线图绘制性能分析

简介

在iOS中，软件绘图通常是由Core Graphics框架完成来完成。但是，在一些必要的情况下，相比Core Animation和OpenGL，Core Graphics要慢了不少。

软件绘图不仅效率低，还会消耗可观的内存。CALayer只需要一些与自己相关的内存：它的寄宿图会消耗一定的内存空间。

但是一旦你实现了CALayerDelegate协议中的-drawLayer:inContext:方法或者UIView中的-drawRect:方法（其实就是前者的包装方法），图层就创建了一个绘制上下文，这个上下文需要的大小的内存可从这个算式得出：图层宽图层高4字节，宽高的单位均为像素。对于一个在Retina iPad上的全屏图层来说，这个内存量就是 204815264字节，相当于12MB内存，图层每次重绘的时候都需要重新抹掉内存然后重新分配。
软件绘图的代价昂贵，除非绝对必要，你应该避免重绘你的视图。提高绘制性能的秘诀就在于尽量避免去绘制。

绘制方法对比与选择

Core Graphics绘制 - 如果对视图实现了-drawRect:方法，或者CALayerDelegate的-drawLayer:inContext:方法，那么在绘制任何东西之前都会产生一个巨大的性能开销。为了支持对图层内容的任意绘制，Core Animation必须创建一个内存中等大小的寄宿图片。然后一旦绘制结束之后，必须把图片数据通过IPC传到渲染服务器。在此基础上，Core Graphics绘制就会变得十分缓慢，所以在一个对性能十分挑剔的场景下这样做十分不好。

图层对比与选择

CAShapeLayer

CAShapeLayer是一个通过矢量图形而不是bitmap来绘制的图层子类。你指定诸如颜色和线宽等属性，用CGPath来定义想要绘制的图形，最后CAShapeLayer就自动渲染出来了。当然，你也可以用Core Graphics直接向原始的CALyer的内容中绘制一个路径，相比直下，使用CAShapeLayer有以下一些优点：

渲染快速。CAShapeLayer使用了硬件加速，绘制同一图形会比用Core Graphics快很多。
高效使用内存。一个CAShapeLayer不需要像普通CALayer一样创建一个寄宿图形，所以无论有多大，都不会占用太多的内存。
不会被图层边界剪裁掉。一个CAShapeLayer可以在边界之外绘制。你的图层路径不会像在使用Core Graphics的普通CALayer一样被剪裁掉。
不会出现像素化。当你给CAShapeLayer做3D变换时，它不像一个有寄宿图的普通图层一样变得像素化。

CAShapeLayer应用对比

用Core Graphics做一个简单的『素描』这样实现的问题在于，我们画得越多，程序就会越慢。因为每次移动手指的时候都会重绘整个贝塞尔路径（UIBezierPath），随着路径越来越复杂，每次重绘的工作就会增加，直接导致了帧数的下降。看来我们需要一个更好的方法了。
Core Animation为这些图形类型的绘制提供了专门的类，并给他们提供硬件支持。CAShapeLayer可以绘制多边形，直线和曲线。CATextLayer可以绘制文本。CAGradientLayer用来绘制渐变。
这些总体上都比Core Graphics更快，同时他们也避免了创造一个寄宿图。如果用CAShapeLayer替代Core Graphics，性能就会得到提高，虽然随着路径复杂性的增加，绘制性能依然会下降，但是只有当非常非常浮躁的绘制时才会感到明显的帧率差异。

CAShapeLayer存在的缺陷

特殊情况下用CAShapeLayer或者其他矢量图形图层替代Core Graphics并不是那么切实可行。比如我们的绘图应用：我们用线条完美地完成了矢量绘制。但是设想一下如果我们能进一步提高应用的性能，让它就像一个黑板一样工作，然后用『粉笔』来绘制线条。模拟粉笔最简单的方法就是用一个『线刷』图片然后将它粘贴到用户手指碰触的地方，但是这个方法用CAShapeLayer没办法实现。我们可以给每个『线刷』创建一个独立的图层，但是实现起来有很大的问题。屏幕上允许同时出现图层上线数量大约是几百，那样我们很快就会超出的。这种情况下我们没什么办法，就用Core Graphics吧（除非你想用OpenGL做一些更复杂的事情）。

#import "DrawingView.h"
#import 
#define BRUSH_SIZE 32

@interface DrawingView ()

@property (nonatomic, strong) NSMutableArray *strokes;

@end

@implementation DrawingView

- (void)awakeFromNib
{
    //create array
    self.strokes = [NSMutableArray array];
}

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    //get the starting point
    CGPoint point = [[touches anyObject] locationInView:self];

    //add brush stroke
    [self addBrushStrokeAtPoint:point];
}

- (void)touchesMoved:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    //get the touch point
    CGPoint point = [[touches anyObject] locationInView:self];

    //add brush stroke
    [self addBrushStrokeAtPoint:point];
}

- (void)addBrushStrokeAtPoint:(CGPoint)point
{
    //add brush stroke to array
    [self.strokes addObject:[NSValue valueWithCGPoint:point]];

    //needs redraw
    [self setNeedsDisplay];
}

- (void)drawRect:(CGRect)rect
{
    //redraw strokes
    for (NSValue *value in self.strokes) {
        //get point
        CGPoint point = [value CGPointValue];

        //get brush rect
        CGRect brushRect = CGRectMake(point.x - BRUSH_SIZE/2, point.y - BRUSH_SIZE/2, BRUSH_SIZE, BRUSH_SIZE);

        //draw brush stroke    
        [[UIImage imageNamed:@"Chalk.png"] drawInRect:brushRect];
    }
}
@end

程序绘制一个简单的『素描』这个实现在模拟器上表现还不错，但是在真实设备上就没那么好了。问题在于每次手指移动的时候我们就会重绘之前的线刷，即使场景的大部分并没有改变。我们绘制地越多，就会越慢。随着时间的增加每次重绘需要更多的时间，帧数也会下降（见图13.3），如何提高性能呢？

FPS明显很低

为了减少不必要的绘制，Mac OS和iOS设备将会把屏幕区分为需要重绘的区域和不需要重绘的区域。那些需要重绘的部分被称作『脏区域』。在实际应用中，鉴于非矩形区域边界裁剪和混合的复杂性，通常会区分出包含指定视图的矩形位置，而这个位置就是『脏矩形』。*** 当一个视图被改动过了，TA可能需要重绘。但是很多情况下，只是这个视图的一部分被改变了，所以重绘整个寄宿图就太浪费了。***
但是Core Animation通常并不了解你的自定义绘图代码，它也不能自己计算出脏区域的位置。然而，你的确可以提供这些信息。当你检测到指定视图或图层的指定部分需要被重绘，你直接调用【-setNeedsDisplayInRect:】来标记它，然后将影响到的矩形作为参数传入。这样就会在一次视图刷新时调用视图的-drawRect:（或图层代理的-drawLayer:inContext:方法）。传入-drawLayer:inContext:的CGContext参数会自动被裁切以适应对应的矩形。为了确定矩形的尺寸大小，你可以用CGContextGetClipBoundingBox()方法来从上下文获得大小。调用-drawRect()会更简单，因为CGRect会作为参数直接传入。你应该将你的绘制工作限制在这个矩形中。任何在此区域之外的绘制都将被自动无视，但是这样CPU花在计算和抛弃上的时间就浪费了，实在是太不值得了。相比依赖于Core Graphics为你重绘，裁剪出自己的绘制区域可能会让你避免不必要的操作。那就是说，如果你的裁剪逻辑相当复杂，那还是让Core Graphics来代劳吧，记住：当你能高效完成的时候才这样做。代码展示了一个-addBrushStrokeAtPoint:方法的升级版，它只重绘当前线刷的附近区域。另外也会刷新之前线刷的附近区域，我们也可以用【CGRectIntersectsRect()】来避免重绘任何旧的线刷以不至于覆盖已更新过的区域。这样做会显著地提高绘制效率，下面胡代码用-setNeedsDisplayInRect:来减少不必要的绘制。

- (void)addBrushStrokeAtPoint:(CGPoint)point
{
    //add brush stroke to array
    [self.strokes addObject:[NSValue valueWithCGPoint:point]];

    //set dirty rect
    [self setNeedsDisplayInRect:[self brushRectForPoint:point]];
}

- (CGRect)brushRectForPoint:(CGPoint)point
{
    return CGRectMake(point.x - BRUSH_SIZE/2, point.y - BRUSH_SIZE/2, BRUSH_SIZE, BRUSH_SIZE);
}

- (void)drawRect:(CGRect)rect
{
    //redraw strokes
    for (NSValue *value in self.strokes) {
        //get point
        CGPoint point = [value CGPointValue];

        //get brush rect
        CGRect brushRect = [self brushRectForPoint:point];
        
        //only draw brush stroke if it intersects dirty rect
        if (CGRectIntersectsRect(rect, brushRect)) {
            //draw brush stroke
            [[UIImage imageNamed:@"Chalk.png"] drawInRect:brushRect];
        }
    }
}

FPS正常

异步绘制

UIKit的单线程天性意味着寄宿图通畅要在主线程上更新，这意味着绘制会打断用户交互，甚至让整个app看起来处于无响应状态。我们对此无能为力，但是如果能避免用户等待绘制完成就好多了。针对这个问题，有一些方法可以用到：一些情况下，我们可以推测性地提前在另外一个线程上绘制内容，然后将由此绘出的图片直接设置为图层的内容。这实现起来可能不是很方便，但是在特定情况下是可行的。Core Animation提供了一些选择：CATiledLayer和drawsAsynchronously属性。

CATiledLayer

我们在第六章简单探索了一下CATiledLayer。除了将图层再次分割成独立更新的小块（类似于脏矩形自动更新的概念），CATiledLayer还有一个有趣的特性：在多个线程中为每个小块同时调用-drawLayer:inContext:方法。这就避免了阻塞用户交互而且能够利用多核心新片来更快地绘制。只有一个小块的CATiledLayer是实现异步更新图片视图的简单方法。

drawsAsynchronously

iOS 6中，苹果为CALayer引入了这个令人好奇的属性，drawsAsynchronously属性对传入-drawLayer:inContext:的CGContext进行改动，允许CGContext延缓绘制命令的执行以至于不阻塞用户交互。它与CATiledLayer使用的异步绘制并不相同。它自己的-drawLayer:inContext:方法只会在主线程调用，但是CGContext并不等待每个绘制命令的结束。相反地，它会将命令加入队列，当方法返回时，在后台线程逐个执行真正的绘制。根据苹果的说法。这个特性在需要频繁重绘的视图上效果最好（比如我们的绘图应用，或者诸如UITableViewCell之类的），对那些只绘制一次或很少重绘的图层内容来说没什么太大的帮助。

总结

本章我们主要围绕用Core Graphics软件绘制讨论了一些性能挑战，然后探索了一些改进方法：比如提高绘制性能或者减少需要绘制的数量。