iOS绘制与渲染--渲染流程

视图渲染框架

UIKit是常用的框架，显示、动画都通过CoreAnimation。CoreAnimation是核心动画，依赖于OpenGL ES做GPU渲染，CoreGraphics做CPU渲染；最底层的GraphicsHardWare是图形硬件。

下图是另外一种表现的形式。在屏幕上显示视图，需要CPU和GPU一起协作。一部数据通过CoreGraphics、CoreImage由CPU预处理。最终通过OpenGL ES将数据传送到 GPU，最终显示到屏幕。
CoreImage支持CPU、GPU两种处理模式。

显示逻辑

1、CoreAnimation提交会话，包括自己和子树（view hierarchy）的layout状态等；
2、RenderServer解析提交的子树状态，生成绘制指令；
3、GPU执行绘制指令；
4、显示渲染后的数据；

提交流程（以动画为例）

第2步为prepare to commit animation (layoutSubviews,drawRect:)；

1、布局（Layout）

调用layoutSubviews方法；调用addSubview:方法；

会造成CPU和I/O瓶颈；

2、显示（Display）

通过drawRect绘制视图；绘制string（字符串）；

会造成CPU和内存瓶颈；每个UIView都有CALayer，同时图层有一个像素存储空间，存放视图；调用-setNeedsDisplay的时候，仅会设置图层为dirty。当渲染系统准备就绪，调用视图的-display方法，同时装配像素存储空间，建立一个CoreGraphics上下文（CGContextRef），将上下文push进上下文堆栈，绘图程序进入对应的内存存储空间。

UIBezierPath *path = [UIBezierPath bezierPath];
[path moveToPoint:CGPointMake(10, 10)];
[path addLineToPoint:CGPointMake(20, 20)];
[path closePath];
path.lineWidth = 1;
[[UIColor redColor] setStroke];
[path stroke];

在-drawRect方法中实现如上代码，UIKit会将自动生成的CGContextRef 放入上下文堆栈。当绘制完成后，视图的像素会被渲染到屏幕上；当下次再次调用视图的-setNeedsDisplay，将会再次调用-drawRect方法。

3、准备提交（Prepare）

解码图片；图片格式转换；

GPU不支持的某些图片格式，尽量使用GPU能支持的图片格式；

4、提交（Commit）

打包layers并发送到渲染server；递归提交子树的layers；

如果子树太复杂，会消耗很大，对性能造成影响；
尽可能简化viewTree；

当显示一个UIImageView时，Core Animation会创建一个OpenGL ES纹理，并确保在这个图层中的位图被上传到对应的纹理中。当你重写-drawInContext
方法时，Core Animation会请求分配一个纹理，同时确保Core Graphics会将你在-drawInContext
中绘制的东西放入到纹理的位图数据中。

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渲染总流程

CPU与GPU协作 同步时钟触发重绘 掉帧卡顿问题

在 VSync 信号到来后，系统图形服务会通过 CADisplayLink 等机制通知 App，App 主线程开始在 CPU 中计算显示内容，比如视图的创建、布局计算、图片解码、文本绘制等。随后 CPU 会将计算好的内容提交到 GPU 去，由 GPU 进行变换、合成、渲染。随后 GPU 会把渲染结果提交到帧缓冲区去，等待下一次 VSync 信号到来时显示到屏幕上。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。

渲染时机

上面已经提到过：Core Animation 在 RunLoop 中注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting(即将进入休眠) 和 Exit (即将退出Loop) 事件 。当在操作 UI 时，比如改变了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的层次时，或者手动调用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法后，这个 UIView/CALayer 就被标记为待处理，并被提交到一个全局的容器去。当Oberver监听的事件到来时，回调执行函数中会遍历所有待处理的UIView/CAlayer 以执行实际的绘制和调整，并更新 UI 界面。

这个函数内部的调用栈大概是这样的：

_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()
    QuartzCore:CA::Transaction::observer_callback:
        CA::Transaction::commit();
            CA::Context::commit_transaction();
                CA::Layer::layout_and_display_if_needed();
                    CA::Layer::layout_if_needed();
                          [CALayer layoutSublayers];
                          [UIView layoutSubviews];
                    CA::Layer::display_if_needed();
                          [CALayer display];
                          [UIView drawRect];

渲染具体步骤

动画和屏幕上组合的图层实际上被一个单独的进程管理，即所谓的渲染服务。
当运行一段动画时，这个过程会被四个分离的阶段打破：

1. 布局--准备视图的层级关系，设置图层属性
2. 显示--图层的寄宿图片被绘制的阶段。涉及到-drawRect和-drawLayer:inContext：等方法
3. 准备--准备发送动画数据给渲染服务的阶段。比如图片解码
4. 提交--打包所有图层和动画属性，通过IPC发送到渲染服务

渲染服务拿到数据后，反序列化成一个叫做渲染树的图层树，使用这个树状结构，渲染服务队动画的每一帧做如下工作：

5. 对所有的图层属性计算中间值，设置OpenGL几何形状（纹理化三角形）来执行渲染
6. 在屏幕上渲染可见的三角形

所以一共六个阶段：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，你真正只能控制前两个阶段：布局和显示。剩下的在CoreAnimation内部处理。

CADisplayLink简介

当你设置一个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。

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。

参考文章

iOS开发-视图渲染与性能优化
iOS 事件处理机制与图像渲染过程