影响Core Animation性能的原因

Core Animation运行一段动画时候步骤:

1.布局 - 这是准备视图/图层的层级关系,以及设置图层属性(位置,背景色,边框等等)的阶段。

2.显示 - 这是图层的寄宿图片被绘制的阶段。绘制有可能涉及-drawRect:和-drawLayer:inContext:方法的调用路径。

3.准备 - 这是Core Animation准备发送动画数据到渲染服务的阶段。这同时也是Core Animation将要执行一些别的事务例如解码动画过程中将要显示的图片的时间点。

4.提交 - 这是最后的阶段,Core Animation打包所有图层和动画属性,然后通过IPC(内部处理通信)发送到渲染服务进行显示。

5.对所有的图层属性计算中间值,设置OpenGL几何形状(纹理化的三角形)来执行渲染

6.在屏幕上渲染可见的三角形

其中最后两个阶段在动画过程中不停地重复。前五个阶段都在软件层面处理(通过CPU),只有最后一个被GPU执行。而且,程序真正只能控制前两个阶段:布局和显示。Core Animation框架在内部处理剩下的事务。

CPU层面会影响动画性能的操作

大多数工作在Core Animation的CPU都发生在动画开始之前。它不会影响到帧率,但是会延迟动画开始的时间,让界面看起来会比较迟钝。

以下CPU的操作都会延迟动画的开始时间:

  • 布局计算 - 如果视图层级过于复杂,当视图呈现或者修改的时候,计算图层帧率就会消耗一部分时间。特别是使用iOS6的自动布局机制尤为明显,它应该是比老版的自动调整逻辑加强了CPU的工作。

  • 视图懒加载 - iOS只会当视图控制器的视图显示到屏幕上时才会加载它。这对内存使用和程序启动时间很有好处,但是当呈现到屏幕上之前,按下按钮导致的许多工作都会不能被及时响应。比如控制器从数据库中获取数据,或者视图从一个nib文件中加载,或者涉及IO的图片显示(见后续“IO相关操作”),都会比CPU正常操作慢得多。

  • Core Graphics绘制 - 如果对视图实现了-drawRect:方法,或者CALayerDelegate的-drawLayer:inContext:方法,那么在绘制任何东西之前都会产生一个巨大的性能开销。为了支持对图层内容的任意绘制,Core Animation必须创建一个内存中等大小的寄宿图片。然后一旦绘制结束之后,必须把图片数据通过IPC传到渲染服务器。在此基础上,Core Graphics绘制就会变得十分缓慢,所以在一个对性能十分挑剔的场景下这样做十分不好。

  • 解压图片 - PNG或者JPEG压缩之后的图片文件会比同质量的位图小得多。但是在图片绘制到屏幕上之前,必须把它扩展成完整的未解压的尺寸(通常等同于图片宽 x 长 x 4个字节)。为了节省内存,iOS通常直到真正绘制的时候才去解码图片(14章“图片IO”会更详细讨论)。根据加载图片的方式,第一次对图层内容赋值的时候(直接或者间接使用UIImageView)或者把它绘制到Core Graphics中,都需要对它解压,这样的话,对于一个较大的图片,都会占用一定的时间。

  • IO相关操作

还有一项没涉及的就是IO相关工作。上下文中的IO(输入/输出)指的是例如闪存或者网络接口的硬件访问。一些动画可能需要从山村(甚至是远程URL)来加载。一个典型的例子就是两个视图控制器之间的过渡效果,这就需要从一个nib文件或者是它的内容中懒加载,或者一个旋转的图片,可能在内存中尺寸太大,需要动态滚动来加载。

IO比内存访问更慢,所以如果动画涉及到IO,就是一个大问题。总的来说,这就需要使用聪敏但尴尬的技术,也就是多线程,缓存和投机加载(提前加载当前不需要的资源,但是之后可能需要用到)。这些技术将会在第14章中讨论。

  • 图层过多

当图层被成功打包,发送到渲染服务器之后,CPU仍然要做如下工作:为了显示屏幕上的图层,Core Animation必须对渲染树种的每个可见图层通过OpenGL循环转换成纹理三角板。由于GPU并不知晓Core Animation图层的任何结构,所以必须要由CPU做这些事情。这里CPU涉及的工作和图层个数成正比,所以如果在层级关系中有太多的图层,就会导致CPU没一帧的渲染,即使这些事情不是程序可控的。

GPU层面会影响绘制效率的原因

GPU用来采集图片和形状(三角形),运行变换,应用纹理和混合然后把它们输送到屏幕上。

会降低(基于GPU)图层绘制效率的原因:

  • 太多的几何结构 - 这发生在需要太多的三角板来做变换,以应对处理器的栅格化的时候。现代iOS设备的图形芯片可以处理几百万个三角板,所以在Core Animation中几何结构并不是GPU的瓶颈所在。但由于图层在显示之前通过IPC发送到渲染服务器的时候(图层实际上是由很多小物体组成的特别重量级的对象),太多的图层就会引起CPU的瓶颈。这就限制了一次展示的图层个数(见本章后续“CPU相关操作”)。

  • 重绘 - 主要由重叠的半透明图层引起。GPU的填充比率(用颜色填充像素的比率)是有限的,所以需要避免重绘(每一帧用相同的像素填充多次)的发生。在现代iOS设备上,GPU都会应对重绘;即使是iPhone 3GS都可以处理高达2.5的重绘比率,并任然保持60帧率的渲染(这意味着可以绘制一个半的整屏的冗余信息,而不影响性能),并且新设备可以处理更多。

  • 离屏绘制 - 这发生在当不能直接在屏幕上绘制,并且必须绘制到离屏图片的上下文中的时候。离屏绘制发生在基于CPU或者是GPU的渲染,或者是为离屏图片分配额外内存,以及切换绘制上下文,这些都会降低GPU性能。对于特定图层效果的使用,比如圆角,图层遮罩,阴影或者是图层光栅化都会强制Core Animation提前渲染图层的离屏绘制。但这不意味着必须避免使用这些效果,只是要明白这会带来性能的负面影响。

  • 过大的图片 - 如果视图绘制超出GPU支持的2048x2048或者4096x4096尺寸的纹理,就必须要用CPU在图层每次显示之前对图片预处理,同样也会降低性能。

程序中设置一个NSTimer,他会被插入到当前任务列表中,然后直到指定时间过去之后才会被执行。但是何时启动定时器并没有一个时间上限,而且它只会在列表中上一个任务完成之后开始执行。这通常会导致有几毫秒的延迟,但是如果上一个任务过了很久才完成就会导致延迟很长一段时间。

屏幕重绘的频率是一秒钟六十次,但是和定时器行为一样,如果列表中上一个执行了很长时间,它也会延迟。这些延迟都是一个随机值,于是就不能保证定时器精准地一秒钟执行六十次。有时候发生在屏幕重绘之后,这就会使得更新屏幕会有个延迟,看起来就是动画卡壳了。有时候定时器会在屏幕更新的时候执行两次,于是动画看起来就跳动了。

可以通过以下途径来优化:

  • 可以用CADisplayLink让更新频率严格控制在每次屏幕刷新之后。

  • 基于真实帧的持续时间而不是假设的更新频率来做动画。

  • 调整动画计时器的Run Loop 模式,这样就不会被别的事件干扰。

CADisplayLink

CADisplayLink是CoreAnimation提供的另一个类似于NSTimer的类,它总是在屏幕完成一次更新之前启动,它的接口设计的和NSTimer很类似,所以它实际上就是一个内置实现的替代,但是和timeInterval以秒为单位不同,CADisplayLink有一个整型的frameInterval属性,指定了间隔多少帧之后才执行。默认值是1,意味着每次屏幕更新之前都会执行一次。但是如果动画的代码执行起来超过了六十分之一秒,可以指定frameInterval为2,就是说动画每隔一帧执行一次(一秒钟30帧)或者3,也就是一秒钟20次,等等。

用CADisplayLink而不是NSTimer,会保证帧率足够连续,使得动画看起来更加平滑,但即使CADisplayLink也不能保证每一帧都按计划执行,一些失去控制的离散的任务或者事件(例如资源紧张的后台程序)可能会导致动画偶尔地丢帧。当使用NSTimer的时候,一旦有机会计时器就会开启,但是CADisplayLink却不一样:如果它丢失了帧,就会直接忽略它们,然后在下一次更新的时候接着运行。

计算帧的持续时间

无论是使用NSTimer还是CADisplayLink,仍然需要处理一帧的时间超出了预期的六十分之一秒。可以在每帧开始刷新的时候用CACurrentMediaTime()记录当前时间,然后和上一帧记录的时间去比较。

通过比较这些时间,就可以得到真实的每帧持续的时间,然后代替硬编码的六十分之一秒。

Run Loop 模式

当创建CADisplayLink的时候,需要指定一个run loop和run loop mode,对于run loop来说,需要使用主线程的run loop,因为任何用户界面的更新都需要在主线程执行,但是模式的选择就并不那么清楚了,每个添加到run loop的任务都有一个指定了优先级的模式,为了保证用户界面保持平滑,iOS会提供和用户界面相关任务的优先级,而且当UI很活跃的时候的确会暂停一些别的任务。

一个典型的例子就是当是用UIScrollview滑动的时候,重绘滚动视图的内容会比别的任务优先级更高,所以标准的NSTimer和网络请求就不会启动,一些常见的run loop模式如下:

NSDefaultRunLoopMode - 标准优先级

NSRunLoopCommonModes - 高优先级

UITrackingRunLoopMode - 用于UIScrollView和别的控件的动画

同样可以同时对CADisplayLink指定多个run loop模式,可以同时加入NSDefaultRunLoopMode和UITrackingRunLoopMode来保证它不会被滑动打断,也不会被其他UIKit控件动画影响性能。和CADisplayLink类似,NSTimer同样也可以使用不同的run loop模式配置,通过别的函数,而不是+scheduledTimerWithTimeInterval:构造器