iOS中图片的解压缩到渲染过程

屏幕显示图像的原理

img.png

通常来说，计算机系统中 CPU、GPU、显示器是以上面这种方式协同工作的。CPU 计算好显示内容提交到 GPU，GPU 渲染完成后将渲染结果放入帧缓冲区，随后视频控制器会按照 VSync 信号逐行读取帧缓冲区的数据，经过可能的数模转换传递给显示器显示。

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

对应应用来说，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。

图片加载的工作流程

1.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；
2.然后将生成的 UIImage赋值给 UIImageView ；
3.接着一个隐式的 CATransaction捕获到了 UIImageView 图层树的变化；

4.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：

(1).分配内存缓冲区用于管理文件 IO 和解压缩操作；
(2).将文件数据从磁盘读到内存中；
(3).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；
(4).最后 Core Animation 中CALayer使用未压缩的位图数据渲染 UIImageView 的图层。
(5).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

5.渲染流程
(1)GPU获取获取图片的坐标
(2)将坐标交给顶点着色器(顶点计算)
(3)将图片光栅化(获取图片对应屏幕上的像素点)
(4)片元着色器计算(计算每个像素点的最终显示的颜色值)
(5)从帧缓存区中渲染到屏幕上

我们提到了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，就会对我们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。

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，那么我们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，我们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。我们在应用中经常用到的 JPEG 和 PNG 图片就是位图。

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

rawData,就是图片的原始数据。

事实上，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。

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 ：

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);

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

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

总结

1.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.
2.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
3.面试中如果能按照这个逻辑阐述,应该没有大的问题.不过,如果细问到离屏渲染和渲染中的细节处理.就需要掌握OpenGL ES/Metal 这个2个图形处理API. 面试过程可能会遇到不在自己技术能力范围问题,尽量知之为知之不知为不知.