使用Instrument调试界面卡顿

来自Leo的原创博客，转载请著名出处

我的StackOverflow

我的Github,欢迎Follow
https://github.com/LeoMobileDeveloper

---

前言

工欲善其事，必先利其器。Instrument对于iOS开发来说，是发现并且解决问题的一把利器。

本文会用到的两个工具包括：

• Time Profiler（获取代码运行时间,一般用来看CPU占用）
• Core Animation(获取图形绘制情况，FPS，离屏渲染等)

本文使用的XCode 版本7.3.1,源代码是Swift 2.2写的

---

界面显示的原理

iOS设备通常是60fps(每秒60帧)，也就是说两帧相隔的时间是1/60秒，大概16.7ms。在这16.7ms中，为了显示一帧，需要如下工作

• CPU计算好各个视图的位置，大小，对图片进行解码等，绘制成纹理交给GPU
• GPU对收到的纹理进行混合，顶点变换，渲染到帧缓冲区
• 每16.7ms,一个时钟信号到达，帧缓冲区取出一帧，显示到屏幕。

也就是说，CPU或者GPU被大量占用的时候，都有可能在16.7ms中没办法完成一帧的绘制，导致时钟信号到来的时候，取得还是上一帧的内容，也就都有可能导致界面卡顿

---

离屏渲染

在iOS中，渲染通常分为CPU和GPU渲染两种，而GPU渲染又分为在GPU缓冲区和非GPU缓冲区两种

• CPU渲染（软件渲染）,CPU绘制成bitmap，交给GPU
• GPU渲染（硬件渲染）
  
  • GPU缓冲区渲染
  • 非GPU缓冲区渲染（额外开辟缓冲区）

通常，CPU渲染，和GPU非帧缓冲区内渲染统称为离屏渲染。因为，CPU和帧缓冲区是为图形图像显示做了高度优化的，速度较快。

什么情况下会触发离屏幕渲染？

• 用CoreGraphics的CGContext绘制的
• 在drawRect中绘制的，即使drawRect是空的
• Layer具有Mask（比如圆角）或者Shadow
• Layer的隔栅化shouldRasterize为True
• 文本(UILabel,UITextfield,UITextView,CoreText,UITextLayer等)

离屏渲染一定会引起性能问题吗？

很少会，比如drawRect这个方法，只会在时图进行重新绘制的时候才会调用。也就是说，假如你的View并不会频繁重绘，那么即使实现了drawRect，也没什么关系。

对了，目前iOS设备的硬件越来越好也是一个原因，想要要性能差也挺难的。

CoreGraphics VS CALayer

上文提到了，CoreGraphics通常是CPU渲染成bitmap交给GPU，假如频繁的大量的绘制出现，往往会导致界面卡顿。而CALayer是对GPU做过优化的，能够硬件加速。所以，对于性能要求较高的绘制，尝试用CALayer替代CoreGraphics

---

一个反面教材

一定要在真机上测试性能才有意义，本文是采用iPhone 5s来调试的。一般测试性能支持的性能最差的就可以了，如果是iOS 8要测试4s上的性能。

界面很简单，一个ImageView，右侧是随机生成的100个字符，富文本显示。

---

Time Profile

1.打开Time Profile，然后运行想要分析的App

2.进入主界面，上下滚动List，让Time Profile采集数据，
勾选右侧的

• Separate by Thread，按线程区分
• Invert Call Tree ，逆向Call Tree，方便我们查看方法调用顺序
• Hide System Libraries，隐藏系统的库，因为通常系统的代码并不会影响性能

3.可以选择一段时间，来分析这段时间CPU的使用情况

4.找到占用时间最多的代码

然后，双击占用最多的这一行，进入实际的代码，看看到底哪里占用比较多

这里，我们看到是这一行代码cell.testLabel?.attributedText = mutableAttr。
占用最多的CPU时间。

我们先来看下整个方法代码，

• TableViewCell其实很简单，就一个ImageView（带圆角，阴影），一个UILabel
• cellForRowAtIndexPath里会随机的生成100个字符，然后用AttributeText来让UILabel显示

乍一看，问题应该是这个随机生成100个字符的函数啊

    func calculateRandomText()->String{
        var result = ""
        for _ in 0...100{
            let random = getRandomCharFromString(globalStr)
            result.appendContentsOf(random)
        }
        return result
    }

因为，每一次CellForRow调用的时候，都会计算100次。然后，我们实际分析的时候，发现其实100次对显示来说，真不算什么，也不是卡顿的原因。

那么，为什么设置attributeText占用时间这么多呢？

其实很简单，attributeText是建立在TextKit上的，由于每一次显示都是随机的attributeText,每一次都要重新计算文本的大小，位置等等。另外，UIKit中，提供的文本渲染都是在CPU中进行的，渲染成Bitmap，然后交给GPU，所以导致设置attributeText的时候，占用很多时间。

这里不得不提到：一定不要过早优化，优化的时候尽量依赖于Instrument的分析结果，而不是自己的主观感受。尤其当你还是个新司机的时候。

---

Core Animation

在Instrument中，Command+L打开Library，然后添加Core Animation。我们来看看GPU的相关的问题

最直观的就是滚动视图，查看FPS（Frame per second）,一般小于50帧就会看到明显的掉帧。

备注：这里的很多参考自这本书

1.看看图层混合情况

• 只开启Color Blended Layers,然后没有混合的部分会是绿色，混合最严重的部分会是红色。大量的图层混合会消耗GPU的时间，因为对于一个像素点，GPU不能简单的使用最上层的视图的颜色，而是需要进行计算叠加。

会看到截图如下

这里的Cell整个背景都是红的，因为背景是alpha为0.3的View，UILabel是深红色的，因为大量的阴影。

2.看看隔栅化情况，

• 只开启Color Hits Green and Misses Red，当使用shouldRasterize属性的时候，耗时的图层绘制会被缓存，然后当做一个简单的扁平图片呈现。当缓存无法使用必须重建的时候，会被高亮为红色。

截图如下：

3.看看拷贝图片情况

• 只开启Color Copied Images - 有时候寄宿图片的生成意味着Core Animation被强制生成一些图片，然后发送到渲染服务器，而不是简单的指向原始指针。这个选项把这些图片渲染成蓝色。复制图片对内存和CPU使用来说都是一项非常昂贵的操作，所以应该尽可能的避免。

我的测试项目里没有这个，所以不贴图了。

4.看看图片有没有像素不对齐，有没有拉伸和缩放

• Color Misaligned Images,可以看到如下。（因为我们的缩略图其实是一张很大的图，所以被缩放了，导致显示成黄色）

5.看看离屏渲染

-只开启Color Offscreen-Rendered Yellow,离屏幕渲染的部分会被高亮成黄色

6.其他选项

• Color Immediately 通常Core Animation Instruments以每毫秒10次的频率更新图层调试颜色。对某些效果来说，这显然太慢了。这个选项就可以用来设置每帧都更新
• Color OpenGL Fast Path Blue 这个选项会对任何直接使用OpenGL绘制的图层进行高亮
• Flash Updated Region 这个选项会对重绘的内容高亮成黄色（也就是任何在软件层面使用Core Graphics绘制的图层）。这种绘图的速度很慢。

---

界面顿卡的原因

界面顿卡主要从两个角度考虑

CPU限制

• 对象的创建，释放，属性调整。这里尤其要提一下属性调整，CALayer的属性调整的时候是会创建隐式动画的，是比较损耗性能的。
• 视图和文本的布局计算，AutoLayout的布局计算都是在主线程上的，所以占用CPU时间也很多 。U
• 文本渲染，诸如UILabel和UITextview都是在主线程渲染的
• 图片的解码，这里要提到的是，通常UIImage只有在交给GPU之前的一瞬间，CPU才会对其解码。

GPU限制

• 视图的混合。比如一个界面十几层的视图叠加到一起，GPU不得不计算每个像素点药显示的像素
• 离屏渲染。视图的Mask，圆角，阴影。
• 半透明，GPU不得不进行数学计算，如果是不透明的，CPU只需要取上层的就可以了
• 浮点数像素

---

界面顿卡的优化

建议使用成熟的”轮子”，因为作为一个开发者，你的工作是写出高质量的App，那么为什么不用那些已经验证成功的框架呢？如果真的轮子不能实现，或者你有闲下来的时间，再造轮子未尝不可。

使用AsyncDisplayKit

使用FaceBook出品的AsyncDisplayKit来写复杂的界面。能够获得异步绘制，预先加载等诸多好处。不过，需要一定的学习成本，前段时间看了下网易新闻的安装包，就使用了AsyncDisplayKit

图文混排引擎

大多数性能要求较高的界面就是图文混排，比如微博Feed，微信朋友圈等界面。建议使用成熟的图文混排引擎，因为这些引擎一般支持异步绘制，并且做了大量优化。推荐两个

• YYKit
• DTCoreText

---

异步绘制

把复杂的界面，放到后台线程里绘制成一个bitmap，然后再显示。虽然有些延迟，不过换来的却是平滑的界面。

图片的解码

建议使用成熟的库，比如SDWebImage等，能够在后台进行图片解码，减少CPU的使用。

预加载与缓存

对于复杂的TableView，可以对Cell视图的各个控件的大小，位置后台进行预计算，并且缓存起来。这样保证在heightForRow和cellForRow中不进行大量的计算。

尽量使用CALayer

因为Layer是一个轻量级的视图结构，它不接受通知，不接受触摸，不在响应链。所以，相对于UIView来说，它的性能较好。并且CALayer及其子类是可以使用GPU渲染的，能够硬件加速。

图层预合成

将两个CALayer的内容合成到一个Bitmap里，然后显示。能够减轻GPU的压力

---

资料

建议看看这几篇文章

• objc.io-绘制像素到屏幕上
• YYKit的作者：iOS 保持界面流畅的技巧
• iOS 核心动画高级及技巧，我从这本书里学到很多东西，强烈推荐。