iOS开发底层探索界面优化示例详解 iOS开发底层探索界面优化示例

1、卡顿原理

1.1、界面显示原理
1.2、界面撕裂
1.3、界面卡顿
小结

2、卡顿检测

2.1、CADisplayLink
2.2、RunLoop检测
2.3、微信matrix
2.4、滴滴DoraemonKit

3、优化方法

3.1、预排版
3.2、预编码 / 解码
3.3、按需加载
3.4、异步渲染

3.4.1、CALayer
3.4.2、异步渲染实现

简单例子

1、卡顿原理
1.1、界面显示原理

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CPU：Layout UI布局、文本计算、Display绘制、Prepare图片解码、Commit提交位图给 GPU
GPU：用于渲染，将结果放入 FrameBuffer
FrameBuffer：帧缓冲
Video Controller：根据Vsync（垂直同步）信号，逐行读取 FrameBuffer 中的数据，经过数模转换传递给 Monitor
Monitor：显示器，用于显示；对于显示模块来说，会按照手机刷新率以固定的频率：1 / 刷新率向 FrameBuffer 索要数据，这个索要数据的命令就是垂直同步信号Vsync（低刷60帧为16.67毫秒，高刷120帧为 8.33毫秒，下边举例主要以低刷16.67毫秒为主）

1.2、界面撕裂
显示端每16.67ms从 FrameBuffer（帧缓存区）读取一帧数据，如果遇到耗时操作交付不了，那么当前画面就还是旧一帧的画面，但显示过程中，下一帧数据准备完毕，导致部分显示的又是新数据，这样就会造成屏幕撕裂

1.3、界面卡顿
为了解决界面撕裂，苹果使用双缓冲机制 + 垂直同步信号，使用 2个FrameBuffer 存储 GPU 处理结果，显示端交替从这2个FrameBuffer中读取数据，一个被读取时另一个去缓存；但解决界面撕裂的问题也带来了新的问题：掉帧

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如果遇到画面带马赛克等情况，导致GPU渲染能力跟不上，会有2种掉帧情况；
如图，FrameBuffer2 未渲染完第2帧，下一个16.67ms去 FrameBuffer1 中拿第3帧：

掉帧情况1：第3帧渲染完毕，接下来需要第4帧，第2帧被丢弃
掉帧情况2：第3帧未渲染完，再一个16.67ms去 FrameBuffer2 拿到第2帧，但第1帧多停留了16.67*2毫秒

小结
固定的时间间隔会收到垂直同步信号（Vsync），如果 CPU 和 GPU 还没有将下一帧数据放到对应的帧 FrameBuffer缓冲区，就会出现掉帧

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2、卡顿检测
2.1、CADisplayLink
系统在每次发送 VSync 时，就会触发CADisplayLink，通过统计每秒发送 VSync 的数量来查看 App 的 FPS 是否稳定

#import "ViewController.h"@interface ViewController ()@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *link; @property (nonatomic, assign) NSTimeInterval lastTime; // 每隔1秒记录一次时间@property (nonatomic, assign) NSUInteger count; // 记录VSync1秒内发送的数量@end@implementation ViewController- (void)viewDidLoad {[super viewDidLoad]; self.link = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(linkAction:)]; [_link addToRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes]; }- (void)linkAction: (CADisplayLink *)link {if (_lastTime == 0) {_lastTime = link.timestamp; return; }_count++; NSTimeInterval delta = link.timestamp - _lastTime; if (delta < 1) return; _lastTime = link.timestamp; float fps = _count / delta; _count = 0; NSLog(@" FPS : %f ", fps); }@end

2.2、RunLoop检测
【iOS开发底层探索界面优化示例详解】RunLoop 的退出和进入实质都是Observer的通知，我们可以监听Runloop的状态，并在相关回调里发送信号，如果在设定的时间内能够收到信号说明是流畅的；如果在设定的时间内没有收到信号，说明发生了卡顿。

#import "LZBlockMonitor.h"@interface LZBlockMonitor (){CFRunLoopActivity activity; }@property (nonatomic, strong) dispatch_semaphore_t semaphore; @property (nonatomic, assign) NSUInteger timeoutCount; @end@implementation LZBlockMonitor+ (instancetype)sharedInstance {static id instance = nil; static dispatch_once_t onceToken; dispatch_once(&onceToken, ^{instance = [[self alloc] init]; }); return instance; }- (void)start{[self registerObserver]; [self startMonitor]; }- (void)registerObserver{CFRunLoopObserverContext context = {0, (__bridge void*)self, NULL, NULL}; //NSIntegerMax : 优先级最小CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,kCFRunLoopAllActivities,YES,NSIntegerMax,&CallBack,&context); CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes); }static void CallBack(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info){LZBlockMonitor *monitor = (__bridge LZBlockMonitor *)info; monitor->activity = activity; // 发送信号dispatch_semaphore_t semaphore = monitor->_semaphore; dispatch_semaphore_signal(semaphore); }- (void)startMonitor{// 创建信号_semaphore = dispatch_semaphore_create(0); // 在子线程监控时长dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{while (YES){// 超时时间是 1 秒，没有等到信号量，st 就不等于 0， RunLoop 所有的任务long st = dispatch_semaphore_wait(self->_semaphore, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1 * NSEC_PER_SEC)); if (st != 0){if (self->activity == kCFRunLoopBeforeSources || self->activity == kCFRunLoopAfterWaiting){if (++self->_timeoutCount < 2){NSLog(@"timeoutCount==%lu",(unsigned long)self->_timeoutCount); continue; }// 一秒左右的衡量尺度很大可能性连续来避免大规模打印!NSLog(@"检测到超过两次连续卡顿"); }}self->_timeoutCount = 0; }}); }@end

主线程监听 kCFRunLoopBeforeSources（即将处理事件）和kCFRunLoopAfterWaiting（即将休眠），子线程监控时长，若连续两次 1秒内没有收到信号，说明发生了卡顿

2.3、微信matrix

微信的matrix也是借助 runloop 实现，大体流程与上面 Runloop 方式相同，它使用退火算法优化捕获卡顿的效率，防止连续捕获相同的卡顿，并且通过保存最近的20个主线程堆栈信息，获取最近最耗时堆栈

2.4、滴滴DoraemonKit

DoraemonKit的卡顿检测方案不使用 RunLoop，它也是while循环中根据一定的状态判断，通过主线程中不断发送信号semaphore，循环中等待信号的时间为5秒，等待超时则说明主线程卡顿，并进行相关上报

3、优化方法平时简单的方案有：

避免使用透明UIView
尽量使用PNG图片
避免离屏渲染（圆角使用贝塞尔曲线等）

3.1、预排版

就是常规的在Model层请求数据后提前将cell高度算好

3.2、预编码 / 解码
UIImage 是一个Model，二进制流数据存储在DataBuffer中，经过decode解码，加载到imageBuffer中，最终进入FrameBuffer才能被渲染

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当使用 UIImage 或CGImageSource的方法创建图片时，图片的数据不会立即解码，而是在设置UIImageView.image时解码
将图片设置到UIImageView/CALayer.contents中，然后在CALayer提交至GPU渲染前，CGImage中的数据才进行解码
如果任由系统处理，这一步则无法避免，并且会发生在主线程中。如果想避免这个机制，在子线程先将图片绘制到CGBitmapContext，然后从Bitmap中创建图片

3.3、按需加载
如果目标行与当前行相差超过指定行数，只加载目标滚动范围的前后指定3行

- (void)scrollViewWillBeginDragging:(UIScrollView *)scrollView{[needLoadArr removeAllObjects]; }- (void)scrollViewWillEndDragging:(UIScrollView *)scrollView withVelocity:(CGPoint)velocity targetContentOffset:(inout CGPoint *)targetContentOffset{NSIndexPath *ip = [self indexPathForRowAtPoint:CGPointMake(0, targetContentOffset->y)]; NSIndexPath *cip = [[self indexPathsForVisibleRows] firstObject]; NSInteger skipCount = 8; if (labs(cip.row-ip.row)>skipCount) {NSArray *temp = [self indexPathsForRowsInRect:CGRectMake(0, targetContentOffset->y, self.width, self.height)]; NSMutableArray *arr = [NSMutableArray arrayWithArray:temp]; if (velocity.y<0) {NSIndexPath *indexPath = [temp lastObject]; if (indexPath.row+33) {[arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row-3 inSection:0]]; [arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row-2 inSection:0]]; [arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row-1 inSection:0]]; }}[needLoadArr addObjectsFromArray:arr]; }}

在滑动结束时进行 Cell 的渲染

- (BOOL)scrollViewShouldScrollToTop:(UIScrollView *)scrollView{scrollToToping = YES; return YES; }- (void)scrollViewDidEndScrollingAnimation:(UIScrollView *)scrollView{scrollToToping = NO; [self loadContent]; }- (void)scrollViewDidScrollToTop:(UIScrollView *)scrollView{scrollToToping = NO; [self loadContent]; }//用户触摸时第一时间加载内容- (UIView *)hitTest:(CGPoint)point withEvent:(UIEvent *)event{if (!scrollToToping) {[needLoadArr removeAllObjects]; [self loadContent]; }return [super hitTest:point withEvent:event]; }- (void)loadContent{if (scrollToToping) {return; }if (self.indexPathsForVisibleRows.count<=0) {return; }if (self.visibleCells && self.visibleCells.count>0) {for (id temp in [self.visibleCells copy]) {VVeboTableViewCell *cell = (VVeboTableViewCell *)temp; [cell draw]; }}}

这种方式会导致滑动时有空白内容，因此要做好占位内容

3.4、异步渲染

异步渲染就是在子线程把需要绘制的图形提前处理好，然后将处理好的图像数据直接返给主线程使用
异步渲染操作的是layer层，将多层堆叠的控件们通过UIGraphics画成一张位图，然后展示在layer.content上

3.4.1、CALayer

CALayer基于CoreAnimation进而基于QuartzCode，只负责显示，且显示的是位图，不能处理用户的触摸事件
不需要与用户交互时，使用 UIView 和 CALayer 都可以，甚至 CALayer 更简洁高效

3.4.2、异步渲染实现

异步渲染的框架推荐：Graver、YYAsyncLayer
CALayer 在调用display方法后回去调用绘制相关的方法，绘制会执行drawRect:方法

简单例子继承 CALayer

#import "LZLayer.h"@implementation LZLayer//前面断点调用写下的代码- (void)layoutSublayers{if (self.delegate && [self.delegate respondsToSelector:@selector(layoutSublayersOfLayer:)]) {//UIView[self.delegate layoutSublayersOfLayer:self]; }else{[super layoutSublayers]; }}//绘制流程的发起函数- (void)display{// Graver 实现思路CGContextRef context = (__bridge CGContextRef)([self.delegate performSelector:@selector(createContext)]); [self.delegate layerWillDraw:self]; [self drawInContext:context]; [self.delegate displayLayer:self]; [self.delegate performSelector:@selector(closeContext)]; }@end

继承 UIView

// - (CGContextRef)createContext 和 - (void)closeContext要在.h中声明#import "LZView.h"#import "LZLayer.h"@implementation LZView- (void)drawRect:(CGRect)rect {// Drawing code，绘制的操作， BackingStore(额外的存储区域产于的) -- GPU}//子视图的布局- (void)layoutSubviews{[super layoutSubviews]; }+ (Class)layerClass{return [LZLayer class]; }//- (void)layoutSublayersOfLayer:(CALayer *)layer{[super layoutSublayersOfLayer:layer]; [self layoutSubviews]; }- (CGContextRef)createContext{UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(self.bounds.size, self.layer.opaque, self.layer.contentsScale); CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext(); return context; }- (void)layerWillDraw:(CALayer *)layer{//绘制的准备工作,do nontihing}//绘制的操作- (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx{[super drawLayer:layer inContext:ctx]; // 画个不规则图形CGContextMoveToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2- 20, 20); CGContextAddLineToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2 + 20, 20); CGContextAddLineToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2 + 40, 80); CGContextAddLineToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2 - 40, 100); CGContextAddLineToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2 - 20, 20); CGContextSetFillColorWithColor(ctx, UIColor.magentaColor.CGColor); CGContextSetStrokeColorWithColor(ctx, UIColor.magentaColor.CGColor); // 描边CGContextDrawPath(ctx, kCGPathFillStroke); // 画个红色方块[[UIColor redColor] set]; //Core GraphicsUIBezierPath *path = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(self.bounds.size.width / 2- 20, self.bounds.size.height / 2- 20, 40, 40)]; CGContextAddPath(ctx, path.CGPath); CGContextFillPath(ctx); // 文字[@"LZ" drawInRect:CGRectMake(self.bounds.size.width / 2 - 40, 100, 80, 24) withAttributes:@{NSFontAttributeName: [UIFont systemFontOfSize:20],NSForegroundColorAttributeName: UIColor.blueColor}]; // 图片[[UIImage imageWithContentsOfFile:@"/Volumes/Disk_D/test code/Test/Test/yasuo.png"] drawInRect:CGRectMake(10, self.bounds.size.height/2, self.bounds.size.width- 20, self.bounds.size.height/2 -10)]; }//layer.contents = (位图)- (void)displayLayer:(CALayer *)layer{UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext(); dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{layer.contents = (__bridge id)(image.CGImage); }); }- (void)closeContext{UIGraphicsEndImageContext(); }

控件们被绘制成了一张图