先让我们来看一张iOS渲染架构的图（在WWDC的Advanced Graphics and Animations for iOS Apps（WWDC14 419，关于UIKit和Core Animation基础的session在早年的WWDC中比较多）中有这样一张图：）
我们可以看到，在Application这一层中主要是CPU在操作，而到了Render Server这一层，CoreAnimation会将具体操作转换成发送给GPU的draw calls（以前是call OpenGL ES，现在慢慢转到了Metal），显然CPU和GPU双方同处于一个流水线中，协作完成整个渲染工作。
在上面的渲染流水线示意图中我们可以看到，主要的渲染操作都是由CoreAnimation的Render Server模块，通过调用显卡驱动所提供的OpenGL/Metal接口来执行的。通常对于每一层layer，Render Server会遵循“画家算法”，按次序输出到frame buffer，后一层覆盖前一层，就能得到最终的显示结果（值得一提的是，与一般桌面架构不同，在iOS中，设备主存和GPU的显存共享物理内存，这样可以省去一些数据传输开销）。
下面来让我们看看离屏渲染的定义：
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。（示意图如下）
离屏渲染发生的条件:(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）
然而有些场景并没有那么简单。作为“画家”的GPU虽然可以一层一层往画布上进行输出，但是无法在某一层渲染完成之后，再回过头来擦除/改变其中的某个部分——因为在这一层之前的若干层layer像素数据，已经在渲染中被永久覆盖了。这就意味着，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。（特别注意）
举例说明
1:如果要绘制一个带有圆角并剪切圆角以外内容的容器，就会触发离屏渲染。我的猜想是（如果读者中有图形学专家希望能指正）：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。这就是GPU的离屏渲染。
2:阴影（shadow）
其原因在于，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
其实从名字就可以猜到，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。
其他还有一些，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。
4:善用离屏渲染
尽管离屏渲染开销很大，但是当我们无法避免它的时候，可以想办法把性能影响降到最低。优化思路也很简单：既然已经花了不少精力把图片裁出了圆角，如果我能把结果缓存下来，那么下一帧渲染就可以复用这个成果，不需要再重新画一遍了。
CALayer为这个方案提供了对应的解法：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。有几个需要注意的点：
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。如果你的layer本来并不复杂，也没有圆角阴影等等，打开这个开关反而会增加一次不必要的离屏渲染
4.1: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
4.2:一旦缓存超过100ms没有被使用，会自动被丢弃
4.3: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。如果这件事频繁发生，我们就又回到了“每一帧都需要离屏渲染”的情景，而这正是开发者需要极力避免的。针对这种情况，Xcode提供了“Color Hits Green and Misses Red”的选项，帮助我们查看缓存的使用是否符合预期
4.4: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
5:即刻的优化
由于在iOS10之后，系统的设计风格慢慢从扁平化转变成圆角卡片，即刻的设计风格也随之发生变化，加入了大量圆角与阴影效果，如果在处理上稍有不慎，就很容易触发离屏渲染。为此我们采取了以下一些措施：
5.1:即刻大量应用AsyncDisplayKit(Texture)作为主要渲染框架，对于文字和图片的异步渲染操作交由框架来处理。关于这方面可以看我之前的一些介绍
5.2:对于图片的圆角，统一采用“precomposite”的策略，也就是不经由容器来做剪切，而是预先使用CoreGraphics为图片裁剪圆角
5.3:对于视频的圆角，由于实时剪切非常消耗性能，我们会创建四个白色弧形的layer盖住四个角，从视觉上制造圆角的效果
5.4:对于view的圆形边框，如果没有backgroundColor，可以放心使用cornerRadius来做
5.5:对于所有的阴影，使用shadowPath来规避离屏渲染
5.6:对于特殊形状的view，使用layer mask并打开shouldRasterize来对渲染结果进行缓存
5.7:对于模糊效果，不采用系统提供的UIVisualEffect，而是另外实现模糊效果（CIGaussianBlur），并手动管理渲染结果
总结：离屏渲染牵涉了很多Core Animation、GPU和图形学等等方面的知识，在实践中也非常考验一个工程师排查问题的基本功、经验和判断能力——如果在不恰当的时候打开了shouldRasterize，只会弄巧成拙。
从一个更广阔的视角看，离屏渲染也仅仅是渲染性能优化中的一部分，而能否保证UI性能过关，将会直接影响到用户日常的操作体验。渲染技术作为客户端工程师的关键技术能力之一，值得持续研究。