iOS 界面渲染流程分析

前言

本文阅读建议

1.一定要辩证的看待本文.

2.本文所表达观点并不是最终观点,还会更新,因为本人还在学习过程中,有什么遗漏或错误还望各位指出.

3.觉得哪里不妥请在评论留下建议~

4.觉得还行的话就点个小心心鼓励下我吧~

在最近的面试中，我发现一道面试题，其考点是：围绕iOS App中一个视图从添加到完全渲染，在这个过程中，iOS系统都做了什么?

在进行了大量的文章查阅以及学习以后，将所有较为可靠的资料总结一下供大家参考。

面试题

本文可为以下面试题提供参考：

1. app从点击屏幕（硬件）到完全渲染，中间发生了什么？越详细越好 要求讲到进程间通信？出处
2. 一个UIImageView添加到视图上以后,内部是如何渲染到手机上的,请简述其流程？
3. 在一个表内有很多cell,每个cell上有很多个视图,如何解决卡顿问题？
4. UIView与CALayer的区别？

简答

iOS渲染视图的核心是Core Animation
其渲染层次依次为：图层树->呈现树->渲染树

1. CPU阶段
   1. 布局（Frame）
   2. 显示（Core Graphics）
   3. 准备（QuartzCore/Core Animation）
   4. 通过IPC提交(打包好的图层树以及动画属性)
2. OpenGL ES阶段
   1. 生成(Generate)
   2. 绑定(Bind)
   3. 缓存数据(Buffer Data)
   4. 启用(Enable)
   5. 设置指针(Set Pointers)
   6. 绘图(Draw)
   7. 清除(Delete)
3. GPU阶段
   1. 接收提交的纹理（Texture）和顶点描述（三角形）
   2. 应用变换（transform）
   3. 合并渲染（离屏渲染等）

其iOS平台渲染核心原理的重点主要围绕前后帧缓存、Vsync信号、CADisplayLink

文字简答：

1. 首先一个视图由CPU进行Frame布局，准备视图和图层的层级关系，查询是否有重写drawRect:或drawLayer:inContext:方法，注意：如果有重写的话，这里的渲染是会占用CPU进行处理的。
2. CPU会将处理视图和图层的层级关系打包，通过IPC（内部处理通信）通道提交给渲染服务，渲染服务由OpenGL ES和GPU组成。
3. 渲染服务首先将图层数据交给OpenGL ES进行纹理生成和着色。生成前后帧缓存，再根据显示硬件的刷新频率，一般以设备的VSync信号和CADisplayLink为标准，进行前后帧缓存的切换。
4. 最后，将最终要显示在画面上的后帧缓存交给GPU，进行采集图片和形状，运行变换，应用纹理和混合。最终显示在屏幕上。

以上仅仅是对该题简单回答，其中的原理以及瓶颈和优化，后面会详细介绍。

知识点

1. 重新认识Core Animation
2. CPU渲染职能
3. OpenGL ES渲染职能
4. GPU渲染职能
5. IPC内部通信（进程间通信）
6. 前后帧缓存&Vsync信号
7. 视图渲染优化&卡顿优化
8. Metal渲染引擎
9. 事件响应链&Runloop原理
10. CALayer的职能

重新认识Core Animation

苹果官方文档-Core Animation
Core Animation并仅仅是字面意思的核心动画，而是整个显示核心都是围绕QuartzCore框架中的Core Animation

Core Animation是依赖于OpenGL ES做GPU渲染，CoreGraphics做CPU渲染，但在本文中，以及官方文档都是将OpenGL与GPU分开说明。

Core Animation 在 RunLoop 中注册了一个 Observer，监听了 BeforeWaiting 和 Exit 事件。这个 Observer 的优先级是 2000000，低于常见的其他 Observer。当一个触摸事件到来时，RunLoop 被唤醒，App 中的代码会执行一些操作，比如创建和调整视图层级、设置 UIView 的 frame、修改 CALayer 的透明度、为视图添加一个动画；这些操作最终都会被 CALayer 捕获，并通过 CATransaction 提交到一个中间状态去（CATransaction 的文档略有提到这些内容，但并不完整）。当上面所有操作结束后，RunLoop 即将进入休眠（或者退出）时，关注该事件的 Observer 都会得到通知。这时 CA 注册的那个 Observer 就会在回调中，把所有的中间状态合并提交到 GPU 去显示；如果此处有动画，CA 会通过 DisplayLink 等机制多次触发相关流程。

CPU渲染职能

在这里推荐大家去阅读落影loyinglin的文章iOS开发-视图渲染与性能优化

• 显示逻辑
  • CoreAnimation提交会话，包括自己和子树（view hierarchy）的layout状态等；
  • RenderServer解析提交的子树状态，生成绘制指令
  • GPU执行绘制指令
  • 显示渲染后的数据

• 提交流程
  • 布局（Layout）
    • 调用layoutSubviews方法
    • 调用addSubview:方法
  • 显示（Display）
    • 通过drawRect绘制视图；
    • 绘制string（字符串）；
  • 准备提交（Prepare）
    • 解码图片；
    • 图片格式转换；
  • 提交（Commit）
    • 打包layers并发送到渲染server；
    • 递归提交子树的layers；
    • 如果子树太复杂，会消耗很大，对性能造成影响；

CPU渲染职能主要体现在以下5个方面：

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，都会比CPU正常操作慢得多。

Core Graphics绘制
如果对视图实现了drawRect:或drawLayer:inContext: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。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。

图层打包
当图层被成功打包，发送到渲染服务器之后，CPU仍然要做如下工作:为了显示 屏幕上的图层，Core Animation必须对渲染树种的每个可见图层通过OpenGL循环 转换成纹理三角板。由于GPU并不知晓Core Animation图层的任何结构，所以必须 要由CPU做这些事情。这里CPU涉及的工作和图层个数成正比，所以如果在你的层 级关系中有太多的图层，就会导致CPU没一帧的渲染，即使这些事情不是你的应用 程序可控的。

OpenGL ES渲染职能

这里推荐大家去看《OpenGL ES应用开发实践指南：iOS卷》，因为篇幅过长，就不赘述OpenGL的原理。

简单来说，OpenGL ES是对图层进行取色，采样，生成纹理，绑定数据，生成前后帧缓存。

纹理的概念：纹理是一个用来保存图像的颜色元􏰈值的 OpenGL ES 缓存，可以简单理解为一个单位。

1)生成(Generate)— 请 OpenGL ES 为图形处理器制的缓存生成一个独一无二的标识符。 

2)绑定(Bind)— 告诉 OpenGL ES 为接下来的运算使用一个缓存。 

3)缓存数据(Buffer Data)— 让 OpenGL ES 为当前定的缓存分配并初始化 够的内存(通常是从 CPU 制的内存复制数据到分配的内存)。 

4)启用(Enable)或者(Disable)— 告诉 OpenGL ES 在接下来的渲染中是 使用缓存中的数据。 

5)设置指(Set Pointers)— 告诉 Open-GL ES 在缓存中的数据的类型和所有需 要的数据的内存移值。 

6)绘图(Draw) — 告诉 OpenGL ES 使用当前定并启用的缓存中的数据渲染 整个场景或者某个场景的一部分。 

7)删除除(Delete)— 告诉 OpenGL ES 除以前生成的缓存并释相关的资源。 

当显示一个UIImageView时，Core Animation会创建一个OpenGL ES纹理，并确保在这个图层中的位图被上传到对应的纹理中。当你重写-drawInContext方法时，Core Animation会请求分配一个纹理，同时确保Core Graphics会将你在-drawInContext中绘制的东西放入到纹理的位图数据中。

iOS 操作系统不会让应用直接向前帧缓存或者 后帧缓存绘图，也不会让应用直接复制前帧缓存和后帧缓存之间的切换。操作系统为自 己保留了这些操作，以便它可以随时使用 Core Animation 合成器来控制显示的最终外观

最终，生成前后帧缓存会再交由GPU进行最后一步的工作。

GPU渲染职能

GPU会根据生成的前后帧缓存数据，根据实际情况进行合成，其中造成GPU渲染负担的一般是：离屏渲染，图层混合，延迟加载。

• 普通的Tile-Based渲染流程
  • CommandBuffer，接受OpenGL ES处理完毕的渲染指令；
  • Tiler，调用顶点着色器，把顶点数据进行分块（Tiling）；
  • ParameterBuffer，接受分块完毕的tile和对应的渲染参数；
  • Renderer，调用片元着色器，进行像素渲染；
    -RenderBuffer，存储渲染完毕的像素；
• 离屏渲染 —— 遮罩（Mask）
  • 渲染layer的mask纹理，同Tile-Based的基本渲染逻辑；
  • 渲染layer的content纹理，同Tile-Based的基本渲染逻辑；
  • Compositing操作，合并1、2的纹理；
• 离屏渲染 ——UIVisiualEffectView
• 渲染等待
• 光栅化
• 组透明度

GPU用来采集图片和形状，运行变换，应用文理和混合，最终把它们输送到屏幕上。

太多的几何结构会影响GPU速度，但这并不是GPU的瓶颈限制原因，但由于图层在显示之前要通过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。

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，所以要避免重绘。

IPC内部通信（进程间通信）

在研究这个问题的过程中，我有想过去看一下源码，试着去理解在视图完全渲染之前，IPC是如何调度的，可惜苹果并没有开源绘制过程中的代码。这里推荐官方文章给大家了解一下iOS中IPC是如何运作的。

苹果官方文档-Mach内核编程 IPC通信

前后帧缓存&Vsync信号

虽然我们不能看到苹果内部是如何实现的，但是苹果官方也提供了我们可以参考的对象，也就是VSync信号和CADisplayLink对象。

iOS 的显示系统是由 VSync 信号驱动的，VSync 信号由硬件时钟生成，每秒钟发出 60 次（这个值取决设备硬件，比如 iPhone 真机上通常是 59.97）。iOS 图形服务接收到 VSync 信号后，会通过 IPC 通知到 App 内。App 的 Runloop 在启动后会注册对应的 CFRunLoopSource 通过 mach_port 接收传过来的时钟信号通知，随后 Source 的回调会驱动整个 App 的动画与显示。

帧缓存：接收渲染结果的缓冲区，为GPU指定存储渲染结果的区域

帧缓存可以同时存在多个，但是屏幕显示像素受到保存在前帧缓存（front frame buffer）的特定帧缓存中的像素颜色元素的控制。
程序的渲染结果通常保存在后帧缓存（back frame buffer）在内的其他帧缓存，当渲染后的后帧缓存完成后，前后帧缓存会互换。（这部分操作由操作系统来完成）

前帧缓存决定了屏幕上显示的像素颜色，会在适当的时候与后帧缓存切换。

Core Animation的合成器会联合OpenGL ES层和UIView层、StatusBar层等，在后帧缓存混合产生最终的颜色，并切换前后帧缓存；
OpenGL ES坐标是以浮点数来存储，即使是其他数据类型的顶点数据也会被转化成浮点型；

视图加载

那么在了解iOS视图渲染流程以后，再来看一下第二题：
一个UIImageView添加到视图上以后,内部是如何渲染到手机上的,请简述其流程？

图片的显示分为三步：加载、解码、渲染。
通常，我们操作的只有加载，解码和渲染是由UIKit进行。
以UIImageView为例。当其显示在屏幕上时，需要UIImage作为数据源。
UIImage持有的数据是未解码的压缩数据，能节省较多的内存和加快存储。
当UIImage被赋值给UIImage时（例如imageView.image = image;），图像数据会被解码，变成RGB的颜色数据。
解码是一个计算量较大的任务，且需要CPU来执行；并且解码出来的图片体积与图片的宽高有关系，而与图片原来的体积无关。
此处引用-->iOS性能优化——图片加载和处理

我查看了较为流行的第三方库源码，例如YYImage、SDWebImage、FastImageCache，其中加载一个图片的流程大致为：

1. 查看UIImageView的API我们可以发现，UIImage封装了一个CoreGraphics/CGImage的对象。
   1.+[UIImage imageWithContentsOfFile:]使用Image I/O创建CGImageRef内存映射数据。此时，图像尚未解码。
2. 返回的图像被分配给UIImageView。
3. 如果图像数据为未解码的PNG/JPG，解码为位图数据
4. 隐式CATransaction捕获到UIImageView layer树的变化
5. 在主运行循环的下一次迭代中，Core Animation提交隐式事务，这会涉及创建已设置为层内容的所有图像的副本，根据图像:
   1. 缓冲区被分配用于管理文件IO和解压缩操作。
   2. 文件数据从磁盘读入内存。
   3. 压缩的图像数据被解码成其未压缩的位图形式
   4. Core Animation使用未压缩的位图数据来渲染图层。

再看一下YYImage的源码，其流程也大致为：

1. 获取图片二进制数据
2. 创建一个CGImageRef对象
3. 使用CGBitmapContextCreate()方法创建一个上下文对象
4. 使用CGContextDrawImage()方法绘制到上下文
5. 使用CGBitmapContextCreateImage()生成CGImageRef对象。
6. 最后使用imageWithCGImage()方法将CGImage转化为UIImage。

当然YYImage不止做了这些，还有解码器编码器，支持webP等多种格式，并且还写了自定义的操作队列，对网络加载图片进行了优化。在此不赘述。

推荐文章：
苹果官方文档-CGImage位图
iOS图片加载速度极限优化—FastImageCache解析
Image I/O详解的文章
在这里同时推荐Y大的两篇文章
移动端图片格式调研
iOS 处理图片的一些小 Tip

视图渲染优化&卡顿优化

接下来我们看一下第三题：在一个表内有很多cell,每个cell上有很多个视图,如何解决卡顿问题？

什么是卡顿?苹果官方文章-显示帧率

当你的主线程操作卡顿超过16.67ms以后，你的应用就会出现掉帧，丢帧的情况。也就是卡顿。

一般来说造成卡顿的原因，就是CPU负担过重，响应时间过长。主要原因有以下几种：

• 隐式绘制 CGContext
• 文本CATextLayer 和 UILabel
• 光栅化 shouldRasterize
• 离屏渲染
• 可伸缩图片
• shadowPath
• 混合和过度绘制
• 减少图层数量
• 裁切
• 对象回收
• Core Graphics绘制
• -renderInContext: 方法

其中最常见的问题就是离屏渲染：

离屏渲染：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。

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。

那么如何在需要渲染大量视图的情况下，还能保证流畅度，也就是保证FPS。
在这里推荐阅读郭曜源前辈的iOS 保持界面流畅的技巧
以及indulge_in的YYAsyncLayer剖析
我参考了YYAsyncLayer，他其中的原理大致是这样的：

YYAsyncLayer原理

YYAsyncLayer 是 CALayer 的子类，当它需要显示内容（比如调用了 [layer setNeedDisplay]）时，它会向 delegate，也就是 UIView 请求一个异步绘制的任务。在异步绘制时，Layer 会传递一个 BOOL(^isCancelled)() 这样的 block，绘制代码可以随时调用该 block 判断绘制任务是否已经被取消。

当 TableView 快速滑动时，会有大量异步绘制任务提交到后台线程去执行。但是有时滑动速度过快时，绘制任务还没有完成就可能已经被取消了。如果这时仍然继续绘制，就会造成大量的 CPU 资源浪费，甚至阻塞线程并造成后续的绘制任务迟迟无法完成。我的做法是尽量快速、提前判断当前绘制任务是否已经被取消；在绘制每一行文本前，我都会调用 isCancelled() 来进行判断，保证被取消的任务能及时退出，不至于影响后续操作。

AsyncDisplayKit原理

ASDK 在此处模拟了 Core Animation 的这个机制：所有针对 ASNode 的修改和提交，总有些任务是必需放入主线程执行的。当出现这种任务时，ASNode 会把任务用 ASAsyncTransaction(Group) 封装并提交到一个全局的容器去。ASDK 也在 RunLoop 中注册了一个 Observer，监视的事件和 CA 一样，但优先级比 CA 要低。当 RunLoop 进入休眠前、CA 处理完事件后，ASDK 就会执行该 loop 内提交的所有任务。

Tips

优化方案围绕着 使用多线程调用，合理利用CPU计算位置，布局，层次，解压等，再合理调度GPU进行渲染，GPU负担常常要比CPU大，合理调度CPU进行计算可以减轻GPU渲染负担，使应用更加流畅。

Metal渲染引擎

当你现在再去查阅官方文档时，你会发现苹果官方已经使用Metal去替代OpenGL ES作为Core Animation的渲染。

苹果将Metal作为新的渲染引擎，更好的利用了GPU的性能，同时保证了低内存占用和省电，但我个人并没有深入研究Metal，这里可以有兴趣的同学可以看一下落影前辈的文章：
Metal入门教程总结
Metal入门教程（八）Metal与OpenGL ES交互
OpenGL 专题

事件响应链&原理

最后一题：UIView和CALayer的区别？

如果你已经做了几年iOS开发，相比对于这道题可能已经很熟悉。
最直接的回答就是UIView可以响应用户事件，而CALayer不能处理事件

首先要讲一下App中的事件响应链，它分为两部分：Hit-Testing事件传递 & Runloop原理

当用户对屏幕进行了操作，产生了一个用户事件。

苹果注册了一个 Source1 (基于 mach port 的) 用来接收系统事件，其回调函数为 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()

当一个硬件事件(触摸/锁屏/摇晃等)发生后，首先由 IOKit.framework 生成一个 IOHIDEvent 事件并由 SpringBoard 接收。这个过程的详细情况可以参考这里。SpringBoard 只接收按键(锁屏/静音等)，触摸，加速，接近传感器等几种 Event，随后用 mach port 转发给需要的App进程。随后苹果注册的那个 Source1 就会触发回调，并调用 _UIApplicationHandleEventQueue()进行应用内部的分发。

_UIApplicationHandleEventQueue()会把 IOHIDEvent 处理并包装成 UIEvent 进行处理或分发，其中包括识别 UIGesture/处理屏幕旋转/发送给 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 点击、touchesBegin/Move/End/Cancel事件都是在这个回调中完成的。
此处引用-->深入理解Runloop-事件响应

推荐两篇文章：
iOS 事件处理机制与图像渲染过程
iOS事件响应链中Hit-Test View的应用

CALayer的职能

CALayer 并不清楚具体的响应链，所以不能直接处理触摸事件或者手势。但是它提供了-containsPoint:和-hitTest:来判断是否一个触点在图层的范围之内。

与UIView不同，CALayer着重于图层的绘制，大致为以下职能：

• 阴影、圆角、边框、蒙版、拉伸、transform、动画。
• 寄宿图：你可以给CALayer.contents传递一个CGImage来进行渲染，也可以调用- (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx;方法进行绘制。但通常我们会使用UIView的drawRect方法
• CATextLayer:直接将字符串使用Core Graphics写入图层
• CATransformLayer:能够用于构造一个层级的3D结构

CALayer 内部并没有属性，当调用属性方法时，它内部是通过运行时 resolveInstanceMethod为对象临时添加一个方法，并把对应属性值保存到内部的一个 Dictionary 里，同时还会通知 delegate、创建动画等等，非常消耗资源。UIView 的关于显示相关的属性（比如 frame/bounds/transform）等实际上都是 CALayer 属性映射来的，所以对 UIView 的这些属性进行调整时，消耗的资源要远大于一般的属性。对此你在应用中，应该尽量减少不必要的属性修改。

当视图层次调整时，UIView、CALayer 之间会出现很多方法调用与通知，所以在优化性能时，应该尽量避免调整视图层次、添加和移除视图。

使用图层关联的视图而不是单独使用 CALayer 的好处在于，你能在使用所
有 CALayer 底层特性的同时，也可以使用 UIView 的高级API(比如自动排版， 布局和事件处理)。做一些对性能特别挑剔的工作，比如对 UIView 一些可忽略不计的操作都会引 起显著的不同

关于UIView动画以及CALayer的动画这里推荐两篇文章：
iOS-UIView与CALayer动画原理
CALayer与iOS动画 讲解及使用

参考

本文大量借助了引用文章的文字描述，在此感谢各位作者的文章对本问题的理解起了很大的帮助。也希望各位能去原文发表自己的看法。谢谢~

• 苹果官方视频-WWDC2014-Session419
• 苹果官方文章-显示帧率
• 落影loyinglin的文章iOS开发-视图渲染与性能优化
• 郭曜源前辈的文章：iOS 保持界面流畅的技巧
• iOS 事件处理机制与图像渲染过程
• 推荐阅读：《iOS和MacOS性能优化》对于图像I/O方面，书中最后有详细解释。

总结

iOS开发要学的东西还有很多，因为时间的推移，每年的iOS岗位要求都在提高，导致我们在iOS开发岗位的同学要学习很多知识。例如Runtime、Runloop、音视频处理、视图渲染等，各位一起加油吧。