笔记-iOS渲染框架
006.jpg
UIKit
UIKit是iOS开发最常用的框架，可以通过设置UIKit组件的布局以及相关属性来绘制界面。
事实上，UIKit自身并不具备在屏幕成像的能力，其主要负责对用户操作事件的响应（UIView继承自UIResponder），事件响应的传递大体是经过逐层的视图树遍历实现的。
Core Animation
Core Animation源自于Layer Kit，动画只是Core Animation的冰山一角。
Core Animation是一个复合引擎，其职责是尽可能快地组合屏幕上不同的可视内容，这些可视内容可被分解成独立的图层（即CALayer），这些图层会被存储在一个叫做图层树的体系之中。从本质上而言，CALayer是用户所能在屏幕上看见的一切的基础。
Core Graphics
Core Graphics基于Quartz高级绘图引擎，主要用于运行时绘制图像。开发者可以使用此框架来处理基于路径的绘图，转换，颜色管理，离屏渲染，图案，渐变和阴影，图像数据管理，图像创建和图像遮罩以及PDF文档创建，显示和分析。
当开发者需要在运行时创建图像时，可以使用Core Graphics去绘制。与之相对的是运行前创建图像，例如用Photoshop提前做好图片素材直接导入应用。相比之下，我们更需要Core Graphics去在运行时实时计算、绘制一系列图像帧来实现动画。
Core Image
Core Image与Core Graphics恰恰相反，Core Graphics用于在运行时创建图像，而Core Image用于处理运行前创建的图像。Core Image框架拥有一系列现成的图像过滤器，能对一寸照的图像进行高效的处理。
大部分情况下，Core Image会在GPU中完成工作，如果GPU忙，会使用CPU进行处理。
OpenGL ES
OpenGL ES是OpenGL的子集。在图形渲染原理一文中提到过OpenGL是一套第三方标准，函数的内部实现由对应的GPU厂商开发实现。
UIView与CALayer的关系
CALayer事实上是用户所能在屏幕上看见的一切的基础。为什么UIKit中的视图能够呈现可视化内容，就是因为UIKit中的每一个UI视图控件其实内部都有一个关联的CALayer，即backing layer。
由于这种一一对应的关系，视图层级有用视图树的树形结构，对应CALayer层级也拥有图层树的树形结构。
其中，视图的职责是创建并管理图层，以确保当子视图在层级关系中添加或被移除时，其关联的图层在图层树中也有相同的操作，即保证视图树和图层树在结构上的一致性。
为什么iOS要基于UIView和CALayer提供两个平行的层级关系呢？
其原因在于要做职责分离，这样也能避免很多重复代码。在iOS和Mac OSX两个平台上，事件和用户交互有很多地方的不同，基于多点触控的用户界面和基于鼠标键盘的交互有着本质的区别，这就是为什么iOS有UIKit和UIView，对应Mac OSX有AppKit和NSView的原因。它们在功能上很相似，但是在实现上有着显著的区别。
实际上，这里并不是两个层级关系，而是四个。每一个都扮演着不同的角色。除了视图树和图层树，还有呈现树和渲染树。
CALayer
那么为什么CALayer可以呈现可视化内容呢？因为CALayer基本等同于一个纹理。纹理是GPU进行图像渲染的重要依据。
在图形渲染原理中提到纹理本质上就是一张图片，因此CALayer也包含一个contents属性指向一块缓存区，称为backing store，可以存放位图(Bitmap)。iOS中将该缓存区保存的图片称为寄宿图。
image
图形渲染流水线支持从顶点开始进行绘制（在流水线中，顶点会被处理生成纹理），也支持直接使用纹理（图片）进行渲染。相应地，在实际开发中，绘制界面也有两种方式： 一种是手动绘制；另一种是使用图片。
对此，iOS中也有两种相应的实现方式：
- 使用图片：contents image
- 手动绘制：custom drawing
Contents Image
Contents Image是指通过CALayer的contents属性来配置图片。然而，contents属性的类型为id，在这种情况下，可以给contents属性赋予任何值，app仍可以编译通过。但是在实践中，如果contents的值不是CGImage，得到的图层将是空白的。
既然如此，为什么要将contents的属性类型定义为id而非CGImage。因为在Mac OS系统中，该属性对CGImage和NSImage类型的值都起作用，而在iOS系统中，该属性只对CGImage起作用。
本质上，contents属性指向的一块缓存区域，称为backing store，可以存放bitmap数据。
Custom Drawing
Custom Drawing是指使用Core Graphics直接绘制寄宿图。实际开发中，一般通过继承UIView并实现-drawRect:方法来自定义绘制。
虽然-drawRect:是一个UIView方法，但事实上都是底层的CALayer完成了重绘工作并保存了产生的图片。
下图所示为drawRect：绘制定义寄宿图的基本原理
image
-
UIView有一个关联图层，即CALayer。 -
CALayer有一个可选的delegate属性，实现了CALayerDelegate协议。UIView作为CALayer的代理实现了CALayerDelegate协议。 - 当需要重绘时，即调用
-drawRect:，CALayer请求其代理给予一个寄宿图来显示。 -
CALayer首先会尝试调用-displayLayer:方法，此时代理可以直接设置contents属性。
- (void)displayLayer:(CALayer *)layer;
- 如果代理没有实现
-displayLayer:方法，CALayer则会尝试调用-drawLayer:inContext:方法。在调用该方法前，CALayer会创建一个空的寄宿图（尺寸由bounds和contentScale决定）和一个Core Graphics的绘制上下文，为绘制寄宿图做准备，作为ctx参数传入。
- (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx;
- 最后，有
Core Graphics绘制生成的寄宿图会存入backing store。
Core Animation 流水线
介绍一下Core Animation流水线的工作原理：
image
事实上，app本身并不负责渲染，渲染则是由一个独立的进程负责，即
Render Server进程。
App通过IPC将渲染任务及相关数据提交给Render Server。Render Server处理完数据后，再传递至GPU。最后由GPU调用iOS的图像设备进行显示。
Core Animation流水线的详细过程如下：
- 首先，由app处理事件（Handle Events），如：用户点击操作，在此过程中app可能需要更新视图树，相应地，图层树也会被更新。
- 其次，app通过CPU完成对显示内容的计算，如：视图的创建、布局计算、图片解码、文本绘制等。在完成对现实内容的计算之后，app对图层进行打包，并在下一次RunLoop时将其发送至
Render Server，即完成了一次commit Transaction操作。 -
Render Server主要执行OpenGL、Core Graphics相关程序，并调用GPU。 - GPU则在物理层上完成了对图像的渲染。
- 最终，GPU通过
Frame Buffer、视频控制器等相关部件，将图像显示在屏幕上。
对上述步骤进行串联，他们执行所消耗的时间圆圆超过16.67ms，因此为了满足对屏幕的60FPS刷新率的支持，需要将这些步骤进行分解，通过流水线的方式并行执行，如下图：
image
Commit Transaction
在Core Animation流水线中，app调用Render Server前的最后一步Commit Transaction其实可以细分为4个步骤：
LayoutDisplayPrepareCommit
Layout
Layout阶段主要进行视图构建，包括：LayoutSubviews方法的重载，addSubview:方法填充子视图等。
Display
Display阶段主要进行视图绘制，这里仅仅是设置成像的图元数据。重载视图的drawRect:方法可以自定义UIView的显示，其原理是在drawRect:方法内部绘制寄宿图，该过程使用GPU和内存。
Prepare
Prepare阶段属于附加步骤，一般处理图像的解码和转码等操作。
Commit
commit阶段主要将图层进行打包，并将它们发送至Render Server。该过程会递归执行，因为图层和视图都是以树形结构存在。
动画渲染原理
iOS动画的渲染也是基于上述Core Animation流水线完成的。这里我们重点关注app与Render Server的执行流程。
日常开发中，如果不是特别的复杂动画，一般使用UIView Animation实现，iOS将其处理过程分为如下三部阶段：
- Step1：调用
animationWithDuration:animations:方法 - Step2：在Animation Block中进行
Layout，Display，Prepare，Commit等步骤。 - Step3：
Render Server根据Animation逐帧进行渲染。
image
参考博客 iOS图像渲染原理
