關(guān)于讓iOS保持界面流暢的幾種方法

　　屏幕顯示圖像的原理

　　首先從過(guò)去的 CRT 顯示器原理說(shuō)起。CRT 的電子槍按照上面方式，從上到下一行行掃描，掃描完成后顯示器就呈現(xiàn)一幀畫面，隨后電子槍回到初始位置繼續(xù)下一次掃描。為了把顯示器的顯示過(guò)程和系統(tǒng)的視頻控制器進(jìn)行同步，顯示器（或者其他硬件）會(huì)用硬件時(shí)鐘產(chǎn)生一系列的定時(shí)信號(hào)。當(dāng)電子槍換到新的一行，準(zhǔn)備進(jìn)行掃描時(shí)，顯示器會(huì)發(fā)出一個(gè)水平同步信號(hào)（horizonal synchronization），簡(jiǎn)稱 HSync；而當(dāng)一幀畫面繪制完成后，電子槍回復(fù)到原位，準(zhǔn)備畫下一幀前，顯示器會(huì)發(fā)出一個(gè)垂直同步信號(hào)（vertical synchronization），簡(jiǎn)稱 VSync。顯示器通常以固定頻率進(jìn)行刷新，這個(gè)刷新率就是 VSync 信號(hào)產(chǎn)生的頻率。盡管現(xiàn)在的設(shè)備大都是液晶顯示屏了，但原理仍然沒有變。

　　通常來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 CPU、GPU、顯示器是以上面這種方式協(xié)同工作的。CPU 計(jì)算好顯示內(nèi)容提交到 GPU，GPU 渲染完成后將渲染結(jié)果放入幀緩沖區(qū)，隨后視頻控制器會(huì)按照 VSync 信號(hào)逐行讀取幀緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)可能的數(shù)模轉(zhuǎn)換傳遞給顯示器顯示。

　　在最簡(jiǎn)單的情況下，幀緩沖區(qū)只有一個(gè)，這時(shí)幀緩沖區(qū)的讀取和刷新都都會(huì)有比較大的效率問題。為了解決效率問題，顯示系統(tǒng)通常會(huì)引入兩個(gè)緩沖區(qū)，即雙緩沖機(jī)制。在這種情況下，GPU 會(huì)預(yù)先渲染好一幀放入一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，讓視頻控制器讀取，當(dāng)下一幀渲染好后，GPU 會(huì)直接把視頻控制器的指針指向第二個(gè)緩沖器。如此一來(lái)效率會(huì)有很大的提升。

　　雙緩沖雖然能解決效率問題，但會(huì)引入一個(gè)新的問題。當(dāng)視頻控制器還未讀取完成時(shí)，即屏幕內(nèi)容剛顯示一半時(shí)，GPU 將新的一幀內(nèi)容提交到幀緩沖區(qū)并把兩個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行交換后，視頻控制器就會(huì)把新的一幀數(shù)據(jù)的下半段顯示到屏幕上，造成畫面撕裂現(xiàn)象，如下圖：

　　為了解決這個(gè)問題，GPU 通常有一個(gè)機(jī)制叫做垂直同步（簡(jiǎn)寫也是 V-Sync），當(dāng)開啟垂直同步后，GPU 會(huì)等待顯示器的 VSync 信號(hào)發(fā)出后，才進(jìn)行新的一幀渲染和緩沖區(qū)更新。這樣能解決畫面撕裂現(xiàn)象，也增加了畫面流暢度，但需要消費(fèi)更多的計(jì)算資源，也會(huì)帶來(lái)部分延遲。

　　那么目前主流的移動(dòng)設(shè)備是什么情況呢？從網(wǎng)上查到的資料可以知道，iOS 設(shè)備會(huì)始終使用雙緩存，并開啟垂直同步。而安卓設(shè)備直到 4.1 版本，Google 才開始引入這種機(jī)制，目前安卓系統(tǒng)是三緩存+垂直同步。

　　卡頓產(chǎn)生的原因和解決方案

　　在 VSync 信號(hào)到來(lái)后，系統(tǒng)圖形服務(wù)會(huì)通過(guò) CADisplayLink 等機(jī)制通知 App，App 主線程開始在 CPU 中計(jì)算顯示內(nèi)容，比如視圖的創(chuàng)建、布局計(jì)算、圖片解碼、文本繪制等。隨后 CPU 會(huì)將計(jì)算好的內(nèi)容提交到 GPU 去，由 GPU 進(jìn)行變換、合成、渲染。隨后 GPU 會(huì)把渲染結(jié)果提交到幀緩沖區(qū)去，等待下一次 VSync 信號(hào)到來(lái)時(shí)顯示到屏幕上。由于垂直同步的機(jī)制，如果在一個(gè) VSync 時(shí)間內(nèi)，CPU 或者 GPU 沒有完成內(nèi)容提交，則那一幀就會(huì)被丟棄，等待下一次機(jī)會(huì)再顯示，而這時(shí)顯示屏?xí)Ａ糁暗膬?nèi)容不變。這就是界面卡頓的原因。

　　從上面的圖中可以看到，CPU 和 GPU 不論哪個(gè)阻礙了顯示流程，都會(huì)造成掉幀現(xiàn)象。所以開發(fā)時(shí)，也需要分別對(duì) CPU 和 GPU 壓力進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

　　CPU 資源消耗原因和解決方案

　　對(duì)象創(chuàng)建

　　對(duì)象的創(chuàng)建會(huì)分配內(nèi)存、調(diào)整屬性、甚至還有讀取文件等操作，比較消耗 CPU 資源。盡量用輕量的對(duì)象代替重量的對(duì)象，可以對(duì)性能有所優(yōu)化。比如 CALayer 比 UIView 要輕量許多，那么不需要響應(yīng)觸摸事件的控件，用 CALayer 顯示會(huì)更加合適。如果對(duì)象不涉及 UI 操作，則盡量放到后臺(tái)線程去創(chuàng)建，但可惜的是包含有 CALayer 的控件，都只能在主線程創(chuàng)建和操作。通過(guò) Storyboard 創(chuàng)建視圖對(duì)象時(shí)，其資源消耗會(huì)比直接通過(guò)代碼創(chuàng)建對(duì)象要大非常多，在性能敏感的界面里，Storyboard 并不是一個(gè)好的技術(shù)選擇。

　　盡量推遲對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)間，并把對(duì)象的創(chuàng)建分散到多個(gè)任務(wù)中去。盡管這實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩，并且?guī)?lái)的優(yōu)勢(shì)并不多，但如果有能力做，還是要盡量嘗試一下。如果對(duì)象可以復(fù)用，并且復(fù)用的代價(jià)比釋放、創(chuàng)建新對(duì)象要小，那么這類對(duì)象應(yīng)當(dāng)盡量放到一個(gè)緩存池里復(fù)用。

　　對(duì)象調(diào)整

　　對(duì)象的調(diào)整也經(jīng)常是消耗 CPU 資源的地方。這里特別說(shuō)一下 CALayer：CALayer 內(nèi)部并沒有屬性，當(dāng)調(diào)用屬性方法時(shí)，它內(nèi)部是通過(guò)運(yùn)行時(shí) resolveInstanceMethod 為對(duì)象臨時(shí)添加一個(gè)方法，并把對(duì)應(yīng)屬性值保存到內(nèi)部的一個(gè) Dictionary 里，同時(shí)還會(huì)通知 delegate、創(chuàng)建動(dòng)畫等等，非常消耗資源。UIView 的關(guān)于顯示相關(guān)的屬性（比如 frame/bounds/transform）等實(shí)際上都是 CALayer 屬性映射來(lái)的，所以對(duì) UIView 的這些屬性進(jìn)行調(diào)整時(shí)，消耗的資源要遠(yuǎn)大于一般的屬性。對(duì)此你在應(yīng)用中，應(yīng)該盡量減少不必要的屬性修改。

　　當(dāng)視圖層次調(diào)整時(shí)，UIView、CALayer 之間會(huì)出現(xiàn)很多方法調(diào)用與通知，所以在優(yōu)化性能時(shí)，應(yīng)該盡量避免調(diào)整視圖層次、添加和移除視圖。

　　對(duì)象銷毀

　　對(duì)象的銷毀雖然消耗資源不多，但累積起來(lái)也是不容忽視的。通常當(dāng)容器類持有大量對(duì)象時(shí)，其銷毀時(shí)的資源消耗就非常明顯。同樣的，如果對(duì)象可以放到后臺(tái)線程去釋放，那就挪到后臺(tái)線程去。這里有個(gè)小 Tip：把對(duì)象捕獲到 block 中，然后扔到后臺(tái)隊(duì)列去隨便發(fā)送個(gè)消息以避免編譯器警告，就可以讓對(duì)象在后臺(tái)線程銷毀了。

　　NSArray *tmp = self.array;

　　self.array = nil;

　　dispatch_async（queue， ^{

　?。踭mp class］;

　　}）;

　　布局計(jì)算

　　視圖布局的計(jì)算是 App 中最為常見的消耗 CPU 資源的地方。如果能在后臺(tái)線程提前計(jì)算好視圖布局、并且對(duì)視圖布局進(jìn)行緩存，那么這個(gè)地方基本就不會(huì)產(chǎn)生性能問題了。

　　不論通過(guò)何種技術(shù)對(duì)視圖進(jìn)行布局，其最終都會(huì)落到對(duì) UIView.frame/bounds/center 等屬性的調(diào)整上。上面也說(shuō)過(guò)，對(duì)這些屬性的調(diào)整非常消耗資源，所以盡量提前計(jì)算好布局，在需要時(shí)一次性調(diào)整好對(duì)應(yīng)屬性，而不要多次、頻繁的計(jì)算和調(diào)整這些屬性。

　　Autolayout

　　Autolayout 是蘋果本身提倡的技術(shù)，在大部分情況下也能很好的提升開發(fā)效率，但是 Autolayout 對(duì)于復(fù)雜視圖來(lái)說(shuō)常常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的性能問題。隨著視圖數(shù)量的增長(zhǎng)，Autolayout 帶來(lái)的 CPU 消耗會(huì)呈指數(shù)級(jí)上升。具體數(shù)據(jù)可以看這個(gè)文章：http://pilky.me/36/。 如果你不想手動(dòng)調(diào)整 frame 等屬性，你可以用一些工具方法替代（比如常見的 left/right/top/bottom/width/height 快捷屬性），或者使用 ComponentKit、AsyncDisplayKit 等框架。

　　文本計(jì)算

　　如果一個(gè)界面中包含大量文本（比如微博微信朋友圈等），文本的寬高計(jì)算會(huì)占用很大一部分資源，并且不可避免。如果你對(duì)文本顯示沒有特殊要求，可以參考下 UILabel 內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)方式：用 ［NSAttributedString boundingRectWithSize:options:context：］ 來(lái)計(jì)算文本寬高，用 -［NSAttributedString drawWithRect:options:context：］ 來(lái)繪制文本。盡管這兩個(gè)方法性能不錯(cuò)，但仍舊需要放到后臺(tái)線程進(jìn)行以避免阻塞主線程。

　　如果你用 CoreText 繪制文本，那就可以先生成 CoreText 排版對(duì)象，然后自己計(jì)算了，并且 CoreText 對(duì)象還能保留以供稍后繪制使用。

　　文本渲染

　　屏幕上能看到的所有文本內(nèi)容控件，包括 UIWebView，在底層都是通過(guò) CoreText 排版、繪制為 Bitmap 顯示的。常見的文本控件 （UILabel、UITextView 等），其排版和繪制都是在主線程進(jìn)行的，當(dāng)顯示大量文本時(shí)，CPU 的壓力會(huì)非常大。對(duì)此解決方案只有一個(gè)，那就是自定義文本控件，用 TextKit 或最底層的 CoreText 對(duì)文本異步繪制。盡管這實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常麻煩，但其帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)也非常大，CoreText 對(duì)象創(chuàng)建好后，能直接獲取文本的寬高等信息，避免了多次計(jì)算（調(diào)整 UILabel 大小時(shí)算一遍、UILabel 繪制時(shí)內(nèi)部再算一遍）；CoreText 對(duì)象占用內(nèi)存較少，可以緩存下來(lái)以備稍后多次渲染。

　　圖片的解碼

　　當(dāng)你用 UIImage 或 CGImageSource 的那幾個(gè)方法創(chuàng)建圖片時(shí)，圖片數(shù)據(jù)并不會(huì)立刻解碼。圖片設(shè)置到 UIImageView 或者 CALayer.contents 中去，并且 CALayer 被提交到 GPU 前，CGImage 中的數(shù)據(jù)才會(huì)得到解碼。這一步是發(fā)生在主線程的，并且不可避免。如果想要繞開這個(gè)機(jī)制，常見的做法是在后臺(tái)線程先把圖片繪制到 CGBitmapContext 中，然后從 Bitmap 直接創(chuàng)建圖片。目前常見的網(wǎng)絡(luò)圖片庫(kù)都自帶這個(gè)功能。

　　圖像的繪制

　　圖像的繪制通常是指用那些以 CG 開頭的方法把圖像繪制到畫布中，然后從畫布創(chuàng)建圖片并顯示這樣一個(gè)過(guò)程。這個(gè)最常見的地方就是 ［UIView drawRect：］ 里面了。由于 CoreGraphic 方法通常都是線程安全的，所以圖像的繪制可以很容易的放到后臺(tái)線程進(jìn)行。一個(gè)簡(jiǎn)單異步繪制的過(guò)程大致如下（實(shí)際情況會(huì)比這個(gè)復(fù)雜得多，但原理基本一致）：

　　- （void）display {

　　dispatch_async（backgroundQueue， ^{

　　CGContextRef ctx = CGBitmapContextCreate（。。.）;

　　// draw in context.。。

　　CGImageRef img = CGBitmapContextCreateImage（ctx）;

　　CFRelease（ctx）;

　　dispatch_async（mainQueue， ^{

　　layer.contents = img;

　　}）;

　　}）;

　　}

　　GPU 資源消耗原因和解決方案

　　相對(duì)于 CPU 來(lái)說(shuō)，GPU 能干的事情比較單一：接收提交的紋理（Texture）和頂點(diǎn)描述（三角形），應(yīng)用變換（transform）、混合并渲染，然后輸出到屏幕上。通常你所能看到的內(nèi)容，主要也就是紋理（圖片）和形狀（三角模擬的矢量圖形）兩類。