iOS离屏渲染研究

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离屏渲染

概念

如果要在显示屏上显示内容，我们至少需要一块与屏幕像素数据量一样大的frame buffer，作为像素数据存储区域，而这也是GPU存储渲染结果的地方。如果有时因为面临一些限制，无法把渲染结果直接写入frame buffer，而是先暂存在另外的内存区域，之后再写入frame buffer，那么这个过程被称之为离屏渲染。

简单说就是：在当前屏幕缓冲区以外新开辟一个缓冲区进行渲染操作。

离屏渲染消耗性能的原因

1. 需要创建新的缓冲区
2. 离屏渲染的整个过程，需要多次切换上下文环境，先是从当前屏幕（On-Screen）切换到离屏（Off-Screen）；等到离屏渲染结束以后，将离屏缓冲区的渲染结果显示到屏幕上，又需要将上下文环境从离屏切换到当前屏幕

离屏渲染是在哪一步进行的？为什么？

1、CPU”离屏渲染“

在UIView中实现了drawRect方法，就算它的函数体内部实际没有代码，系统也会为这个view申请一块内存区域，等待CoreGraphics可能的绘画操作。

对于类似这种“新开一块CGContext来画图“的操作，有很多文章和视频也称之为“离屏渲染”（因为像素数据是暂时存入了CGContext，而不是直接到了frame buffer）。进一步来说，其实所有CPU进行的光栅化操作（如文字渲染、图片解码），都无法直接绘制到由GPU掌管的frame buffer，只能暂时先放在另一块内存之中，说起来都属于“离屏渲染”。

根据苹果工程师的说法CPU渲染就是俗称的“软件渲染”，而真正的离屏渲染发生在GPU。

2、GPU离屏渲染

对于每一层layer，要么能找到一种通过单次遍历就能完成渲染的算法，要么就不得不另开一块内存，借助这个临时中转区域来完成一些更复杂的、多次的修改/剪裁操作，这时就离屏渲染了。

设置cornerRadius一定会触发离屏渲染吗？

不会

常见离屏渲染场景

1、 cornerRadius+clipsToBounds

1、将一个layer的内容裁剪成圆角，可能不存在一次遍历就能完成的方法
2、容器的子layer因为父容器有圆角，那么也会需要被裁剪，而这时它们还在渲染队列中排队，尚未被组合到一块画布上，自然也无法统一裁剪

此时我们就不得不开辟一块独立于frame buffer的空白内存，先把容器以及其所有子layer依次画好，然后把四个角“剪”成圆形，再把结果画到frame buffer中。这就造成了GPU的离屏渲染。

2、shadow

原因在于，虽然layer本身是一块矩形区域，但是阴影默认是作用在其中”非透明区域“的，而且需要显示在所有layer内容的下方，因此根据画家算法必须被渲染在先。但矛盾在于此时阴影的本体（layer和其子layer）都还没有被组合到一起，怎么可能在第一步就画出只有完成最后一步之后才能知道的形状呢？这样一来又只能另外申请一块内存，把本体内容都先画好，再根据渲染结果的形状，添加阴影到frame buffer，最后把内容画上去（这只是我的猜测，实际情况可能更复杂）。

不过如果我们能够预先告诉CoreAnimation（通过shadowPath属性）阴影的几何形状，那么阴影当然可以先被独立渲染出来，不需要依赖layer本体，也就不再需要离屏渲染了。

3、group opacity

alpha并不是分别应用在每一层之上，而是只有到整个layer树画完之后，再统一加上alpha，最后和底下其他layer的像素进行组合。显然也无法通过一次遍历就得到最终结果。将一对蓝色和红色layer叠在一起，然后在父layer上设置opacity=0.5，并复制一份在旁边作对比。左边关闭group opacity，右边保持默认（从iOS7开始，如果没有显式指定，group opacity会默认打开），然后打开offscreen rendering的调试，我们会发现右边的那一组确实是离屏渲染了。

4、mask

我们知道mask是应用在layer和其所有子layer的组合之上的，而且可能带有透明度，那么其实和group opacity的原理类似，不得不在离屏渲染中完成。

5、UIBlurEffect

同样无法通过一次遍历完成，其原理在WWDC中提到。

6、shouldRasterize。一旦被设置为true

Render Server就会强制把layer的渲染结果（包括其子layer，以及圆角、阴影、group opacity等等）保存在一块内存中，这样一来在下一帧仍然可以被复用，而不会再次触发离屏渲染。

注意：

1. shouldRasterize的主旨在于降低性能损失，但总是至少会触发一次离屏渲染。
2. 离屏渲染缓存有空间上限，最多不超过屏幕总像素的2.5倍大小
3. 一旦缓存超过100ms没有被使用，会自动被丢弃
4. layer的内容（包括子layer）必须是静态的，因为一旦发生变化（如resize，动画），之前辛苦处理得到的缓存就失效了。
5. 其实除了解决多次离屏渲染的开销，shouldRasterize在另一个场景中也可以使用：如果layer的子结构非常复杂，渲染一次所需时间较长，同样可以打开这个开关，把layer绘制到一块缓存，然后在接下来复用这个结果，这样就不需要每次都重新绘制整个layer树了

7、其他

类似allowsEdgeAntialiasing等等也可能会触发离屏渲染，

原理也都是类似：如果你无法仅仅使用frame buffer来画出最终结果，那就只能另开一块内存空间来储存中间结果。这些原理并不神秘。

什么时候需要CPU渲染

渲染性能的调优，其实始终是在做一件事：平衡CPU和GPU的负载，让他们尽量做各自最擅长的工作。

绝大多数情况下，得益于GPU针对图形处理的优化，我们都会倾向于让GPU来完成渲染任务，而给CPU留出足够时间处理各种各样复杂的App逻辑。

为此Core Animation做了大量的工作，尽量把渲染工作转换成适合GPU处理的形式（也就是所谓的硬件加速，如layer composition，设置backgroundColor等等）。

但是对于一些情况，如文字（CoreText使用CoreGraphics渲染）和图片（ImageIO）渲染，由于GPU并不擅长做这些工作，不得不先由CPU来处理好以后，再把结果作为texture传给GPU。

一个典型的例子是，我们经常会使用CoreGraphics给图片加上圆角（将图片中圆角以外的部分渲染成透明）。整个过程全部是由CPU完成的。这样一来既然我们已经得到了想要的效果，就不需要再另外给图片容器设置cornerRadius。另一个好处是，我们可以灵活地控制裁剪和缓存的时机，巧妙避开CPU和GPU最繁忙的时段，达到平滑性能波动的目的。

学习

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