关于离屏渲染

关于离屏渲染，面试中经常发现面试者知道因为圆角、阴影等造成，但是什么是离屏渲染，为什么产生，会有什么影响，其实，都不是非常了解，这里我们通过文章底部的两篇参考文章，把这几个点简单梳理一下，让我自己能从自己的角度去按顺序理解离屏渲染，也让大家有个明确的理解，可以先去看看原文。

一、什么是离屏渲染

先聊聊常规渲染是什么样的

我们先来看看常规渲染和离屏渲染的流程，如下图：

常规的渲染流程 离屏渲染的流程

如上图，GPU 屏幕渲染有两种方式：

• 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。
• 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。

常规渲染流程中的GPU 渲染机制为：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。

再说说离屏渲染是什么

我们可以看到上图中有一个离屏缓冲区，离屏渲染主要有这些用处：
1、为了能够直接复用一些常用的图层数据，将其缓存在离屏缓存中。
2、为了将一些常规渲染流程无法完成的特殊效果如圆角、阴影和遮罩、高斯模糊、半透明图层混合等正常的渲染流程采用油画算法由远及近的渲染图层进行处理并缓存，当该图层显示到屏幕上后，帧缓冲区再来删除这一图层的数据，过程参照下图：

示例图片
常规渲染流程将这张图显示到屏幕上可以分为两步：
1、先绘制黄色背景图层，显示到屏幕上后，删除帧缓冲区中黄色图层的数据。
2、再渲染蓝色图层，显示蓝色图层到屏幕后，删除帧缓冲区中蓝色图层数据。

但是如果给图层设置了特殊效果则有可能需要触发离屏渲染，以圆角为例，此时是不走常规渲染的，为什么，如下图所示：

要求效果
我们想要是如右图所示的效果，设置圆角后包括子视图也进行圆角裁剪。
但是按照正常流程显示完黄色图层后，在渲染蓝色图层进行圆角设置时（超出时按圆角裁剪，未超出则不需要裁剪），已经找不到黄色图层的数据。因此，需要增加离屏缓冲区，将后续要用到的图层数据先缓存起来，在后续用到时进行渲染显示。
当使用圆角，阴影，遮罩的时候，图层属性的混合体被指定为在未预合成之前（下一个 VSync 信号开始前）不能直接在屏幕中绘制，所以就需要屏幕外渲染被唤起。屏幕外渲染并不意味着软件绘制，但是它意味着图层必须在被显示之前在一个屏幕外上下文中被渲染（不论 CPU 还是 GPU）。

以上，就解答了第一个问题，什么是离屏渲染。

二、离屏渲染会产生什么问题

1、如上图所示相比于正常的渲染流程，离屏渲染需要额外创建一个离屏缓冲区，需要 多耗费一些空间；
2、触发离屏渲染后，需要先从 Frame Buffer 切换到 Off-Screen Buffer ，渲染完毕后再切换回 Frame Buffer，这一过程需是比较 耗费性能 的，因为要来回切换上下文；
3、数据由 Off-Screen Buffer 取出，再存入 Frame Buffer 也需要 耗费时间 ，这样增加了 掉帧 的可能性；由于垂直同步的机制，如果在一个 VSync 时间内，CPU 或者 GPU 没有完成内容提交，则那一帧就会被丢弃，等待下一次机会再显示，而这时显示屏会保留之前的内容不变。这就是界面卡顿的原因。
4、 离屏缓冲区存在 空间限制 ，即屏幕像素的 2.5倍，当大于这一值时便不会触发离屏渲染。（有待扩展相关知识面，当需要离屏渲染时又超出离屏渲染的空间限制后，对应超出部分会产生什么问题？）

三、如何手动触发离屏渲染及离屏渲染使用建议

如上文所述，实现一些特殊效果例如圆角、阴影和遮罩、抗锯齿、高斯模糊、半透明图层混合等会触发离屏渲染。

重点说说光栅化，当设置view.layer.shouldRasterize 为 true时，也会触发离屏渲染。
光栅化概念：将图转化为一个个栅格组成的图象。光栅化特点：每个元素对应帧缓冲区中的一像素。shouldRasterize = YES 在其他属性触发离屏渲染的同时，会将光栅化后的内容缓存起来，如果对应的 layer 及其 sublayers 没有发生改变，在下一帧的时候可以直接复用。shouldRasterize = YES 这将隐式的创建一个位图，各种阴影遮罩等效果也会保存到位图中并缓存起来，从而减少渲染的频度。相当于光栅化是把 GPU的操作转到 CPU 上了，生成位图缓存，直接读取复用。
当你使用光栅化时，你可以开启 Color Hits Green and Misses Red 来检查该场景下光栅化操作是否是一个好的选择。绿色表示缓存被复用，红色表示缓存在被重复创建。如果光栅化的层变红得太频繁那么光栅化对优化可能没有多少用处。位图缓存从内存中删除又重新创建得太过频繁，红色表明缓存重建得太迟。可以针对性的选择某个较小而较深的层结构进行光栅化，来尝试减少渲染时间。对于经常变动的内容，这个时候不要开启，否则会造成性能的浪费。例如经常打交道的 TableViewCell，因为 TableViewCell 的重绘是很频繁的（因为 Cell 的复用），如果 Cell 的内容不断变化，则 Cell 需要不断重绘，如果此时设置了 cell.layer 可光栅化，则会造成大量的离屏渲染，降低图形性能。

因此对于是否开启 shouldRasterize 有以下建议：

• 如果缓存的图像在之后用不到或很少用到（ 100ms内用不到 ），则不需要开启shouldRasterize
• 如果缓存的图像会经常发生变动，比如本身处于动画中，或者像tabeleView的cell的上图片可能经常改变，则不要开启shouldRasterize
• 缓存的图像过大，超过屏幕像素的 2.5 倍，不会触发离屏渲染，所以开启shouldRasterize也没有效果.

四、总结

1、iOS图形渲染流程分为 正常渲染流程 和 离屏渲染流程 ；
2、离屏渲染是在帧缓冲区之外开辟了一个临时的缓冲区，用于保存一些暂时没有用到的数据，之后会从离屏缓冲区取出，渲染后再放入帧缓冲区；
3、离屏渲染会有一定的性能问题，但是我们依然会有使用到的地方；
4、离屏缓冲区最大为 屏幕像素的2.5倍 ，超出不会触发离屏渲染；
5、设置圆角不一定会触发离屏渲染，但是如果有 多个图层 ，则会触发离屏渲染。

五、调试

Instruments 监测离屏渲染：

• 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，这就意味着黄色图层可能存在性能问题。
• Color Hits Green and Misses Red，如果 shouldRasterize 被设置成 YES，对应的渲染结果会被缓存，如果图层是绿色，就表示这些缓存被复用；如果是红色就表示缓存会被重复创建，这就表示该处存在性能问题了。

六、优化记录

iOS 版本上的优化：

• iOS 9.0之前 UIimageView、UIButton 设置圆角都会触发离屏渲染。
• iOS 9.0 之后 UIButton 设置圆角会触发离屏渲染，而 UIImageView 里 png 图片设置圆角不会触发离屏渲染了，如果设置其他阴影效果之类的还是会触发离屏渲染的。

原创参考文章：
面试题型—iOS离屏渲染探索
iOS面试题：聊一聊iOS 中的离屏渲染？