基于定时器的动画

我可以指导你，但是你必须按照我说的做。 -- 骇客帝国

    在第10章“缓冲”中，我们研究了CAMediaTimingFunction，它是一个通过控制动画缓冲来模拟物理效果例如加速或者减速来增强现实感的东西，那么如果想更加真实地模拟物理交互或者实时根据用户输入修改动画改怎么办呢？在这一章中，我们将继续探索一种能够允许我们精确地控制一帧一帧展示的基于定时器的动画。

11.1 定时帧

动画看起来是用来显示一段连续的运动过程，但实际上当在固定位置上展示像素的时候并不能做到这一点。一般来说这种显示都无法做到连续的移动，能做的仅仅是足够快地展示一系列静态图片，只是看起来像是做了运动。

我们之前提到过iOS按照每秒60次刷新屏幕，然后CAAnimation计算出需要展示的新的帧，然后在每次屏幕更新的时候同步绘制上去，CAAnimation最机智的地方在于每次刷新需要展示的时候去计算插值和缓冲。

在第10章中，我们解决了如何自定义缓冲函数，然后根据需要展示的帧的数组来告诉CAKeyframeAnimation的实例如何去绘制。所有的Core Animation实际上都是按照一定的序列来显示这些帧，那么我们可以自己做到这些么？

NSTimer

实际上，我们在第三章“图层几何学”中已经做过类似的东西，就是时钟那个例子，我们用了NSTimer来对钟表的指针做定时动画，一秒钟更新一次，但是如果我们把频率调整成一秒钟更新60次的话，原理是完全相同的。

我们来试着用NSTimer来修改第十章中弹性球的例子。由于现在我们在定时器启动之后连续计算动画帧，我们需要在类中添加一些额外的属性来存储动画的fromValue，toValue，duration和当前的timeOffset（见清单11.1）。

清单11.1 使用NSTimer实现弹性球动画

@interface ViewController ()


@property (nonatomic, weak) IBOutlet UIView *containerView;

@property (nonatomic, strong) UIImageView *ballView;

@property (nonatomic, strong) NSTimer *timer;

@property (nonatomic, assign) NSTimeInterval duration;

@property (nonatomic, assign) NSTimeInterval timeOffset;

@property (nonatomic, strong) id fromValue;

@property (nonatomic, strong) id toValue;


@end


@implementation ViewController


- (void)viewDidLoad

{

    [super viewDidLoad];

    //add ball image view

    UIImage *ballImage = [UIImage imageNamed:@"Ball.png"];

    self.ballView = [[UIImageView alloc] initWithImage:ballImage];

    [self.containerView addSubview:self.ballView];

    //animate

    [self animate];

}


- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event

{

    //replay animation on tap

    [self animate];

}


float interpolate(float from, float to, float time)

{

    return (to - from) * time + from;

}


- (id)interpolateFromValue:(id)fromValue toValue:(id)toValue time:(float)time

{

    if ([fromValue isKindOfClass:[NSValue class]]) {

        //get type

        const char *type = [(NSValue *)fromValue objCType];

        if (strcmp(type, @encode(CGPoint)) == 0) {

            CGPoint from = [fromValue CGPointValue];

            CGPoint to = [toValue CGPointValue];

            CGPoint result = CGPointMake(interpolate(from.x, to.x, time), interpolate(from.y, to.y, time));

            return [NSValue valueWithCGPoint:result];

        }

    }

    //provide safe default implementation

    return (time < 0.5)? fromValue: toValue;

}


float bounceEaseOut(float t)

{

    if (t < 4/11.0) {

        return (121 * t * t)/16.0;

    } else if (t < 8/11.0) {

        return (363/40.0 * t * t) - (99/10.0 * t) + 17/5.0;

    } else if (t < 9/10.0) {

        return (4356/361.0 * t * t) - (35442/1805.0 * t) + 16061/1805.0;

    }

    return (54/5.0 * t * t) - (513/25.0 * t) + 268/25.0;

}


- (void)animate

{

    //reset ball to top of screen

    self.ballView.center = CGPointMake(150, 32);

    //configure the animation

    self.duration = 1.0;

    self.timeOffset = 0.0;

    self.fromValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 32)];

    self.toValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 268)];

    //stop the timer if it's already running

    [self.timer invalidate];

    //start the timer

    self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1/60.0

                                                  target:self

                                                selector:@selector(step:)

                                                userInfo:nil

                                                 repeats:YES];

}


- (void)step:(NSTimer *)step

{

    //update time offset

    self.timeOffset = MIN(self.timeOffset + 1/60.0, self.duration);

    //get normalized time offset (in range 0 - 1)

    float time = self.timeOffset / self.duration;

    //apply easing

    time = bounceEaseOut(time);

    //interpolate position

    id position = [self interpolateFromValue:self.fromValue

                                     toValue:self.toValue

                                  time:time];

    //move ball view to new position

    self.ballView.center = [position CGPointValue];

    //stop the timer if we've reached the end of the animation

    if (self.timeOffset >= self.duration) {

        [self.timer invalidate];

        self.timer = nil;

    }

}


@end

很赞，而且和基于关键帧例子的代码一样很多，但是如果想一次性在屏幕上对很多东西做动画，很明显就会有很多问题。

NSTimer并不是最佳方案，为了理解这点，我们需要确切地知道NSTimer是如何工作的。iOS上的每个线程都管理了一个NSRunloop，字面上看就是通过一个循环来完成一些任务列表。但是对主线程，这些任务包含如下几项：

• 处理触摸事件
• 发送和接受网络数据包
• 执行使用gcd的代码
• 处理计时器行为
• 屏幕重绘

当你设置一个NSTimer，他会被插入到当前任务列表中，然后直到指定时间过去之后才会被执行。但是何时启动定时器并没有一个时间上限，而且它只会在列表中上一个任务完成之后开始执行。这通常会导致有几毫秒的延迟，但是如果上一个任务过了很久才完成就会导致延迟很长一段时间。

屏幕重绘的频率是一秒钟六十次，但是和定时器行为一样，如果列表中上一个执行了很长时间，它也会延迟。这些延迟都是一个随机值，于是就不能保证定时器精准地一秒钟执行六十次。有时候发生在屏幕重绘之后，这就会使得更新屏幕会有个延迟，看起来就是动画卡壳了。有时候定时器会在屏幕更新的时候执行两次，于是动画看起来就跳动了。

我们可以通过一些途径来优化：

• 我们可以用CADisplayLink让更新频率严格控制在每次屏幕刷新之后。
• 基于真实帧的持续时间而不是假设的更新频率来做动画。
• 调整动画计时器的run loop模式，这样就不会被别的事件干扰。

CADisplayLink

CADisplayLink是CoreAnimation提供的另一个类似于NSTimer的类，它总是在屏幕完成一次更新之前启动，它的接口设计的和NSTimer很类似，所以它实际上就是一个内置实现的替代，但是和timeInterval以秒为单位不同，CADisplayLink有一个整型的frameInterval属性，指定了间隔多少帧之后才执行。默认值是1，意味着每次屏幕更新之前都会执行一次。但是如果动画的代码执行起来超过了六十分之一秒，你可以指定frameInterval为2，就是说动画每隔一帧执行一次（一秒钟30帧）或者3，也就是一秒钟20次，等等。

用CADisplayLink而不是NSTimer，会保证帧率足够连续，使得动画看起来更加平滑，但即使CADisplayLink也不能保证每一帧都按计划执行，一些失去控制的离散的任务或者事件（例如资源紧张的后台程序）可能会导致动画偶尔地丢帧。当使用NSTimer的时候，一旦有机会计时器就会开启，但是CADisplayLink却不一样：如果它丢失了帧，就会直接忽略它们，然后在下一次更新的时候接着运行。

计算帧的持续时间

无论是使用NSTimer还是CADisplayLink，我们仍然需要处理一帧的时间超出了预期的六十分之一秒。由于我们不能够计算出一帧真实的持续时间，所以需要手动测量。我们可以在每帧开始刷新的时候用CACurrentMediaTime()记录当前时间，然后和上一帧记录的时间去比较。

通过比较这些时间，我们就可以得到真实的每帧持续的时间，然后代替硬编码的六十分之一秒。我们来更新一下上个例子（见清单11.2）。

清单11.2 通过测量没帧持续的时间来使得动画更加平滑

@interface ViewController ()


@property (nonatomic, weak) IBOutlet UIView *containerView;

@property (nonatomic, strong) UIImageView *ballView;

@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *timer;

@property (nonatomic, assign) CFTimeInterval duration;

@property (nonatomic, assign) CFTimeInterval timeOffset;

@property (nonatomic, assign) CFTimeInterval lastStep;

@property (nonatomic, strong) id fromValue;

@property (nonatomic, strong) id toValue;


@end


@implementation ViewController


...


- (void)animate

{

    //reset ball to top of screen

    self.ballView.center = CGPointMake(150, 32);

    //configure the animation

    self.duration = 1.0;

    self.timeOffset = 0.0;

    self.fromValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 32)];

    self.toValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 268)];

    //stop the timer if it's already running

    [self.timer invalidate];

    //start the timer

    self.lastStep = CACurrentMediaTime();

    self.timer = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self

                                             selector:@selector(step:)];

    [self.timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop]

                     forMode:NSDefaultRunLoopMode];

}


- (void)step:(CADisplayLink *)timer

{

    //calculate time delta

    CFTimeInterval thisStep = CACurrentMediaTime();

    CFTimeInterval stepDuration = thisStep - self.lastStep;

    self.lastStep = thisStep;

    //update time offset

    self.timeOffset = MIN(self.timeOffset + stepDuration, self.duration);

    //get normalized time offset (in range 0 - 1)

    float time = self.timeOffset / self.duration;

    //apply easing

    time = bounceEaseOut(time);

    //interpolate position

    id position = [self interpolateFromValue:self.fromValue toValue:self.toValue

                                        time:time];

    //move ball view to new position

    self.ballView.center = [position CGPointValue];

    //stop the timer if we've reached the end of the animation

    if (self.timeOffset >= self.duration) {

        [self.timer invalidate];

        self.timer = nil;

    }

}


@end

Run Loop 模式

注意到当创建CADisplayLink的时候，我们需要指定一个run loop和run loop mode，对于run loop来说，我们就使用了主线程的run loop，因为任何用户界面的更新都需要在主线程执行，但是模式的选择就并不那么清楚了，每个添加到run loop的任务都有一个指定了优先级的模式，为了保证用户界面保持平滑，iOS会提供和用户界面相关任务的优先级，而且当UI很活跃的时候的确会暂停一些别的任务。

一个典型的例子就是当是用UIScrollview滑动的时候，重绘滚动视图的内容会比别的任务优先级更高，所以标准的NSTimer和网络请求就不会启动，一些常见的run loop模式如下：

• NSDefaultRunLoopMode - 标准优先级
• NSRunLoopCommonModes - 高优先级
• UITrackingRunLoopMode - 用于UIScrollView和别的控件的动画

在我们的例子中，我们是用了NSDefaultRunLoopMode，但是不能保证动画平滑的运行，所以就可以用NSRunLoopCommonModes来替代。但是要小心，因为如果动画在一个高帧率情况下运行，你会发现一些别的类似于定时器的任务或者类似于滑动的其他iOS动画会暂停，直到动画结束。

同样可以同时对CADisplayLink指定多个run loop模式，于是我们可以同时加入NSDefaultRunLoopMode和UITrackingRunLoopMode来保证它不会被滑动打断，也不会被其他UIKit控件动画影响性能，像这样：

self.timer = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(step:)];

[self.timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];

[self.timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:UITrackingRunLoopMode];

和CADisplayLink类似，NSTimer同样也可以使用不同的run loop模式配置，通过别的函数，而不是+scheduledTimerWithTimeInterval:构造器

self.timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1/60.0

                                 target:self

                               selector:@selector(step:)

                               userInfo:nil

                                repeats:YES];

[[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:self.timer

                          forMode:NSRunLoopCommonModes];