影响动画性能的因素及如何使用 Instruments 检测

CoreAnimationXmind.png

这是 Core Animation 的系列文章，介绍了 Core Animation 的用法，以及如何进行性能优化。

CoreAnimation基本介绍

CGAffineTransform和CATransform3D

CALayer及其各种子类

CAAnimation：属性动画CABasicAnimation、CAKeyframeAnimation以及过渡动画、动画组

图层时间CAMediaTiming

计时器CADisplayLink

影响动画性能的因素及如何使用 Instruments 检测

图像IO之图片加载、解码，缓存

图层性能之离屏渲染、栅格化、回收池

前面的几篇文章已经介绍了 Core Animation 的动画、图层、时间等，Core Animation 功能和性能都很强大。但如果不清楚核心动画原理，可能会以非常低效的方式使用。

这篇文章介绍可能引起动画性能降低的原因，以及如何避免、修复这些问题。

1. CPU VS GPU

渲染和动画涉及到CPU（中央处理器，Central Processing Unit）和GPU（Graphics Processing Unit）。在现代的 iOS 设备中，CPU和GPU都是可编程芯片，即可运行不同软件。但由于历史原因，常称 CPU 执行的工作为软件层面，GPU 为硬件层面。

GPU 最初旨在为计算机图形和视频创建图像，但自2010年以来，GPU 也可用于加速涉及大量数据的计算。

可以将 CPU 视为整个系统的任务负责人，协调各种通用计算任务。GPU 执行较窄领域的更专门的任务（通常是数学任务）。借助并发，GPU 执行任务速度远远高于 CPU。

CAPerformanceCPUGPU.png

CPU、GPU 对比如下：

CPU	GPU
多核	非常多核
低延迟	高通量
适合串行任务	适合并行任务
可以同时执行多项任务	可以同时执行上千任务

通常来讲可以在 CPU 中执行所有任务，但对于图像处理 GPU 速度会更快。因为图像处理涉及大量浮点计算，而 GPU 更擅长此类计算。因此，将尽可能多的渲染工作转移给 GPU 处理，但如果将过多任务交由 GPU 处理，也会影响 app 性能。

性能优化就是将任务合理分配给 CPU、GPU。为了实现这一目标，需先了解 Core Animation 如何为 CPU、GPU 分配任务。

1.1 动画阶段

动画和组合图层由单独进程处理，独立于 app 之外，该进程被称为 render tree。

提交交易 Commit Transaction时，分为以下四个阶段：

布局 layout：准备 view、layer 层级结构，设置 layer 属性，例如：frame、backgroundColor、border等。
渲染 display：对 layer 的 backing image 进行渲染。渲染会调用draw(_:)、draw(_:in:)方法。
准备 prepare：Core Animation 准备将 animation data 发送至 render server。图片解码、转换也是在此阶段。
提交 commit：Core Animation 打包所有图层和属性，使用进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）发送至 render tree 进行渲染。这个过程是递归的，必须迭代整个视图层级。如果图层树复杂，整个过程会很昂贵。这也是为什么要让图层树尽可能平坦，以确保这一阶段尽可能高效。

上述四个阶段发生在 app 内，在显示到屏幕上前还有额外工作。当打包的 layer 和动画到达 render server 进程时，会被反序列化为图层树，称为 render tree。借助 render tree 为每一帧动画执行以下工作：

为所有图层属性计算中间值，设置 OpenGL/Metal 几何形状执行渲染。
在屏幕上渲染可见的三角形。

所以，共有六个阶段。最后两个阶段在动画过程中不停重复，前五个阶段由 CPU 执行，最后一个阶段由 GPU 执行。你只能控制前两个阶段：布局和绘制，Core Animation 框架内部处理剩余阶段。

动画本身分为三个阶段：

创建动画，更新视图层级。
准备和提交动画。这一阶段会调用layoutSubviews()和drawRect。
提交视图层级和动画。

CAPipeline.png

在布局和渲染阶段，你可以决定哪些工作交由 CPU、哪些工作交由 GPU。但应如何分配呢？

1.2 GPU 相关操作

GPU 为特定任务进行了优化，采集图片、集合信息，运行变换，应用纹理，混合后输出到屏幕上。GPU 在这些操作上有很大的灵活性，但 Core Animation 并未提供相关接口。除非绕过 Core Animation 直接使用 OpenGL/Metal，否则，可使用硬件加速的的任务非常固定。

从广义上讲，大部分CALayer的属性使用 GPU 渲染。例如，背景色、描边色可以使用着色的三角形高效绘制。为contents属性设置图片，即使进行了缩放、裁剪，也可以使用纹理三角形高效渲染，无需使用 CPU。

但以下这些操作会降低 GPU 渲染性能：

太多几何结构。GPU 可以处理百万级三角板，几何结构一般不会是核心动画的瓶颈，但 layer 需经过预处理后使用 IPC 发送至 render tree。太多图层会引起 CPU 性能瓶颈，进而影响一次可渲染图层数量。
重绘(Overdraw)。主要由半透明图层重叠造成，GPU 的填充比率（fill rate，用颜色填充像素的比率）是有限的，所以需避免重绘（同一帧用相同的像素填充多次）。GPU 已经可以应对重绘，即使是 iPhone 3GS，也可以处理2.5的填充率，同时保持60fps。即可以渲染2.5屏内容。新设备重绘能力更为强劲。
离屏渲染（Offscreen drawing）。某些效果不能直接向屏幕渲染，而需先在离屏 context 渲染。Offscreen drawing 发生于 GPU 渲染的 render server，此时需要为离屏图片上下文开辟额外内存空间，并进行绘制上下文切换，这些都会降低 GPU 性能。cornerRadius、mask、阴影、栅格化都会导致 Core Animation 离屏预渲染图层。这并不是说需要禁止使用这些效果，只是使用时需了解其对性能的影响。
过大的图片。如果渲染的图片大于 GPU 纹理（texture）支持的最大大小（通常为2048*2048或4096*4096，随硬件改变），每次渲染前都需要使用 CPU 进行预处理，这会降低 GPU 性能。

1.3 CPU 相关操作

Core Animation 动画开始前，CPU 已经开始处理相关工作了。这意味着不会影响帧率，但可能导致动画延迟，进而导致界面无响应。

下面这些 CPU 操作均会延迟动画开始时间：

计算布局。如果视图层级结构复杂，当显示、修改视图时，会需要一定时间计算布局。
视图懒加载。只有在屏幕上显示视图控制器时，系统才会加载所需视图。这样有利于减少内存、降低 app 启动时间，但如果显示到屏幕上前需要处理太多工作，会导致 app 无响应。如果控制器数据来自于本地数据库，控制器来自于 storyboard，或者包含图片等，都会导致磁盘读写，磁盘读写比 CPU 指令慢很多。
Core Graphics 绘制。如果实现了视图的draw(_:)方法，或CALayerDelegate协议的draw(_:in:)方法，即使不绘制任何内容，也会产生明显性能开销。为了支持绘制内容，Core Animation 必须在内存中开辟与视图同大小的 backing image，绘制完成后使用进程间通信将数据发送给 render server。相对来说，Core Graphics 绘制速度慢，不推荐在性能挑剔场景使用。
图片解码 Image decompression。编码的 png、jpeg图片比未编码图片小很多。图片显示到屏幕前，必须先解码。为了减少内存占用，iOS 直到需要显示图片时才对图片进行解码。如果是大图，解码过程可能很耗时。

图层打包发送到 render tree 后，CPU 还需继续处理动画相关工作。为了把图层显示到屏幕，Core Animation 需循环 render tree 中可见图层，并转换为纹理三角板以便 OpenGL/Metal 处理。CPU 必须处理这些转换，因为 GPU 对图层层级结构没有概念。CPU 在这一环节工作量与图层数量成正比，图层多了后 CPU 渲染每一帧的负担都会增加，尽管这些工作在 app 之外的进程执行。

1.4 IO 相关操作

IO（Input/Output，即输入/输出）指通过磁盘、网络接口输入、输出数据。有些动画可能涉及从磁盘读取数据，例如，切换控制器时从磁盘读区 storyboard、nib文件；轮播图片太大时，每次都需要从磁盘读取。

IO 比访问内存慢很多。如果动画过程中涉及 IO，动画性能可能会出现问题。可以借助线程、缓存、预加载技术解决 IO 问题。

2. 测量而非猜测

已经掌握了动画可能出现性能瓶颈的点，但如何解决这些性能瓶颈呢？一般，借助工具测量性能问题出在哪里，而非根据猜测尝试修复。

2.1 在真机测量

进行性能优化时，应在真机测试，而非模拟器。模拟器可以提高开放效率，但并不能准确反映设备性能。

模拟器运行于 Mac 上，Mac 的 CPU 可能比 iOS 设备 CPU 性能高很多。Mac 的 GPU 与 iOS 的有很多不同，Mac 需要使用 CPU 模拟 GPU，导致模拟器中 GPU 相关操作比 CPU 中的慢很多，特别使用了CAEAGLLayer时。也就是模拟器中的性能表现和真机可能有很大不同。

测试性能的另一要点就是使用发布版本(Release)，而非调试版（Debug mode）。构建发布版时，编译器会过滤掉调试内容，包括开发者自定义的在 release 版本中移除print语句等，我们只关注 release 版本性能，也只需在 release 中测试性能。

最后，尽可能在 app 支持的最旧的设备中测试。有时，Apple 发布的大版本系统更新、硬件发布，相关性能可能发生变化，最好能够在不同设备、不同版本系统中进行测试。

2.2 保持一致的帧率

为了获得平滑动画，动画帧率应与屏幕刷新帧率一致。使用CADisplayLink可以降低帧率到30fps，但没有办法修改 Core Animaiton 动画的帧率。如果动画达不到60fps，会有帧会被跳过，app 产生卡顿。

眼睛可以分辨出 app 是否有严重掉帧，但不能衡量出严重程度。想要优化性能，需要获得当前帧率数值。Xcode 提供的 Instruments 工具可以检测帧率。

3. Instruments 介绍

Instruments 是 Xcode 的检测工具，可以检测应用启动时间、动画、电量消耗、内存泄漏等。

3.1 Time Profiler 模版

使用 Time Profiler 监测 CPU 使用率，可以获知哪个方法占用了大量 CPU 时间。虽然使用大量 CPU 不一定是性能瓶颈，但在动画出现性能问题时，你可能需要判断是否是 CPU 问题导致的。

CATimeProfiler.png

Time Profiler 的 Call Tree 有一些选项，用于过滤掉不关心的内容。常用选项如下：

Separate by State：根据 app 生命周期状态分组，可以方便看到 app 各状态下的工作量。
Separate by Thread：根据方法所在线程进行分组。如果使用了多线程，Separate by thread 可以区分出那个线程导致的问题。
Invert Call Tree：勾选后，将反转堆栈，先显示底部部分。
Hide System Libraries：隐藏所有系统框架方法，可以区分出我们的那个方法有性能瓶颈。
Flatten Recursive：将递归调用合并到一个单个条目中。
Top Functions：调用函数所用时间，与从该函数调用的函数消耗的时间相累加，有助于找到耗时方法。

3.2 Core Animation 模版

Instruments 的 Core Animation 工具用于监测核心动画性能，可以记录动画帧率

3.3 Xcode Rendering 选项

Xcode 提供的 Rendering 选项，用于辅助调试渲染性能瓶颈。点击Xcode 中的 Debug > View Debugging > Rendering 可以看到所有选项。

CARendering.png

Color Blended Layers：高亮显示屏幕中半透明图层重叠的区域，并根据重叠程度由绿色变为红色。重叠会导致重绘，进而影响 GPU 性能，也是滑动、动画性能下降的常见原因。
Color Hits Green and Misses Red：开启shouldRasterize属性后，layer 绘制会被缓存起来，并被渲染成一张图片。如果缓存的图片需要不断重新生成，该选项会使用红色标记重绘部分，这一部分对性能会有负面影响。
Color Copied Images：如果图片色彩格式 GPU 不支持，就需要先在 CPU 中转换。Core Animation 就需要复制一份图片，而非传递指针，Color copied Images 使用蓝色标记图片。复制图片对内存消耗很大，应尽可能避免。
Color Immediatelly：正常情况下，Instruments 的 Core Animation 模版10毫秒更新一次调试色。对于某些特殊情况，你可能想获得调试色的立即更新，但开启 Color Immediately 后可能影响渲染性能、动画帧率，一般无需长期开启。
Color Misaligned Images：高亮显示被拉伸、压缩，或边界未与像素对齐（即宽高不是整数）的图片。大部分情况下对图片进行压缩、拉伸很正常，但如果错误的把大图作为缩略图使用，可以使用 Color Misaligned Images 检测发现。
Color Offscreen-Rendered Yellow：使用黄色高亮显示离屏渲染的图层，可以使用shouldRasterize、shadowPath优化图层。
Flash Updated Regions：使用黄色高亮显示重绘部分，即任何使用 Core Graphics 重绘的图层。这种绘制速度慢，如果高频重绘会影响应用性能，可以通过使用缓存或其他技术解决。

此外，模拟器 Debug 选项中也提供了部分高亮选项。

4. 使用 Instruments 优化性能

在这一部分使用 Instruments 分析、优化应用性能。

Demo 使用UITableView展示通讯录。为了模拟真实效果，使用UIImage(contentsOfFile:)加载图片，而没有使用会使用缓存的UIImage(named:)方法加载头像，还添加了阴影，以便 app 性能更低。

如下所示：

/// 使用 Instruments 的 Core Animation 模版监测性能
class PerformanceViewController: BaseViewController {
    
    var items = [Dictionary]()
    var tableView = UITableView(frame: .zero, style: .plain)
    
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        
        var array = [Dictionary]()
        for _ in 0...3000 {
            array.append(["name": self.randomName(), "image": self.randomAvatar()])
        }
        items = array
        
        tableView.backgroundColor = .white
        tableView.dataSource = self
        tableView.register(UITableViewCell.self, forCellReuseIdentifier: "cell")
        view.addSubview(tableView)
        
        tableView.translatesAutoresizingMaskIntoConstraints = false
        tableView.topAnchor.constraint(equalTo: view.topAnchor).isActive = true
        tableView.leadingAnchor.constraint(equalTo: view.leadingAnchor).isActive = true
        tableView.bottomAnchor.constraint(equalTo: view.bottomAnchor).isActive = true
        tableView.trailingAnchor.constraint(equalTo: view.trailingAnchor).isActive = true
    }
    
    private func randomName() -> String {
        let first = ["Alice", "Bill", "Charles", "Dan", "Dave", "Ethan", "Frank"]
        let last = ["Appleseed", "Bandicoot", "Caravan", "Dabble", "Ernest", "Fortune"]
        
        let index1 = arc4random_uniform(UInt32(first.count))
        let index2 = arc4random_uniform(UInt32(last.count))
        
        return String(first[Int(index1)] + last[Int(index2)])
    }
    
    private func randomAvatar() -> String {
        let images = ["Man", "Igloo", "Cone", "Spaceship", "Anchor", "Key"]
        let idx = arc4random_uniform(UInt32(images.count))
        
        return images[Int(idx)]
    }
}

extension PerformanceViewController: UITableViewDataSource {
    func numberOfSections(in tableView: UITableView) -> Int {
        return 1
    }
    
    func tableView(_ tableView: UITableView, numberOfRowsInSection section: Int) -> Int {
        return items.count
    }
    
    func tableView(_ tableView: UITableView, cellForRowAt indexPath: IndexPath) -> UITableViewCell {
        let cell = tableView.dequeueReusableCell(withIdentifier: "cell", for: indexPath) as UITableViewCell
        let dict: Dictionary = items[indexPath.row]
        
        let filePath = Bundle.main.path(forResource: dict["image"] as? String, ofType: "png")
        
        cell.imageView?.image = UIImage(contentsOfFile: filePath ?? "")
        cell.textLabel?.text = dict["name"] as? String
        
        // set image shadow
        cell.imageView?.layer.shadowOffset = CGSize(width: 0, height: 5)
        cell.imageView?.layer.shadowOpacity = 0.75
        cell.clipsToBounds = true
        
        // set text shadow
        cell.textLabel?.backgroundColor = UIColor.clear
        cell.textLabel?.layer.shadowOffset = CGSize(width: 0, height: 2)
        cell.textLabel?.layer.shadowOpacity = 0.5
        
        return cell
    }
}

快速滑动 table view，可以明显感受到掉帧。

在 Xcode 中使用 command + I 快捷键 Profile 当前demo，选取 Instruments 中的 Core Animation 模版，分析后如下：

CAInstrumentsFPS.png

目前，滑动表视图时帧率约14FPS。

开启 Xcode 中的 Color Blended Layers 选项，运行后如下：

CAColorBlendedLayers.png

红色区域为图层重叠区域。

开启 Color Offscreen-Rendered Yellow 选项：

CAOffscreenRendering.png

可以看到 table view 的 cell 是黄色的，这可能是图片和文本添加阴影导致的。去掉文本、图片阴影，黄色区域会消失，app 滑动也会流畅起来。

cell 中头像、姓名文本不会在每一帧刷新时改变，可以使用shouldRasterize属性缓存图层，之后使用缓存的图层，直到图层改变需要更新。

更新tableView(_:cellForRowAt:)方法，在return cell前添加以下代码：

        // rasterize
        cell.layer.shouldRasterize = true
        cell.layer.rasterizationScale = UIScreen.main.scale

使用shouldRasterize后，layer 仍然会进行离屏渲染，但因为开启了栅格化 rasterization，Core Animation 会缓存绘制结果，阴影对性能影响也会变小。

CAColorHitsGreenandMissesRed.png

使用 Instruments 的 Core Animation 模版分析应用，帧率能达到58帧。与之前相比，性能提升了很多。

CARasterizationFPS.png

总结

这一篇文章介绍了 Core Animation 是如何渲染的，以及可能出现性能瓶颈的点，还介绍了使用 Instruments、Xcode 检测性能问题。

Demo名称：CoreAnimation
源码地址：https://github.com/pro648/BasicDemos-iOS/tree/master/CoreAnimation

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参考资料：

How CPU and GPU Work Together
What’s the Difference Between a CPU and a GPU?
Instruments Tutorial with Swift: Getting Started

欢迎更多指正：https://github.com/pro648/tips

本文地址：https://github.com/pro648/tips/blob/master/sources/影响动画性能的因素及如何使用%20Instruments%20检测.md