 CGImageRef（bitmap） 和这个 Texture 绑定，通过 TextureID 来标识。
这个对应关系建立起来之后，剩下的任务就是 GPU 如何将 Texture 渲染到屏幕上了。 GPU 大致的工作模式如下：
整个过程也就是一件事：
CPU 将准备好的 bitmap 放到 RAM 里， GPU 去搬这快内存到 VRAM 中处理。 而这个过程 GPU 所能承受的极限大概在16.7ms完成一帧的处理，所以最开始提到的60fps其实就是GPU能处理的最高频率.
因此， GPU 的挑战有两个：
这两个中瓶颈基本在第二点上。渲染 Texture 基本要处理这么几个问题：
Compositing 是指将多个纹理拼到一起的过程，对应 UIKit ，是指处理多个 view 合到一起的情况，如:
如果 view 之间没有叠加，那么 GPU 只需要做普通渲染即可.
如果多个 view 之间有叠加部分， GPU 需要做 blending .
加入两个 view 大小相同，一个叠加在另一个上面，那么计算公式如下：
R = S + D *( 1 - Sa )
其中 S , D 都已经 pre-multiplied 各自的 alpha 值。
Sa 代表 Texture 的 alpha 值。
假如 Top Texture （上层 view ）的 alpha 值为 1 ，即不透明。那么它会遮住下层的 Texture .
即, R = S 。是合理的。
假如 Top Texture （上层 view ）的 alpha 值为 0.5 ，
S 为 (1,0,0) ，乘以 alpha 后为 (0.5,0,0） 。
D 为 (0，0，1) 。
得到的 R 为 （0.5，0，0.5） 。
基本上每个像素点都需要这么计算一次。
因此， view 的层级很复杂，或者 view 都是半透明的（ alpha 值不为 1 ）都会带来 GPU 额外的计算工作。
这个问题，主要是处理 image 带来的，假如内存里有一张 400x400 的图片，要放到 100x100 的 imageview 里，如果不做任何处理，直接丢进去，问题就大了，这意味着， GPU 需要对大图进行缩放到小的区域显示，需要做像素点的 sampling ，这种 smapling 的代价很高，又需要兼顾 pixel alignment 。 计算量会飙升。
如果我们对 layer 做这样的操作：
会产生 offscreen rendering ,它带来的最大的问题是，当渲染这样的 layer 的时候，需要额外开辟内存，绘制好 radius，mask ，然后再将绘制好的 bitmap 重新赋值给 layer 。
因此继续性能的考虑， Quartz 提供了优化的 api ：
简单的说，这是一种 cache 机制。
同样 GPU 的性能也可以通过 instrument 去衡量：
红色代表 GPU 需要做额外的工作来渲染 View ，绿色代表 GPU 无需做额外的工作来处理 bitmap 。
全文完
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