ios 图像显示原理及掉帧卡顿、离屏渲染的原因分析与优化
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发布时间：2022-09-05 02:20
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时间：2024-07-11 12:14
在CPU中的工作完成会生成一个位图（bitmap），位图再经由总线在合适的时机上传给GPU处理，GPU拿到位图之后会进行相应位图的图层渲染（顶点变换、纹理混合等操作），之后会把结果放到帧缓冲区（Frame Buffer）中，由视屏控制器根据Vsync信号，在指定时间前提取对应帧缓冲区中的屏幕显示内容，最终显示到手机屏幕上。
2.UI视图显示到屏幕上的大概流程如上图示：创建一个UIView，它的显示部分是由CALayer负责的，CALayer有一个contents属性（即最终要绘制到屏幕上的位图），比如说创建的是一个显示“Hello world”的UILable，那么contents中放置的结果就是一个关于"Hello world"的文字位图。另外系统会在合适的时机回调一个drawRect:方法，在此基础上我们就可以绘制一些想要自定义的内容，绘制好的位图，会经由CoreAnimation框架，提交给GPU部分的OpenGL渲染管线进行位图的渲染，最终显示到屏幕上。
3.CPU工作：负责UI布局、文本计算,绘制,图片解码，绘制纹理交给GPU
4.GPU工作：纹理混合，顶点变换，渲染到帧缓冲区
1.通常来说页面滑动的流畅性是60fps（指每一秒会有60帧画面更新），人眼看到的是流畅的效果。也因此每隔 s（即16.7ms）就要产生一帧画面，也就是说在这16.7ms时间内GUP和CPU要协同完成产生一帧的数据，比如CPU花了一定的时间做UI布局、文本计算、视图的绘制和图片解码，并把产生的位图提交给GPU，GPU又要花一定的时间进行纹理混合渲染，然后在下一帧的VSync垂直信号到来之前显示这一帧画面。
在上图中，如果CPU和GPU协同工作的时间在16.7ms内，那么图像的显示是流畅的；如果CPU花费了大量时间来做frame的布局、视图绘制和图片解码，那么留给GPU的时间就不多了，GPU要想把图层合成、纹理渲染全部完成就要超过16.7ms，那么在下一帧的垂直信号VSync到来之前，还没有准备好当前的一帧画面，这就产生了掉帧，体现在滑动上的就是上下滑动卡顿的效果。
总而言之，在规定的16.7ms内，CPU和GPU并没有在下一帧的Vsync信号到来之前把当前的一帧画面生产完成，由此产生了掉帧卡顿。
2.滑动优化方案
CPU资源消耗分析
GPU资源消耗分析
基于上述的分析保持界面流畅,优化的时候就要从CPU和GPU两方面考虑。
优化参考 iOS如何优化项目
参考文章 Texture的异步渲染和布局引擎
1.有关概念：
CPU渲染及非GPU缓冲区的渲染统称为离屏渲染
2.离屏渲染消耗性能的原因
3.何时会触发？
4.检测离屏渲染
5.光栅化
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）
任何时候优先考虑避免触发离屏渲染，无法避免时优化方案有两种：
•Rasterization：适用于静态内容的视图，也就是内部结构和内容不发生变化的视图，对上面的所有效果而言，在实现成本以及性能上最均衡的。即使是动态变化的视图，开启 Rasterization 后能够有效降低 GPU 的负荷，不过在动态视图里是否启用还是看 Instruments 的数据。
•规避离屏渲染，用其他手法来模拟效果，混合图层是个性能最好、耗能最少的通用优化方案，尤其对于 rounded corer 和 mask
关于离屏渲染触发及优化可以看下面的文章：
离屏渲染优化详解：实例示范+性能测试
图像撕裂原因：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。
参考文章 ios图像显示原理
Texture相关参考资料
官方文档： http://texturegroup.org/docs/getting-started.html
官方文档部分译文一： https://juejin.im/post/5a16acf56fb9a04509092ce5
官方文档部分译文二（布局系统）： https://juejin.im/post/5a1be41351882561a20a32e9#heading-17
即刻技术团队关于ASDK：
一、 https://zhuanlan.hu.com/p/25371361
二、 https://zhuanlan.hu.com/p/26283742
三、 https://zhuanlan.hu.com/p/29537687
iOS 保持界面流畅的技巧： https://blog.ibireme.com/2015/11/12/smooth_user_interfaces_for_ios/
ASDK源码剖析： http://beelearning.cn/2017/11/ASDK/
从 Auto Layout 的布局算法谈性能 ： https://draveness.me/layout-performance
