引用

离屏渲染

参考：

Drawing to Other Rendering Destinations

概述

OpenGL ES是一套多功能开放标准的用于嵌入系统的C-based的图形库，用于2D和3D数据的可视化。OpenGL被设计用来转换一组图形调用功能到底层图形硬件（GPU），由GPU执行图形命令，用来实现复杂的图形操作和运算，从而能够高性能、高帧率利用GPU提供的2D和3D绘制能力。iOS系统默认支持OpenGl ES1.0、ES2.0以及ES3.0 3个版本，三者之间并不是简单的版本升级，设计理念甚至完全不同。GPU屏幕渲染方式中有一种方式为离屏渲染，处理不好离屏渲染往往会对APP的性能产生较大的影响。

当前屏幕渲染与离屏渲染

OpenGL 中, GPU 渲染有两种方式:

• On-Screen Rendering -- 指的是GPU的渲染操作是在当前用于显示的屏幕缓冲区进行.
• Off-Screen Rendering -- 指的是GPU另外开辟一个缓冲区进行渲染操作.

当前屏幕渲染不需要额外的创建新的缓存, 并且不需要开启新的上下文, 相对于离屏渲染性能更好. 但是, 受当前屏幕渲染的局限因素限制, 在有些情况下解决不了的, 需要使用到离屏渲染.

相比于当前屏幕渲染, 使用离屏渲染的代价是很高的, 主要体现在两个方面:

1. 需要创建新的缓冲区.
   要想进行离屏渲染, 首先要创建一个新的缓冲区.
2. 上下文切换
   离屏渲染的整个过程, 需要多次切换上下文环境: 显示从On-Screen切换到Off-Screen, 等到渲染结束以后, 需要切回上下文, 将离屏缓冲区的渲染结果显示到屏幕上. 上下文环境的切换要付出很大的代价.

特殊的离屏渲染 : CPU渲染

如果我们重写 drawRect 方法, 并且使用任何 Core Graphics的技术进行绘制操作, 就涉及到了 CPU 渲染. 整个渲染过程由CPU在App内同步完成, 渲染得到的bitmap最后再交由GPU用于显示.

Designing for iOS: Graphics & Performance这篇文章也提到了使用 Core Graphics API 会触发离屏渲染。 苹果 iOS 4.1-8 时期的 UIKit 组成员Andy Matuschak也曾对这个说法进行解释：Core Graphics 的绘制 API 的确会触发离屏渲染，但不是那种 GPU 的离屏渲染。使用 Core Graphics 绘制 API 是在 CPU 上执行，触发的是 CPU 版本的离屏渲染。

为什么要离屏渲染

大家高中物理应该学过显示器是如何显示图像的：需要显示的图像经过CRT电子枪以极快的速度一行一行的扫描，扫描出来就呈现了一帧画面，随后电子枪又会回到初始位置循环扫描，形成了我们看到的图片或视频。
为了让显示器的显示跟视频控制器同步，当电子枪新扫描一行的时候，准备扫描的时发送一个水平同步信号(HSync信号)，显示器的刷新频率就是HSync信号产生的频率。然后CPU计算好frame等属性，将计算好的内容交给GPU去渲染，GPU渲染好之后就会放入帧缓冲区。然后视频控制器会按照HSync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，就显示出来了。具体的大家自行查找资料或询问相关专业人士，这里只参考网上资料做一个简单的描述。
离屏渲染的代价很高，想要进行离屏渲染，首选要创建一个新的缓冲区，屏幕渲染会有一个上下文环境的一个概念，离屏渲染的整个过程需要切换上下文环境，先从当前屏幕切换到离屏，等结束后，又要将上下文环境切换回来。这也是为什么会消耗性能的原因了。
由于垂直同步的机制，如果在一个 HSync 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。

既然离屏渲染这么耗性能,为什么有这套机制呢?

有些效果被认为不能直接呈现于屏幕，而需要在别的地方做额外的处理预合成。图层属性的混合体没有预合成之前不能直接在屏幕中绘制，所以就需要屏幕外渲染。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）。

下面的情况或操作会引发离屏渲染：

• 为图层设置遮罩（layer.mask）
• 将图层的layer.masksToBounds / view.clipsToBounds属性设置为true
• 将图层layer.allowsGroupOpacity属性设置为YES和layer.opacity小于1.0
• 为图层设置阴影（layer.shadow *）
• 为图层设置layer.shouldRasterize=true
• 具有layer.cornerRadius，layer.edgeAntialiasingMask，layer.allowsEdgeAntialiasing的图层
• 文本（任何种类，包括UILabel，CATextLayer，Core Text等）
• 使用CGContext在drawRect :方法中绘制大部分情况下会导致离屏渲染，甚至仅仅只是一个空的实现

优化方案

官方对离屏渲染产生性能问题也进行了优化：

iOS 9.0 之前UIimageView跟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。

圆角优化

在APP开发中，圆角图片还是经常出现的。如果一个界面中只有少量圆角图片或许对性能没有非常大的影响，但是当圆角图片比较多的时候就会APP性能产生明显的影响。

我们设置圆角一般通过如下方式：

imageView.layer.cornerRadius = 8;
imageView.layer.masksToBounds = YES;

这样处理的渲染机制是GPU在当前屏幕缓冲区外新开辟一个渲染缓冲区进行工作，也就是离屏渲染，这会给我们带来额外的性能损耗，如果这样的圆角操作达到一定数量，会触发缓冲区的频繁合并和上下文的的频繁切换，性能的代价会宏观地表现在用户体验上——掉帧。

优化方案1：使用贝塞尔曲线UIBezierPath和Core Graphics框架画出一个圆角

// 开始对imageView进行画图
UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(imageView.bounds.size, NO, 1.0);

// 使用贝塞尔曲线画出一个圆形图
[[UIBezierPath bezierPathWithRoundedRect:imageView.bounds
cornerRadius:imageView.frame.size.width] addClip];

[imageView drawRect:imageView.bounds];

imageView.image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();

// 结束画图
UIGraphicsEndImageContext();

[self.view addSubview:imageView];

优化方案2：使用CAShapeLayer和UIBezierPath设置圆角

UIBezierPath *maskPath = [UIBezierPath bezierPathWithRoundedRect:imageView.bounds byRoundingCorners:UIRectCornerAllCorners cornerRadii:imageView.bounds.size];
CAShapeLayer *maskLayer = [CAShapeLayer layer]; 
// 设置大小 
maskLayer.frame = imageView.bounds; 
// 设置图形样子 
maskLayer.path = maskPath.CGPath;
imageView.layer.mask = maskLayer; 
[self.view addSubview:imageView];

CAShapeLayer动画渲染直接提交到手机的GPU当中，相较于第一种view的drawRect方法使用CPU渲染而言，其效率极高，能大大优化内存使用情况。

总的来说就是用CAShapeLayer的内存消耗少，渲染速度快，建议使用优化方案2。

Shadow优化

对于shadow，如果图层是个简单的几何图形或者圆角图形，我们可以通过设置shadowPath来优化性能，能大幅提高性能。示例如下

    self.view.layer.shadowOffset = CGSizeMake(-1, 0);
    self.view.layer.shadowColor = [UIColor colorWithWhite:0 alpha:0.2].CGColor;
    self.view.layer.shadowRadius = 1;
    self.view.layer.shadowOpacity = 1;
    // 优化
    self.view.layer.shadowPath = [UIBezierPath bezierPathWithRect:self.view.bounds].CGPath;

我们还可以通过设置shouldRasterize属性值为YES来强制开启离屏渲染。其实就是光栅化（Rasterization）。既然离屏渲染这么不好，为什么我们还要强制开启呢？当一个图像混合了多个图层，每次移动时，每一帧都要重新合成这些图层，十分消耗性能。当我们开启光栅化后，会在首次产生一个位图缓存，当再次使用时候就会复用这个缓存。但是如果图层发生改变的时候就会重新产生位图缓存。所以这个功能一般不能用于UITableViewCell中，cell的复用反而降低了性能。最好用于图层较多的静态内容的图形。而且产生的位图缓存的大小是有限制的，一般是2.5个屏幕尺寸。在100ms之内不使用这个缓存，缓存也会被删除。所以我们要根据使用场景而定。

其他的一些优化建议

• 当我们需要圆角效果时，可以使用一张中间透明图片蒙上去
• 使用ShadowPath指定layer阴影效果路径
• 使用异步进行layer渲染（Facebook开源的异步绘制框架AsyncDisplayKit）
• 设置layer的opaque值为YES，减少复杂图层合成
• 尽量使用不包含透明（alpha）通道的图片资源
• 尽量设置layer的大小值为整形值
• 直接让美工把图片切成圆角进行显示，这是效率最高的一种方案
• 很多情况下用户上传图片进行显示，可以让服务端处理圆角
• 使用代码手动生成圆角Image设置到要显示的View上，利用UIBezierPath（CoreGraphics框架）画出来圆角图片

Core Animation工具检测离屏渲染

Core Animation工具用于监测Core Animation性能，并且提供了可见的FPS值及以下几个选项来测量渲染性能.

• Color Blended Layers：这个选项如果勾选，你能看到哪个layer是透明的，GPU正在做混合计算。显示红色的就是透明的，绿色就是不透明的。
• Color Hits Green and Misses Red：如果勾选这个选项，且当我们代码中有设置shouldRasterize为YES，那么红色代表没有复用离屏渲染的缓存，绿色则表示复用了缓存。我们当然希望能够复用。
• Color Copied Images：按照官方的说法，当图片的颜色格式GPU不支持的时候，Core Animation会拷贝一份数据让CPU进行转化。例如从网络上下载了TIFF格式的图片，则需要CPU进行转化，这个区域会显示成蓝色。还有一种情况会触发Core Animation的copy方法，就是字节不对齐的时候。
• Color Immediately：默认情况下Core Animation工具以每毫秒10次的频率更新图层调试颜色，如果勾选这个选项则移除10ms的延迟。对某些情况需要这样，但是有可能影响正常帧数的测试。
• Color Misaligned Images：勾选此项，如果图片需要缩放则标记为黄色，如果没有像素对齐则标记为紫色。像素对齐我们已经在上面有所介绍。
• Color Offscreen-Rendered Yellow：用来检测离屏渲染的，如果显示黄色，表示有离屏渲染。当然还要结合Color Hits Green and Misses Red来看，是否复用了缓存。
• Color OpenGL Fast Path Blue：这个选项对那些使用OpenGL的图层才有用，像是GLKView或者 CAEAGLLayer，如果不显示蓝色则表示使用了CPU渲染，绘制在了屏幕外，显示蓝色表示正常。
• Flash Updated Regions：当对图层重绘的时候会显示黄色，如果频繁发生则会影响性能。可以用增加缓存来增强性能。