前言

如果要研究OpenGL ES相关和 GPU 相关，这篇文章很具有参考的入门价值.

理解 UIView 的绘制, UIView 是如何显示到 Screen 上的?

首先要从Runloop开始说,iOS 的MainRunloop 是一个60fps 的回调,也就是说16.7ms(毫秒)会绘制一次屏幕,这个时间段内要完成:

• view的缓冲区创建
• view内容的绘制(如果重写了 drawRect)

这些 CPU的工作.

然后将这个缓冲区交给GPU渲染, 这个过程又包含:

• 多个view的拼接(compositing)
• 纹理的渲染(Texture)等.

最终现实在屏幕上.因此,如果在16.7ms 内完不成这些操作, eg: CPU做了太多的工作, 或者view层次过于多,图片过于大,导致GPU压力太大,就会导致"卡"的现象,也就是 丢帧,掉帧.

苹果官方给出的最佳帧率是:60fps(60Hz),也就是一帧不丢, 当然这是理想中的绝佳体验.

这个60fps该怎么理解呢？

一般来说如果帧率达到 60+fps(fps >= 60帧以上,如果帧率fps > 50,人眼就基本感觉不到卡顿了,因此,如果你能让你的 iOS 程序稳定保持在60fps已经很不错了, 注释,是"稳定"在60fps,而不是, 10fps,40fps,20fps这样的跳动,如果帧频不稳就会有卡的感觉,60fps真的很难达到, 尤其是在 iPhone 4/4s等 32bit 位机上,不过现在苹果已经全面放弃32位,支持最低64位会好很多.

fps 代表的是刷新频率,单位赫兹Hz,因为电子工程中考虑到能耗和视觉以及其它方面,60Hz是一个比较理想的刷新频率,所以家用电器也经常会出现60Hz的字样. 视频中帧率FPS >= 25 才不会人眼察觉有卡顿,因为视频中视频模糊视频中的i p b帧能够给予前后帧一些需要的像素信息方便GPU的离屏渲染,GPU的索引可以节省很多性能.

总的来说, UIView从绘制到Render的过程有如下几步：

• 每一个UIView都有一个layer
• 每一个layer都有个content,这个content指向的是一块缓存,叫做backing store.

UIView的绘制和渲染是两个过程:

• 当UIView被绘制时,CPU执行drawRect，通过context将数据写入backing store

• 当backing store写完后，通过render server交给GPU去渲染，将backing store中的bitmap数据显示在屏幕上.

上面提到的从CPU到GPU的过程可用下图表示:

下面具体来讨论下这个过程

• CPU bound:

假设我们创建一个 UILabel

UILabel* label = [[UILabel alloc]initWithFrame:CGRectMake(10, 50, 300, 14)];
label.backgroundColor = [UIColor whiteColor];
label.font = [UIFont systemFontOfSize:14.0f];
label.text = @"test";
[self.view addSubview:label];

这个时候不会发生任何操作, 由于 UILabel 重写了drawRect方法,因此,这个 View会被 marked as "dirty":

类似这个样子:

然后一个新的Runloop到来，上面说道在这个Runloop中需要将界面渲染上去，对于UIKit的渲染，Apple用的是它的Core Animation。 做法是在Runloop开始的时候调用：

[CATransaction begin]

在Runloop结束的时候调用

[CATransaction commit]

在begin和commit之间做的事情是将view增加到view hierarchy中，这个时候也不会发生任何绘制的操作。 当[CATransaction commit]执行完后，CPU开始绘制这个view:

CPU绘制图

首先CPU会为layer分配一块内存用来绘制bitmap，叫做backing store
创建指向这块bitmap缓冲区的指针，叫做CGContextRef
通过Core Graphic的api，也叫Quartz2D，绘制bitmap
将layer的content指向生成的bitmap
清空dirty flag标记
这样CPU的绘制基本上就完成了.
通过time profiler可以完整的看到个过程：

Running Time Self Symbol Name
2.0ms 1.2% 0.0 +[CATransaction flush]
2.0ms 1.2% 0.0 CA::Transaction::commit()
2.0ms 1.2% 0.0 CA::Context::commit_transaction(CA::Transaction*)
1.0ms 0.6% 0.0 CA::Layer::layout_and_display_if_needed(CA::Transaction*)
1.0ms 0.6% 0.0 CA::Layer::display_if_needed(CA::Transaction*)
1.0ms 0.6% 0.0 -[CALayer display]
1.0ms 0.6% 0.0 CA::Layer::display()
1.0ms 0.6% 0.0 -[CALayer _display]
1.0ms 0.6% 0.0 CA::Layer::display_()
1.0ms 0.6% 0.0 CABackingStoreUpdate_
1.0ms 0.6% 0.0 backing_callback(CGContext*, void*)
1.0ms 0.6% 0.0 -[CALayer drawInContext:]
1.0ms 0.6% 0.0 -[UIView(CALayerDelegate) drawLayer:inContext:]
1.0ms 0.6% 0.0 -[UILabel drawRect:]
1.0ms 0.6% 0.0 -[UILabel drawTextInRect:]

假如某个时刻修改了label的text:

label.text = @"hello world";

由于内容变了,layer的content的bitmap的尺寸也要变化，因此这个时候当新的Runloop到来时，CPU要为layer重新创建一个backing store，重新绘制bitmap.
CPU这一块最耗时的地方往往在Core Graphic的绘制上，关于Core Graphic的性能优化是另一个话题了，又会牵扯到很多东西，就不在这里讨论了.

GPU bound：

CPU完成了它的任务：将view变成了bitmap，然后就是GPU的工作了，GPU处理的单位是Texture.
基本上我们控制GPU都是通过OpenGL来完成的，但是从bitmap到Texture之间需要一座桥梁，Core Animation正好充当了这个角色：
Core Animation对OpenGL的api有一层封装，当我们要渲染的layer已经有了bitmap content的时候，这个content一般来说是一个CGImageRef，CoreAnimation会创建一个OpenGL的Texture并将CGImageRef（bitmap）和这个Texture绑定，通过TextureID来标识。
这个对应关系建立起来之后，剩下的任务就是GPU如何将Texture渲染到屏幕上了。 GPU大致的工作模式如下：

整个过程也就是一件事：

CPU将准备好的bitmap放到RAM里，GPU去搬这快内存到VRAM中处理。 而这个过程GPU所能承受的极限大概在16.7ms完成一帧的处理，所以最开始提到的60fps其实就是GPU能处理的最高频率.
因此，GPU的挑战有两个：

• 将数据从RAM搬到VRAM中
• 将Texture渲染到屏幕上

这两个中瓶颈基本在第二点上。渲染Texture基本要处理这么几个问题：

• Compositing:

Compositing是指将多个纹理拼到一起的过程，对应UIKit，是指处理多个view合到一起的情况，如:

[self.view addsubview : subview]。

如果view之间没有叠加，那么GPU只需要做普通渲染即可.
如果多个view之间有叠加部分，GPU需要做blending.

加入两个view大小相同，一个叠加在另一个上面，那么计算公式如下：

R = S+D*(1-Sa)

R: 为最终的像素值
S: 代表 上面的Texture（Top Texture）
D: 代表下面的Texture(lower Texture)

其中S,D都已经pre-multiplied各自的alpha值。
Sa代表Texture的alpha值。

假如Top Texture（上层view）的alpha值为1，即不透明。那么它会遮住下层的Texture.
即,R = S。是合理的。

假如Top Texture（上层view）的alpha值为0.5，
S为(1,0,0)，乘以alpha后为(0.5,0,0）。
D为(0，0，1)。
得到的R为（0.5，0，0.5）。

基本上每个像素点都需要这么计算一次。

因此，view的层级很复杂，或者view都是半透明的（alpha值不为1）都会带来GPU额外的计算工作。

• Size

这个问题，主要是处理image带来的，假如内存里有一张400x400的图片，要放到100x100的imageview里，如果不做任何处理，直接丢进去，问题就大了，这意味着，GPU需要对大图进行缩放到小的区域显示，需要做像素点的sampling，这种smapling的代价很高，又需要兼顾pixel alignment。 计算量会飙升。

• Offscreen Rendering And Mask

如果我们对layer做这样的操作：

label.layer.cornerRadius = 5.0f;
label.layer.masksToBounds = YES;

会产生offscreen rendering,它带来的最大的问题是，当渲染这样的layer的时候，需要额外开辟内存，绘制好radius，mask，然后再将绘制好的bitmap重新赋值给layer。
因此继续性能的考虑，Quartz提供了优化的api：

label.layer.cornerRadius = 5.0f;
label.layer.masksToBounds = YES;
label.layer.shouldRasterize = YES;
label.layer.rasterizationScale = label.layer.contentsScale;

简单的说，这是一种cache机制。
同样GPU的性能也可以通过instrument去衡量：

红色代表GPU需要做额外的工作来渲染View，绿色代表GPU无需做额外的工作来处理bitmap。

全文完

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