第14章 性能调优

14.1 CPU VS GPU

Core Animation处在iOS的核心地位：应用内和应用间都会用到它。一个简单的 动画可能同步显示多个app的内容，例如当在iPad上多个程序之间使用手势切换， 会使得多个程序同时显示在屏幕上。在一个特定的应用中用代码实现它是没有意义的，因为在iOS中不可能实现这种效果(App都是被沙箱管理，不能访问别的视图)。

动画和屏幕上组合的图层实际上被一个单独的进程管理，而不是你的应用程序。 这个进程就是所谓的渲染服务。在iOS5和之前的版本是SpringBoard进程(同时管 理着iOS的主屏)。在iOS6之后的版本中叫做 BackBoard

动画过程

• 布局 - 这是准备你的视图/图层的层级关系，以及设置图层属性(位置，背景色，边框等等)的阶段。
• 显示 - 这是图层的寄宿图片被绘制的阶段。绘制有可能涉及你的 - drawRect: 和 -drawLayer:inContext: 方法的调用路径。
• 准备 - 这是Core Animation准备发送动画数据到渲染服务的阶段。这同时也是 Core Animation将要执行一些别的事务例如解码动画过程中将要显示的图片的 时间点。
• 提交 - 这是最后的阶段，Core Animation打包所有图层和动画属性，然后通过 IPC(内部处理通信)发送到渲染服务进行显示。

这4个阶段仅仅发生在你的应用程序之内，在动画在屏幕上显示之前仍然有更多的工作。一旦打包的图层和动画到达渲染服务进程，他们会被反序列化来形 成另一个叫做渲染树的图层树(在第一章“图层树”中提到过)。使用这个树状结 构，渲染服务对动画的每一帧做出如下工作:

• 对所有的图层属性计算中间值，设置OpenGL几何形状(纹理化的三角形)来 执行渲染。
• 在屏幕上渲染可见的三角形。

所以一共有六个阶段;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。Core Animation框架在内部处理剩下的事务，你也控制不 了它。
这并不是个问题，因为在布局和显示阶段，你可以决定哪些由CPU执行，哪些交 给GPU去做。

GPU相关的操作

GPU的任务是:它用来采集图片和形状(三角形)，运行变换，应用纹理和混合然后把它们输送到屏幕上。现代iOS设备上可编程的GPU在这 些操作的执行上又很大的灵活性，但是Core Animation并没有暴露出直接的接口。 除非你想绕开Core Animation并编写你自己的OpenGL着色器，从根本上解决硬件 加速的问题，那么剩下的所有都还是需要在CPU的软件层面上完成。
值得注意的下列事情会降低(基于GPU)图层绘制:

• 太多的几何结构 - 这发生在需要太多的三角板来做变换，以应对处理器的栅格 化的时候。现代iOS设备的图形芯片可以处理几百万个三角板，所以在Core Animation中几何结构并不是GPU的瓶颈所在。但由于图层在显示之前通过IPC发送到渲染服务器的时候(图层实际上是由很多小物体组成的特别重量级的对 象)，太多的图层就会引起CPU的瓶颈。这就限制了一次展示的图层个数(见 本章后续“CPU相关操作”)。
• 重绘 - 主要由重叠的半透明图层引起。GPU的填充比率(用颜色填充像素的比 率)是有限的，所以需要避免重绘(每一帧用相同的像素填充多次)的发生。 在现代iOS设备上，GPU都会应对重绘;即使是iPhone 3GS都可以处理高达 2.5的重绘比率，并任然保持60帧率的渲染(这意味着你可以绘制一个半的整 屏的冗余信息，而不影响性能)，并且新设备可以处理更多。
• 离屏绘制 - 这发生在当不能直接在屏幕上绘制，并且必须绘制到离屏图片的上 下文中的时候。离屏绘制发生在基于CPU或者是GPU的渲染，或者是为离屏图 片分配额外内存，以及切换绘制上下文，这些都会降低GPU性能。对于特定图 层效果的使用，比如圆角，图层遮罩，阴影或者是图层光栅化都会强制Core Animation提前渲染图层的离屏绘制。但这不意味着你需要避免使用这些效 果，只是要明白这会带来性能的负面影响。
• 过大的图片 - 如果视图绘制超出GPU支持的2048x2048或者4096x4096尺寸的 纹理，就必须要用CPU在图层每次显示之前对图片预处理，同样也会降低性 能。

CPU相关的操作

CPU为Core Animation所做的工作大多都发生在动画开始之前。这意味着它不会影响到帧率，所以很好，但是他会延迟动画开始的时间，让你的界面看起来会比较迟 钝。
以下CPU的操作都会延迟动画的开始时间:

• 布局计算 - 如果你的视图层级过于复杂，当视图呈现或者修改的时候，计算图 层帧率就会消耗一部分时间。特别是使用iOS6的自动布局机制尤为明显，它应 该是比老版的自动调整逻辑加强了CPU的工作。
• 视图懒加载 - iOS只会当视图控制器的视图显示到屏幕上时才会加载它。这对 内存使用和程序启动时间很有好处，但是当呈现到屏幕上之前，按下按钮导致 的许多工作都会不能被及时响应。比如控制器从数据库中获取数据，或者视图 从一个nib文件中加载，或者涉及IO的图片显示(见后续“IO相关操作”)，都会 比CPU正常操作慢得多。
• Core Graphics绘制 - 如果对视图实现了 方法，或
  者 CALayerDelegate 的 方法，那么在绘制任何东 西之前都会产生一个巨大的性能开销。为了支持对图层内容的任意绘制，Core Animation必须创建一个内存中等大小的寄宿图片。然后一旦绘制结束之后， 必须把图片数据通过IPC传到渲染服务器。在此基础上，Core Graphics绘制就 会变得十分缓慢，所以在一个对性能十分挑剔的场景下这样做十分不好。
• 解压图片 - PNG或者JPEG压缩之后的图片文件会比同质量的位图小得多。但 是在图片绘制到屏幕上之前，必须把它扩展成完整的未解压的尺寸(通常等同 于图片宽 x 长 x 4个字节)。为了节省内存，iOS通常直到真正绘制的时候才去 解码图片(14章“图片IO”会更详细讨论)。根据你加载图片的方式，第一次对 图层内容赋值的时候(直接或者间接使用 UIImageView )或者把它绘制到 Core Graphics中，都需要对它解压，这样的话，对于一个较大的图片，都会 占用一定的时间。

IO相关操作

还有一项没涉及的就是IO相关工作。上下文中的IO(输入/输出)指的是例如闪 存或者网络接口的硬件访问。一些动画可能需要从山村(甚至是远程URL)来加 载。一个典型的例子就是两个视图控制器之间的过渡效果，这就需要从一个nib文件 或者是它的内容中懒加载，或者一个旋转的图片，可能在内存中尺寸太大，需要动 态滚动来加载。
IO比内存访问更慢，所以如果动画涉及到IO，就是一个大问题。总的来说，这就 需要使用聪敏但尴尬的技术，也就是多线程，缓存和投机加载(提前加载当前不需 要的资源，但是之后可能需要用到)。这些技术将会在第14章中讨论。

14.2 测量，而不是猜测

于是现在你知道有哪些点可能会影响动画性能，那该如何修复呢?好吧，其实不
需要。有很多种诡计来优化动画，但如果盲目使用的话，可能会造成更多性能上的问题，而不是修复。
如何正确的测量而不是猜测这点很重要。根据性能相关的知识写出代码不同于仓促的优化。前者很好，后者实际上就是在浪费时间。
那该如何测量呢?第一步就是确保在真实环境下测试你的程序。

真机测试，而不是模拟器

• 当你开始做一些性能方面的工作时，一定要在真机上测试，而不是模拟器。模拟器虽然是加快开发效率的一把利器，但它不能提供准确的真机性能参数。
  模拟器运行在你的Mac上，然而Mac上的CPU往往比iOS设备要快。相反，Mac 上的GPU和iOS设备的完全不一样，模拟器不得已要在软件层面(CPU)模拟设备的GPU，这意味着GPU相关的操作在模拟器上运行的更慢，尤其是使用CAEAGLLayer 来写一些OpenGL的代码时候。
• 另一件重要的事情就是性能测试一定要用发布配置，而不是调试模式。因为当用 发布环境打包的时候，编译器会引入一系列提高性能的优化，例如去掉调试符号或 者移除并重新组织代码。你也可以自己做到这些，例如在发布环境禁用NSLog语 句。你只关心发布性能，那才是你需要测试的点。
• 最后，最好在你支持的设备中性能最差的设备上测试:如果基于iOS6开发，这意 味着最好在iPhone 3GS或者iPad2上测试。如果可能的话，测试不同的设备和iOS 版本，因为苹果在不同的iOS版本和设备中做了一些改变，这也可能影响到一些性 能。例如iPad3明显要在动画渲染上比iPad2慢很多，因为渲染4倍多的像素点(为了支持视网膜显示)。

保持一致的帧率

为了做到动画的平滑，你需要以60FPS(帧每秒)的速度运行，以同步屏幕刷新 速率。通过基于 NSTimer 或者 CADisplayLink 的动画你可以降低到30FPS，而 且效果还不错，但是没办法通过Core Animation做到这点。如果不保持60FPS的速 率，就可能随机丢帧，影响到体验。
你可以在使用的过程中明显感到有没有丢帧，但没办法通过肉眼来得到具体的数据，也没法知道你的做法有没有真的提高性能。你需要的是一系列精确的数据。
你可以在程序中用 CADisplayLink 来测量帧率(就像11章“基于定时器的动 画”中那样)，然后在屏幕上显示出来，但应用内的FPS显示并不能够完全真实测量 出Core Animation性能，因为它仅仅测出应用内的帧率。我们知道很多动画都在应 用之外发生(在渲染服务器进程中处理)，但同时应用内FPS计数的确可以对某些 性能问题提供参考，一旦找出一个问题的地方，你就需要得到更多精确详细的数据 来定位到问题所在。苹果提供了一个强大的Instruments工具集来帮我们做到这些。

Instruments

时间分析器、Core Animation、OpenGL ES驱动的混合使用