iOS图像显示原理

iOS图像显示原理

析构图显示：

图像显示各组件分工：

• ~ CPU：计算视图frame，图片解码，绘制纹理交给GPU。

• ~ GPU：纹理混合，顶点变换，渲染到帧缓冲区。

• ~ 时钟信号：垂直同步信号V-Sync / 水平同步信号H-Sync。

• ~ iOS设备双缓冲机制：前/后帧缓冲区。

• ~ CRT：阴极电子枪发射电子，在阴极高电压的作用下，电子由电子枪射向荧光屏，使荧光粉发光，将图像显示在屏幕上。采用时钟信号控制。

• ~ LCD：（光学成像原理）在不加电压的情况下，光线会沿着液晶分子的间隙前进旋转90°，光可以通过。在 加入电压后，光沿着液晶分子的间隙直线前进，被滤光板挡住。

~ 注：LCD的成像原理与CRT截然不同，每一个像素的颜色在需要改变时才去改变电压，但扔需要按照一定的刷新频率向GPU获取新的图像用于显示。

图像撕裂原因分析

图像撕裂：当视频控制器还未读取完成时，GPU将新的一帧内容提交到帧缓冲区并把两个帧缓冲区进行更新后，视频控制器就会把新的一帧数据的下半段显示到屏幕上，造成画面撕裂的现象。

解决方案：垂直同步机制

弊端：GPU会等待显示的V-Sync信号发出后，才进行新的一帧渲染和缓存区更新。能解决画面撕裂现象，也增加了画面流畅度，但需要消耗更多的计算资源，由此可能导致卡顿。

离屏渲染与光栅化

• 离屏渲染：CPU渲染及非GPU缓冲区的渲染统称为离屏渲染。

• 离屏渲染的触发：CoreGraphics的上下文绘制，drawRect绘制，layer圆角/边框/阴影/抗锯齿/光栅化（shouldRasterize置为YES）等。

• 离屏渲染的检测：Instruments的CoreAnimation工具动态监测。（使用方法：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，黄色图层可能存在性能问题。）

• 光栅化简介：隐式创建一个位图，各种阴影遮罩等效果也会保存到位图中缓存起来，从而减少渲染的频度，把GPU的操作转到CPU上，生成位图缓存，直接读取调用。（注：对于经常变动的内容，不要开启光栅化，防止性能浪费，如Cell的复用）

• 光栅化的检测：Color Hits Green and Misses Red 开启后，若shouldRasterize设置为YES，对应的渲染结果会缓存，如果图层是绿色，表示缓存被复用；如果是红色，就表示缓存被重复创建，可能存在性能问题。

• GPU缓存区渲染优势：为图像显示做了高度优化，速度较快。

卡顿原因分析

大体有三种原因：

1. UI渲染需要时间较长，无法按时提交结果。

2. 一些需要密集计算的处理放在了主线程中执行，导致主线程被阻塞，无法渲染UI界面。

3. 网络请求由于网络状态的问题响应较慢，UI层由于没有模型返回无法渲染。

CPU资源消耗分析

1. 对象创建：对象的创建会分配内存、调整属性、甚至还有读取文件等操作，比较消耗CPU资源。尽量采取轻量级对象，尽量放到后台线程处理，尽量推迟对象的创建时间。（如UIView / CALayer）

2. 对象调整：frame、bounds、transform及视图层次等属性调整很耗费CPU资源。尽量减少不必要属性的修改，尽量避免调整视图层次、添加和移除视图。

3. 布局计算：随着视图数量的增长，Autolayout带来的CPU消耗会呈指数级增长，所以尽量提前算好布局，在需要时一次性调整好对应属性。

4. 文本渲染：屏幕上能看到的所有文本内容控件，包括UIWebView，在底层都是通过CoreText排版、绘制为位图显示的。常见的文本控件，其排版与绘制都是在主线程进行的，显示大量文本是，CPU压力很大。对此解决方案唯一就是自定义文本控件，用CoreText对文本异步绘制。（很麻烦，开发成本高）

5. 图片解码：当用UIImage或CGImageSource创建图片时，图片数据并不会立刻解码。图片设置到UIImageView或CALayer.contents中去，并且CALayer被提交到GPU前，CGImage中的数据才会得到解码。这一步是发生在主线程的，并且不可避免。SD_WebImage处理方式：在后台线程先把图片绘制到CGBitmapContext中，然后从Bitmap直接创建图片。

6. 图像绘制：图像的绘制通常是指用那些以CG开头的方法把图像绘制到画布中，然后从画布创建图片并显示的一个过程。CoreGraphics方法是线程安全的，可以异步绘制，主线程回调。

GPU资源消耗分析

• 纹理混合：尽量减少短时间内大量图片的显示，尽可能将多张图片合成一张进行显示。

• 视图混合：尽量减少视图层次和数量，并在不透明的视图里标明opaque属性以避免无用的Alpha通道合成。

• 图形生成：尽量避免离屏渲染，尽量采用异步绘制，尽量避免使用圆角、阴影、遮罩等属性。必要时用静态图片实现展示效果，也可尝试光栅化缓存复用属性。

Instruments 卡顿监测

Time Profiler ->Call Tree Options :

1. Separete By Thread :按线程划分

2. Invert Call Tree ：逆向调用树，方便查看调用顺序

3. Hide System Libraries：隐藏系统库

Core Animation ->Debug Options :

1. Color Blended Layers :监测图层混合情况，没有混合的部分为绿色，混合最严重的部分是红色，大量图层混合会消耗GPU的时间。

2. Color Copied Images :监测图片颜色格式，如果GPU不支持当前图片的颜色格式，会将其交给CPU预先进行格式转化，并且这张图片被标记为蓝色。（Apple 的 GPU值解析32bit的颜色格式，RGBA)

3. Color Immediately ：设置调试颜色每帧更新。（一般不用）

4. Color Compositing-Fast-Path Blue ：对任何直接使用OpenGL绘制的图层高亮。

5. Flash Updated Regions ：对重绘的内容高亮成黄色。（使用Core Graphics绘制的图层）

6. Color Hits Green and Misses Red ：光栅化监测，前面已述。

7. Color Offscreen-Renderded Yellow ：离屏渲染监测，前面已述。

8. Color Non-Standard Surface Formats：Apple 文档没注解（一般不用）

作者：SuperBoy_Timmy

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