iOS离屏渲染

UIView和CALayer关系

UIView继承自UIResponder，可以处理系统传递过来的事件，如：UIApplication、UIViewController、UIView，以及所有从UIView派生出来的UIKit类。每个UIView内部都有一个CALayer提供内容的绘制和显示，并且作为内部RootLayer的代理视图。

CALayer继承自NSObject类，负责显示UIView提供的内容contents。CALayer有三个视觉元素：背景色、内容和边框，其中，内容的本质是一个CGImage。

下图为CALayer的结构图：

界面渲染过程

RunLoop有一个60fps的回调，即每16.7ms绘制一次屏幕，所以view的绘制必须在这个时间内完成，view内容的绘制是CPU的工作，然后把绘制的内容交给GPU渲染，包括多个View的拼接（Compositing）、纹理的渲染(Texture)等等，最后显示在屏幕上。但是，如果无法是16.7ms内完成绘制，就会出现丢帧的问题，一般情况下，如果帧率保证在30fps以上，界面卡顿效果不明显，那么就需要在33.4ms内完成View的绘制，而低于这个帧率，就会产生卡顿的效果，影响体验。

渲染的过程如下：

UIView的layer层有一个content，指向一块缓存，即backing store
UIView绘制时，会调用drawRect方法，通过context将数据写入backing store
在backing store写完后，通过render server交给GPU去渲染，将backing store中的bitmap数据显示在屏幕上

离屏渲染

在使用圆角、阴影和遮罩等视图功能的时候，图层属性的混合体被指定为在未预合成之前不能直接在屏幕中绘制，所有就需要在屏幕外的上下文中渲染，即离屏渲染。

离屏渲染卡顿原因

离屏渲染之所以会特别消耗性能，是因为要创建一个屏幕外的缓冲区，然后从当屏缓冲区切换到屏幕外的缓冲区，然后再完成渲染；其中，创建缓冲区和切换上下文最消耗性能，而绘制其实不是性能损耗的主要原因。

设置了以下属性时，就会触发离屏绘制：

shouldRasterize（光栅化）:光栅化是将一个layer预先渲染成位图(bitmap)，然后加入缓存中。如果对于阴影效果这样比较消耗资源的静态内容进行缓存，可以得到一定幅度的性能提升。demo中的这一行代码表示将label的layer光栅化
masks（遮罩）
shadows（阴影）
edge antialiasing（抗锯齿）
group opacity（不透明）
复杂形状设置圆角等
渐变

屏幕渲染类型

CPU计算好显示内容提交到GPU，GPU渲染完成后将渲染结果放入帧缓冲区，随后视频控制器会按照 VSync信号逐行读取帧缓冲区的数据，经过可能的数模转换传递给显示器显示。

屏幕渲染有如下三种：

GPU中的屏幕渲染：

1、On-Screen Rendering

意为当前屏幕渲染，指的是GPU的渲染操作是在当前用于显示的屏幕缓冲区中进行

2、Off-Screen Rendering

意为离屏渲染，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

3、CPU中的离屏渲染（特殊离屏渲染，即不在GPU中的渲染）

如果我们重写了drawRect方法，并且使用任何Core Graphics的技术进行了绘制操作，就涉及到了CPU渲染

CoreGraphic通常是线程安全的，所以可以进行异步绘制，显示的时候再放回主线程

切圆角优化

切圆角是开发app过程中经常会用到的功能，但是使用不同的方式，性能损耗也会不同，下面会介绍3种切圆角的方法；其中，方法三的性能相对最好。

方法一

使用cornerRadius进行切圆角，在iOS9之前会产生离屏渲染，比较消耗性能，而之后系统做了优化，则不会产生离屏渲染，但是操作最简单

iv.layer.cornerRadius = 30;
iv.layer.masksToBounds = YES;

方法二

利用mask设置圆角，利用的是UIBezierPath和CAShapeLayer来完成

CAShapeLayer *mask1 = [[CAShapeLayer alloc] init];
mask1.opacity = 0.5;
mask1.path = [UIBezierPath bezierPathWithOvalInRect:iv.bounds].CGPath;
iv.layer.mask = mask1;

方法三

利用CoreGraphics画一个圆形上下文，然后把图片绘制上去，得到一个圆形的图片，达到切圆角的目的。

- (UIImage *)drawCircleImage:(UIImage*)image{   
CGFloat side = MIN(image.size.width, image.size.height);        UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(CGSizeMake(side, side), false, [UIScreen mainScreen].scale);  
CGContextAddPath(UIGraphicsGetCurrentContext(), [UIBezierPath bezierPathWithOvalInRect:CGRectMake(0, 0, side, side)].CGPath);   
CGContextClip(UIGraphicsGetCurrentContext());    
CGFloat marginX = -(image.size.width - side) * 0.5;  
CGFloat marginY = -(image.size.height - side) * 0.5;  
[image drawInRect:CGRectMake(marginX, marginY, image.size.width, image.size.height)];        CGContextDrawPath(UIGraphicsGetCurrentContext(), kCGPathFillStroke);   
UIImage *newImage = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();   
UIGraphicsEndImageContext();      
return newImage;
}

设置阴影，添加阴影路径，可以避免离屏渲染

shadowImgView.layer.shadowColor = [UIColor redColor].CGColor;

shadowImgView.layer.shadowOpacity = 0.8f;

shadowImgView.layer.shadowOffset = CGSizeMake(5, 5);

shadowImgView.layer.shadowRadius = 5.f;

UIBezierPath *path = [UIBezierPath bezierPathWithRect:shadowImgView.bounds];              

shadowImgView.layer.shadowPath = path.CGPath;

善用离屏渲染

尽管离屏渲染开销很大，但是当我们无法避免它的时候，可以想办法把性能影响降到最低。优化思路也很简单：既然已经花了不少精力把图片裁出了圆角，如果我能把结果缓存下来，那么下一帧渲染就可以复用这个成果，不需要再重新画一遍了。

CALayer为这个方案提供了对应的解法：shouldRasterize。一旦被设置为true，Render Server就会强制把layer的渲染结果（包括其子layer，以及圆角、阴影、group opacity等等）保存在一块内存中，这样一来在下一帧仍然可以被复用，而不会再次触发离屏渲染。有几个需要注意的点：

shouldRasterize的主旨在于降低性能损失，但总是至少会触发一次离屏渲染。如果你的layer本来并不复杂，也没有圆角阴影等等，打开这个开关反而会增加一次不必要的离屏渲染
离屏渲染缓存有空间上限，最多不超过屏幕总像素的2.5倍大小
一旦缓存超过100ms没有被使用，会自动被丢弃
AsyncDisplayKit(Texture)作为主要渲染框架，对于文字和图片的异步渲染操作交由框架来处理。、
对于图片的圆角，统一采用“precomposite”的策略，也就是不经由容器来做剪切，而是预先使用CoreGraphics为图片裁剪圆角
对于视频的圆角，由于实时剪切非常消耗性能，我们会创建四个白色弧形的layer盖住四个角，从视觉上制造圆角的效果
对于view的圆形边框，如果没有backgroundColor，可以放心使用cornerRadius来做
对于所有的阴影，使用shadowPath来规避离屏渲染
对于特殊形状的view，使用layer mask并打开shouldRasterize来对渲染结果进行缓存
对于模糊效果，不采用系统提供的UIVisualEffect，而是另外实现模糊效果（CIGaussianBlur），并手动管理渲染结果

总结

离屏渲染牵涉了很多Core Animation、GPU和图形学等等方面的知识，在实践中也非常考验一个工程师排查问题的基本功、经验和判断能力——如果在不恰当的时候打开了shouldRasterize，只会弄巧成拙。

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