iOS Core Animation基础详解

作者: 明若晴空 | 来源:发表于2018-12-20 20:22 被阅读19次

一、关于Core Animation

Core Animation是一个可用以iOS和OSX上的图形渲染与动画的基础结构，可以用于APP的视图或者其他视觉元素的动画。绘制每帧动画的大部分工作都是由Core Animation完成的。我们所要做的就是配置一系列的动画参数（如起点、终点），并通知 Core Animation启动动画。然后，Core Animation会完成剩余工作，把大部分实际的绘制工作交由硬件来加速渲染。这种加速，可以在不给CPU加重负担和降低APP运行速度的情况下，带来高帧率和平滑的动画效果。

只要编写iOS程序，就都会用到Core Animation。如下图所示，Core Animation位于APPKit和 UIKit之下，并集成到Cocoa和Cocoa Touch的视图工作流中。当然，Core Animation也有扩展视图的功能，并且允许我们对动画控制的更强。

Core-Animation所处框架.png

我们不需要直接使用Core Animation，但是我们也应该理解Core Animation在app的基础结构中扮演什么样的角色。

1、Core Animation管理app的内容

Core Animation不是绘制系统，而是一种基础结构，可以在硬件中组合或操作应用内容。这个基础结构的核心是layer图层对象，用于管理和操作内容。
图层将内容捕获到bitmap图中，以便可以被图形硬件操作。大多数app中，图层可用于管理视图，也可以根据需要创建独立的图层。

2、图层修改触发动画

大多数使用Core Animation创建的动画，都涉及到图层属性的修改。和视图一样，layer对象也有bounds区域，屏幕上的位置，不透明度，转换，和其他许多面向视觉的可以修改的属性。
对大多数属性来说，更改属性的值，会通过图层从旧值到新值得动画来触发隐式动画的创建，如果我们想更好控制生成的动画，我们也可以显式的动画这些属性。

3、图层的层级结构

图层通过层级部署来管理父子关系。像视图内容一样，图层的部署会影响其可见的视图内容。视图对应的一组图层的层级结构，反映了相应的视图的层级结构。我们也可以增加独立的图层到层级体系中，以扩展除视图以外的内容。

4、Action可以让我们改变图层的默认行为

隐式图层动画是使用Action对象来实现的，这些Action对象是实现预定义接口的通用对象。Core Animation使用action对象实现和图层相关的默认动画行为。我们也可以通过创建action对象来实现自定义动画行为。
我们可以分配action对象给图层的属性，当属性改变时，Core Animation会找到action对象，并执行这个action。

二、Core Animation基础

Core Animation提供了一个通用系统，用于动画视图和其他可见元素。Core Animation不是视图的替代品，而是集成视图一起来提供更好的性能并支持动画内容的技术。它通过把视图内容缓存为bitmap来实现，bitmap是图形硬件直接控制的。大多数时候我们只管使用Core Animation，不需要知道有它的存在。除了缓存视图内容，Core Animation也定义了一种将任意可见内容内容与view集成并动画的方法。

我们使用Core Animation来动画视图和其他可视内容的变化。大多数变化和可视对象的属性更改有关。举个例子，我们可以使用Core Animation来动画视图的位置，尺寸，不透明度等变化。当我们做了这个变化时，Core Animation会在属性的当前值和新值之间动画。通常，我们不会每秒60次的使用Core Animation来替换视图的内容，如卡通中。而是我们使用Core Animation来在屏幕中移动视图的内容，淡入淡出这些内容，对内容应用各种图形变换，或者改变视图的其他可见属性。

1、图层提供绘制和动画的基础

图层对象，是在三维空间中组织的2D表面，是核心动画所做的一切的核心。和视图一样，图层管理几何形状，内容，表面各种可见属性的信息。而和视图不一样的是，图层不一定义自己的外观。图层仅管理bitmap周围的状态信息。bitmap是视图绘制自己本身，或者固定图片的结果。因为这个原因，APP中的主图层被认为是一个模型对象，因为它主要管理数据。这个概念很重要，因为它影响着动画行为。

2、基于图层的绘制模型

大多数图层不会进行实际绘制。而是，图层捕获APP提供的内容，并将其缓存在bitmap中，有时候这一过程被称为backing store（存储备份）。接着，当你改变图层的属性时，你正在做的就是更改和图层相关的状态信息。当改变触发了动画时，Core Animation将图层的bitmap和状态信息传递给图形硬件，图形硬件使用新的信息完成bitmap的渲染工作。正如下图所示。

Core-Animation如何绘制内容.png

硬件控制bitmap比在软件中做这些工作更快。因为硬件控制的是一个静态的bitmap，所以基于层的绘制和更传统的基于视图的绘制技术相比，有很大不同。对于基于视图的绘制，视图本身的变化常常会引发对视图的drawRect: 方法的调用，来使用新的参数重新绘制内容。但是因为是这种绘制方式是在主线程上使用CPU完成的，因此代价高昂。Core Animation通过操作硬件转换缓存的bitmap来达到了相同或相似的效果，而尽可能的避免了这种开销。
尽管Core Animation尽可能多的使用缓存内容，但是APP仍然必须提供初始内容，并且不时地更新。而APP提供内容的图层对象的几种方式，详见https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/CoreAnimation_guide/SettingUpLayerObjects/SettingUpLayerObjects.html#//apple_ref/doc/uid/TP40004514-CH13-SW4

3、基于图层的动画

图层对象的数据和状态信息，是和该层在屏幕上的可视表示分离的。这种分离为Core Animation提供了一种插入自身并将从旧值到新值的变化动画的方式。举个例子，改变图层的位置属性，会使Core Animation将图层从当前位置移动到指定的新位置。其他属性的相似改变，也会引起适当的动画。下图表明了我们可以在图层上执行的动画类型。对于可以引发动画的图层属性列表，可以参见动画属性https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/CoreAnimation_guide/AnimatableProperties/AnimatableProperties.html#//apple_ref/doc/uid/TP40004514-CH11-SW1

可以在图层上执行的动画类型.png

在动画的过程中，Core Animation在硬件中为我们完成了所有的逐帧绘制。我们所要做的就是指定动画的起始点，和结束点，然后Core Animation完成剩下的工作。我们也可以按需指定自定义的时间信息和动画参数。如果我们指定的话，Core Animation会我们提供合适的默认值。

4、图层对象定义自己的几何形状

图层的工作之一就是，管理其内容的可视几何形状。可视几何形状包含了关于内容的边界、屏幕上的位置的信息，以及图层是否以某种方式旋转、缩放、转换。和view一样，图层也有frame和bounds，我们可以用来部署图层和其内容的位置。图层也有一些view所没有的其他属性，如定义操作发生位置的锚点。指定图层几何形状的某些方面的方式和指定view的这些信息的方式是不同的。

5、图层使用两种类型的坐标系统

图层使用基于点的坐标系统和单位坐标系统来指定内容的放置。使用哪种坐标系统取决于传输的信息类型。当指定直接映射到屏幕坐标的点，或者指定和另一个图层的相关的点时，使用基于点的坐标系统，如图层的position属性。当值不应该和屏幕坐标绑定时，使用单位坐标系统，因为它是相对于其他值的。比如，图层的anchorPoint属性指定和图层的bounds相关的点，它是会改变的。

通常使用基于点的坐标系统，是使用图层的bounds和position属性来指定图层的尺寸和位置，bounds定义了图层自己的坐标系统，并包含了图层在屏幕上的尺寸。position属性定义了，在其父视图的坐标系统中图层的位置。尽管图层还有个frame属性，但是这个属性通常是由bounds和position属性得来的，因此很少使用frame属性。

图层的bounds和frame的rect方向总是和底层平台的默认方向相匹配的。下图展示了再iOS和OSX系统上的bounds的默认方向。在iOS中，bounds的原点默认是图层的左上角，OSX中则默认是左下角。如果我们想在iOS和OSX两种系统上共享APP版本，那么我们必须考虑到这点不同。

iOS和OSX中默认的图层方向.png

上图中，值得注意的是，position属性定位在图层正中间。这个属性是根据图层的anchorPoint属性值的改变来定义的几个属性之一。锚点表示某一坐标的起点，详细信息请见https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/CoreAnimation_guide/CoreAnimationBasics/CoreAnimationBasics.html#//apple_ref/doc/uid/TP40004514-CH2-SW17

锚点使用单位坐标系统的几个属性之一。 Core Animation使用单位坐标系统，来表示当图层的尺寸改变时，可能改变的值的属性。我们可以把单位坐标系统看成总值的百分比。在单位坐标空间中，每个坐标都在（0.0，1.0）的范围。举个例子，沿着x轴，左边缘在0.0左标上，右边缘在1.0左标上。沿着y轴，单位坐标的方向取决于平台。如下图所示，

iOS和OSX系统上的默认单位坐标系统.png

不管是点坐标系统还是单位坐标系统，所有的坐标值都是浮点数。浮点数可以指定位于正常坐标值之间的精确位置。浮点数也比较方便，尤其是在打印或者绘制到retina显示器上时，因为retina显示器上的点事通过多个像素来表示的。浮点值可以允许我们忽略底层设备的分倍率，只需要指定我们需要的准确值即可。

6、锚点影响几何操作

图层的几何相关操作和图层的锚点相关，可以使用anchorPoint属性访问锚点。当操作图层的position和transform属性时，要特别注意锚点的影响。position属性总是和图层的锚点属性相关，我们用到图层上的任何变换，也都和锚点相关。

下图阐述了锚点从默认值到另一个值的改变如何影响了图层的position属性。尽管图层在它的父层bounds内没有移动，但是锚点从图层的中心点移动到了图层的bounds原点，因此改变了position属性的值。

锚点如何影响图层的position属性.png

锚点如何影响图层上的变换.png

当我们对图层进行旋转变换时，旋转是绕着锚点发生的。因为锚点默认是图层中心点，所以通常这就创建我们所期望的旋转方式。但是，如果我们改变了锚点的位置，那么旋转的结果也就不同了。

7、图层可以在三个维度被操作

每个图层都有两种矩阵变换可以用来控制图层及其内容。CALayer的transform属性，可以指定我们想在图层及其嵌套的子层上使用的变换方式。通常当我们想修改图层时，会使用这个属性。举个列子，我们可以使用这个属性来缩放，或者旋转图层，再或者暂时更改图层的position。 sublayerTransform属性定义了仅对子层使用的变换，通常用来给场景内容增加透视效果。

变换就是给坐标值乘以一个数字矩阵来获取一个新的坐标值，这个新的坐标值就是原来的点坐标变换以后的结果。因为Core Animation值可以在三个维度指定，所以每个坐标都有四个值，必须乘以一个4*4的矩阵，如下图所示。Core Animation中，图中的变换通过 CATransform3D类型来表示。幸运的是，我们不必直接修改这个结构的字段来执行标准变换。Core Animation提供了一套综合的函数来创建缩放、变换、旋转矩阵，以及进行矩阵比较。除了操作矩阵的函数外，Core Animation还扩展了键值编码来使用key path修改变换。可修改的key paths列表见https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/CoreAnimation_guide/Key-ValueCodingExtensions/Key-ValueCodingExtensions.html#//apple_ref/doc/uid/TP40004514-CH12-SW1

使用矩阵转换坐标.png

图8展示了我们常见的矩阵变换的配置。给任意坐标乘以单位矩阵的变换返回相同的坐标；对于其他的变换，坐标如何被更改完全取决于你更改了哪些矩阵组件。比如说，如果我们只向沿x轴变换，那就给变换矩阵的tx设为非0值，而ty和tz设为0。而对于旋转，我们只要提供合适的目标旋转角度的正弦和余弦值。

常用变换的矩阵配置.png

8、图层树反映了动画状态的不同方面

使用Core Animation的APP有三组图层对象。应用在屏幕上出现的内容，每组图层对象都扮演着不同的角色：

模型图层树（简称图层树）中的对象是应用程序交互最多的图层。这个树中的对象是存储动画目标值的模型对象。不管什么时候改变图层的属性，我们都会用到这种对象。
在表示树中的对象包含了任何正在运行动画的正在运行值。图层树对象包含动画的目标值，而表示树对象反映当前出现在屏幕上的显示值。这个树上对象是不能修改的。而是使用这些对象获取当前动画值，或者从这些值开始创建一个新的动画。
呈现树中的对象执行实际的动画，是Core Animation私有的。
和视图一样，每组图层对象被组成一个层级结构。实际上，对于iOS应用程序来说（启用所有视图的图层的应用程序，有些会禁用视图的图层，但是iOS是所有的视图都是层支持的），每组树的初始结构和视图的层级结构是完全匹配的。但是，应用程序可以按照需要添加附加的层对象到图层的层级结构中，也就是说，层不和视图关联。我们可以在不要求视图的内容的情况下，这样做以优化APP的性能。下图展示了一个简单的iOS APP中的图层分解。例子中的window包含一个content view，而这个view本身又包含一个button视图和两个独立的图层对象。每个view都有一个相应的层对象，这些层对象形成了图层的层级体系。

和window相关的图层.png

对于图层树中的每个对象，在表示树和呈现树上都有相匹配的对象，就像下图所示。正如前面所提到的，APP主要是和图层树中的对象打交道，但是也会不时的访问表示树中的对象。尤其是，访问图层树中对象的presentationLayer属性，会返回在表示树中相应的对象。你可以通过访问这个对象来获取动画中的一个属性的当前值。

window的几组图层树.png

注意：
只有在动画正在运行时，我们可以访问表示树中的对象。当动画正在运行过程中时，表示树会包含那一刻出现在屏幕上的图层值。这点和图层树不同，图层树中一直存储着我们代码中设置的动画最终目标值。

9、图层和视图的关系

首先图层不是视图的替代物。也就是说，我们不能单独的基于图层对象创建一个可视接口。图层为视图提供基础设施。尤其是，图层更加容易和高效地绘制和动画视图内容，并且这样做的同时还保持这高帧率。但是，图层也有很多不能做的事情。图层不能处理事件响应、绘制内容等等。由于这个原因，APP仍然必须有一个或多个view来处理各种交互。

iOS中，每个视图都在相应的层对象支持。层确实会稍微增加应用的内存开销，但是利大于弊，因此最好在禁用图层的支持之前，测一下应用的性能。

除了和view相关联的层外，我们还可以创建没有对应view的层对象。我们可以把这些独立的层对象嵌入到其他层中，包括和view关联的层。通常我们使用单独的层对象作为指定优化路径。比如说，我们想在多个地方使用同一张图片。我们可以只加载图片一次，然后把它和多个层对象关联起来，并添加这些对象到层树中。每个层就会引用到源图片，而不是在内存中创建图片的副本。