iOS之深入解析图片解压缩到渲染的过程

一、图像从文件到显示屏幕过程

① 图像显示到屏幕原理

通常计算机在显示是CPU与GPU协同合作完成一次渲染。接下来了解一下CPU/GPU等在这样一次渲染过程中，具体的分工是什么?

• CPU：计算视图frame，图片解码，需要 绘制纹理图片通过数据总线交给GPU ；
• GPU： 纹理混合，顶点变换与计算，像素点的填充计算，渲染到帧缓冲区 ；
• 时钟信号： 垂直同步信号V-Sync / 水平同步信号H-Sync ；
• iOS设备双缓冲机制：显示系统通常会引入两个帧缓冲区， 双缓冲机制 。

② 图片显示到屏幕上是CPU与GPU的协作完成

对应用来说，图片是最占用手机内存的资源，将一张图片从磁盘中加载出来，并最终显示到屏幕上，中间其实经过了一系列复杂的处理过程。

二、图片加载的工作流程

• 假设我们使用 +imageWithContentsOfFile: 方法从磁盘中加载一张图片，这个时候的图片并没有解压缩；
• 然后将生成的 UIImage 赋值给 UIImageView ；
• 接着一个 隐式的 CATransaction 捕获到了 UIImageView 图层树的变化 ；
• 在主线程的下一个 runloop 到来时，Core Animation 提交了这个隐式的 transaction ，这个过程可能会对图片进行 copy 操作 ，而受图片是否 字节对齐 等因素的影响，这个 copy 操作可能会涉及以下部分或全部步骤：
  • 分配内存缓冲区 用于管理文件 IO 和解压缩操作；
  • 将文件数据 从磁盘读到内存中 ；
  • 将压缩的图片数据解码成未压缩的位图形式 ，这是一个非常耗时的 CPU 操作；
  • 最后 Core Animation 中 CALayer 使用未压缩的位图数据渲染 UIImageView 的图层；
  • CPU 计算好图片的 Frame，对图片解压之后，就会交给 GPU来做图片渲染 。
• 渲染流程
  • GPU获取 获取图片的坐标 ；
  • 将坐标交给顶点着色器(顶点计算)；
  • 将图片 光栅化 (获取图片对应屏幕上的像素点)；
  • 片元着色器计算 (计算每个像素点的最终显示的颜色值)；
  • 从帧缓存区中渲染到屏幕上 。
• 图片的解压缩是一个非常耗时的 CPU 操作，并且它默认是在主线程中执行的。那么当需要加载的图片比较多时，就会对应用的响应性造成严重的影响，尤其是在快速滑动的列表上，这个问题会表现得更加突出。

三、为什么要解压缩图片？

• 既然图片的解压缩需要消耗大量的 CPU 时间，那么为什么还要对图片进行解压缩呢？是否可以不经过解压缩，而直接将图片显示到屏幕上呢？答案是否定的，要想弄明白这个问题，首先需要知道什么是位图。
• 其实， 位图就是一个像素数组 ，数组中的每个像素就代表着图片中的一个点。在应用中经常用到的 JPEG 和 PNG 图片就是位图。
• 打印rawData，这里就是图片的原始数据：

	UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"text.png"];
	CFDataRef rawData = CGDataProviderCopyData(CGImageGetDataProvider(image.CGImage));

• 其实，不管是 JPEG 还是 PNG 图片，都是一种 压缩的位图图形格式 。只不过 PNG 图片是 无损压缩 ，并且支持 alpha 通道，而 JPEG 图片则是 有损压缩 ，可以指定 0-100% 的压缩比。值得一提的是，在苹果的 SDK 中专门提供了两个函数用来生成 PNG 和 JPEG 图片：

	// return image as PNG. May return nil if image has no CGImageRef or invalid bitmap format
	UIKIT_EXTERN NSData * __nullable UIImagePNGRepresentation(UIImage * __nonnull image);
	
	// return image as JPEG. May return nil if image has no CGImageRef or invalid bitmap format. compression is 0(most)..1(least)                           
	UIKIT_EXTERN NSData * __nullable UIImageJPEGRepresentation(UIImage * __nonnull image, CGFloat compressionQuality);

• 因此，在将磁盘中的图片渲染到屏幕之前， 必须先要得到图片的原始像素数据，才能执行后续的绘制操作 ，这就是为什么需要对图片解压缩的原因。

四、解压缩原理

• 既然图片的解压缩不可避免，而我们也不想让它在主线程执行，影响我们应用的响应性，那么是否有比较好的解决方案呢？
• 我们前面已经提到了，当未解压缩的图片将要渲染到屏幕时，系统会在主线程对图片进行解压缩，而如果图片已经解压缩了，系统就不会再对图片进行解压缩。因此，也就有了业内的解决方案，在子线程提前对图片进行强制解压缩。
• 而强制解压缩的原理就是 对图片进行重新绘制，得到一张新的解压缩后的位图。其中，用到的最核心的函数是 CGBitmapContextCreate ：
  • data ：如果不为 NULL ，那么它应该指向一块大小至少为 bytesPerRow * height 字节的内存；如果 为 NULL ，那么系统就会为我们自动分配和释放所需的内存，所以一般指定 NULL 即可；
  • width 和height ： 位图的宽度和高度 ，分别赋值为图片的像素宽度和像素高度即可；
  • bitsPerComponent ： 像素的每个颜色分量使用的 bit 数 ，在 RGB 颜色空间下指定 8 即可；
  • bytesPerRow ： 位图的每一行使用的字节数 ，大小至少为 width * bytes per pixel 字节。当我们指定 0/NULL 时，系统不仅会为我们自动计算，而且还会进行 cache line alignment 的优化
  • space ：就是我们前面提到的 颜色空间 ，一般使用 RGB 即可；
  • bitmapInfo ： 位图的布局信息 ，kCGImageAlphaPremultipliedFirst

	CG_EXTERN CGContextRef __nullable CGBitmapContextCreate(void * __nullable data,
    size_t width, size_t height, size_t bitsPerComponent, size_t bytesPerRow,
    CGColorSpaceRef cg_nullable space, uint32_t bitmapInfo)
    CG_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_0, __IPHONE_2_0);

五、YYImage/SDWebImage开源框架实现

• 用于解压缩图片的函数 YYCGImageCreateDecodedCopy 存在于 YYImageCoder 类中，核心代码如下：

CGImageRef YYCGImageCreateDecodedCopy(CGImageRef imageRef, BOOL decodeForDisplay) {
     
    ...

    if (decodeForDisplay) {
      // decode with redraw (may lose some precision)
        CGImageAlphaInfo alphaInfo = CGImageGetAlphaInfo(imageRef) & kCGBitmapAlphaInfoMask;

        BOOL hasAlpha = NO;
        if (alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedLast ||
            alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedFirst ||
            alphaInfo == kCGImageAlphaLast ||
            alphaInfo == kCGImageAlphaFirst) {
     
            hasAlpha = YES;
        }

        // BGRA8888 (premultiplied) or BGRX8888
        // same as UIGraphicsBeginImageContext() and -[UIView drawRect:]
        CGBitmapInfo bitmapInfo = kCGBitmapByteOrder32Host;
        bitmapInfo |= hasAlpha ? kCGImageAlphaPremultipliedFirst : kCGImageAlphaNoneSkipFirst;

        CGContextRef context = CGBitmapContextCreate(NULL, width, height, 8, 0, YYCGColorSpaceGetDeviceRGB(), bitmapInfo);
        if (!context) return NULL;

        CGContextDrawImage(context, CGRectMake(0, 0, width, height), imageRef); // decode
        CGImageRef newImage = CGBitmapContextCreateImage(context);
        CFRelease(context);

        return newImage;
    } else {
     
        ...
    }
}

• 它接受一个原始的位图参数 imageRef ，最终返回一个新的解压缩后的位图 newImage ，中间主要经过了以下三个步骤：
  • 使用 CGBitmapContextCreate 函数创建一个位图上下文；
  • 使用 CGContextDrawImage 函数将原始位图绘制到上下文中；
  • 使用 CGBitmapContextCreateImage 函数创建一张新的解压缩后的位图。
• 事实上，SDWebImage 中对图片的解压缩过程与上述完全一致，只是传递给 CGBitmapContextCreate 函数的部分参数存在细微的差别。
• 性能对比:
  • 在解压 PNG 图片，SDWebImage > YYImage；
  • 在解压 JPEG 图片，SDWebImage < YYImage。

总结

• 图片文件只有在确认要显示时，CPU才会对齐进行解压缩，因为解压是非常消耗性能的事情，解压过的图片就不会重复解压，会缓存起来。
• 图片渲染到屏幕的过程: 读取文件 -> 计算Frame -> 图片解码 -> 解码后纹理图片位图数据通过数据总线交给GPU -> GPU获取图片Frame -> 顶点变换计算 -> 光栅化 -> 根据纹理坐标获取每个像素点的颜色值(如果出现透明值需要将每个像素点的颜色*透明度值) -> 渲染到帧缓存区 -> 渲染到屏幕。