【iOS】离屏渲染

前言

这里我简单学习一下有关iOS渲染的相关知识。

屏幕卡顿

在我们日常使用过程中，经常会遇到屏幕卡顿的问题。（图形撕裂、掉帧等问题）

产生原因

• CPU和GPU在渲染的流水线中耗时过长，导致缓存区获取位图然后显示的时候，下一帧的数据还没有准备好从而产生了掉帧的现象
• 苹果针对屏幕撕裂的为题采用的是垂直同步+双缓存机制，可以有效防止屏幕撕裂，但是同时容易产生掉帧
• 于是在垂直同步+爽滑黁区的方案上优化为三缓存区，但是还是没办法从根本上解决掉帧问题，知识相比双缓存区掉帧的概率更小。

屏幕撕裂

屏幕成像过程

• 首先GPU将需要显示的图像进行渲染
• 然后将渲染后的结果以位图的形式存储到帧缓存区
• 视频控制器从帧缓存区读取位图数据之后交给显示器，从左上角扫描显示

这个流程中，很容易出现一个屏幕撕裂的问题，如下：

在屏幕显示图形图像的过程中，是不断的从帧缓存区获取一帧一帧的数据进行显示的，在渲染过程中，如果屏幕拿到的数据是旧的，就会显示旧的数据。

在旧的数据没有读取完成时，新的一帧的数据处理好了放到缓存区之后，又会导致屏幕另一部分的显示是获取的新数据，导致屏幕上呈现图片不匹配、任务景象显示错位等情况。

苹果采用垂直同步+双缓存区的机制，强制要求同步，但是会出现掉帧问题：

• 垂直同步：给帧缓存区加锁，当电子光束扫描的过程中，只有扫描完成之后才会继续读取下一帧的数据。
• 双缓存区：采用两个缓存区交替当作GPU结果的存储区，当屏幕显示其中一个缓存区的时候，另一个缓存区继续等待下一个渲染结果，两个缓存区交替进行。

掉帧

在VSync信号到来之前，系统图形服务会通过CADisplayLink等机制通知App，主线程开始在CPU种计算显示内容，随后GPU进行变换、合成、渲染，完成之后会将渲染结果提交到帧缓存区中去，等待下一次同步信号到来。如果在下一个同步信号到来之前，CPU或者GPU没有处理完内容并提交，那一帧就会丢弃，等待下一次机会显示。产生掉帧。

CPU/GPU 必须在下一次 VSync 到来之前完成一帧的绘制。若未完成，显示器无法切换到新缓冲区，只能重复显示上一帧，于是产生掉帧和卡顿。

卡顿监控：

主流的卡顿监控主要有下面两种：

• FPS监控：为了保持流畅的UI交互，App的刷新频率应该在60fps左右（iOS设备默认的刷新率）。而一次刷新的事件间隔16.67ms，如果这个时间内数据没有准备好就会产生卡顿。
• 主线程卡顿监控：通过自线程检测主线程runloop。这个方法笔者前面在学习runloop的时候有给过具体的实现流程，这里不在赘述。主要就是通过KCFRunLoopBeforeSources和KCFRunLoopAfterWaiting之间的耗时判断。

FPS监控

参照YYKit中的YYFPSLabel，主要通过CADisplaylink实现，借助link时间差，计算一次刷新所需要的时间，然后通过刷新次数/时间差判断范围，通过不同颜色文字表示卡顿程度。本质上就是一个悬浮在窗口上的FPS实时监控器。这里测量的不是GPU最终真是输出的帧数，而是主线程实际处理了多少次CADisplaylink回调，判断主线程是否阻塞RunLoop是否卡顿、界面滚动是否流畅。

#import"ZYLFPSLabel.h"#import<QuartzCore/QuartzCore.h>/// FPS 标签在 window 上的唯一 tag，用于 show 时去重。staticNSIntegerconstkZYLFPSLabelTag=2026071401;/// FPS 文案刷新间隔。////// CADisplayLink 每一帧都会回调，如果每帧都改 UI，数字会抖动得很厉害，/// 也会让监控本身引入不必要的额外开销。0.25 秒是一个比较灵敏、同时又稳定的窗口。staticCFTimeIntervalconstkZYLFPSUpdateInterval=0.25;@interfaceZYLFPSLabel()/// CADisplayLink 会在屏幕每次准备刷新时向 target 发送 selector。/// 它的 timestamp 是当前这次回调对应的时间点，适合用来计算一段时间内实际刷新了多少次。@property(nonatomic,strong)CADisplayLink*displayLink;/// 统计窗口内 CADisplayLink 回调的次数。/// 理想 60Hz 屏幕上，1 秒大约回调 60 次；120Hz 屏幕上，1 秒大约回调 120 次。@property(nonatomic,assign)NSUInteger frameCount;/// 上一次刷新 FPS 文案的时间点。/// 当 timestamp - lastTime 达到 kZYLFPSUpdateInterval 时，计算并展示一次 FPS。@property(nonatomic,assign)CFTimeInterval lastTime;@end@implementationZYLFPSLabel+(instancetype)sharedFPSLabel{staticZYLFPSLabel*label=nil;staticdispatch_once_t onceToken;dispatch_once(&onceToken,^{label=[[ZYLFPSLabel alloc]initWithFrame:CGRectMake(12,88,78,28)];});returnlabel;}-(instancetype)initWithFrame:(CGRect