浅谈UIView的刷新与绘制

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概述

UIView是我们在做iOS开发时每天都会接触到的类，几乎所有跟页面显示相关的控件也都继承自它。但是关于UIView的布局、显示、以及绘制原理等方面笔者一直一知半解，只有真正了解了它的原理才能更好的服务我们的开发。并且在市场对iOS开发者要求越来越高的大环境下，对App页面流畅度的优化也是对高级及以上开发者必问的面试题，这就需要我们要对UIView有更深的认知。

一.UIView 与 CALayer

UIView：一个视图（UIView）就是在屏幕上显示的一个矩形块（比如图片，文字或者视频），它能够拦截类似于鼠标点击或者触摸手势等用户输入。视图在层级关系中可以互相嵌套，一个视图可以管理它的所有子视图的位置,在iOS当中，所有的视图都从一个叫做UIView的基类派生而来，UIView可以处理触摸事件，可以支持基于Core Graphics绘图，可以做仿射变换（例如旋转或者缩放），或者简单的类似于滑动或者渐变的动画。

CALayer:CALayer类在概念上和UIView类似，同样也是一些被层级关系树管理的矩形块，同样也可以包含一些内容（像图片，文本或者背景色），管理子图层的位置。它们有一些方法和属性用来做动画和变换。和UIView最大的不同是CALayer不处理用户的交互。

CALayer并不清楚具体的响应链（iOS通过视图层级关系用来传送触摸事件的机制），于是它并不能够响应事件，即使它提供了一些方法来判断一个触点是否在图层的范围之内。

1. UIView 与 CALayer的关系

每一个UIView都有一个CALayer实例的图层属性，也就是所谓的backing layer，视图的职责就是创建并管理这个图层，以确保当子视图在层级关系中添加或者被移除的时候，他们关联的图层也同样对应在层级关系树当中有相同的操作.

两者的关系：实际上这些背后关联的图层(Layer)才是真正用来在屏幕上显示和做动画，UIView仅仅是对它的一个封装，提供了一些iOS类似于处理触摸的具体功能，以及Core Animation底层方法的高级接口。

这里引申出面试常问的一个问题：为什么iOS要基于UIView和CALayer提供两个平行的层级关系呢？为什么不用一个简单的层级来处理所有事情呢？

原因在于要做职责分离（单一职责原则），这样也能避免很多重复代码。在iOS和Mac OS两个平台上，事件和用户交互有很多地方的不同，基于多点触控的用户界面和基于鼠标键盘有着本质的区别，这就是为什么iOS有UIKit和UIView，但是Mac OS有AppKit和NSView的原因。他们功能上很相似，但是在实现上有着显著的区别。把这种功能的逻辑分开并封装成独立的Core Animation框架，苹果就能够在iOS和Mac OS之间共享代码，使得对苹果自己的OS开发团队和第三方开发者去开发两个平台的应用更加便捷。

2. CALayer的一些常用属性

contents属性

CALayer的contents属性可以让我们为layer图层设置一张图片，我们看下它的定义

/* An object providing the contents of the layer, typically a CGImageRef,
 * but may be something else. (For example, NSImage objects are
 * supported on Mac OS X 10.6 and later.) Default value is nil.
 * Animatable. */

@property(nullable, strong) id contents;

这个属性的类型被定义为id，意味着它可以是任何类型的对象。在这种情况下，你可以给contents属性赋任何值，你的app都能够编译通过。但是,如果你给contents赋的不是CGImage，那么你得到的图层将是空白的。事实上，你真正要赋值的类型应该是CGImageRef，它是一个指向CGImage结构的指针，UIImage有一个CGImage属性，它返回一个CGImageRef，但是要使用它还需要进行强转:

layer.contents = (__bridge id _Nullable)(image.CGImage);

contentGravity属性

/* A string defining how the contents of the layer is mapped into its
 * bounds rect. Options are `center', `top', `bottom', `left',
 * `right', `topLeft', `topRight', `bottomLeft', `bottomRight',
 * `resize', `resizeAspect', `resizeAspectFill'. The default value is
 * `resize'. Note that "bottom" always means "Minimum Y" and "top"
 * always means "Maximum Y". */

@property(copy) CALayerContentsGravity contentsGravity;

如果我们为图层layer设置contents为一张图片，那么可以使用这个属性来让图片自适应layer的大小，它类似于UIView的contentMode属性，但是它是一个NSString类型，而不是像对应的UIKit部分，那里面的值是枚举。contentsGravity可选的常量值有以下一些：

kCAGravityCenter
kCAGravityTop
kCAGravityBottom
kCAGravityLeft
kCAGravityRight
kCAGravityTopLeft
kCAGravityTopRight
kCAGravityBottomLeft
kCAGravityBottomRight
kCAGravityResize
kCAGravityResizeAspect
kCAGravityResizeAspectFill

例如，如果要让图片等比例拉伸去自适应layer的大小可以直接这样设置

layer.contentsGravity = kCAGravityResizeAspect;

contentsScale属性

/* Defines the scale factor applied to the contents of the layer. If
 * the physical size of the contents is '(w, h)' then the logical size
 * (i.e. for contentsGravity calculations) is defined as '(w /
 * contentsScale, h / contentsScale)'. Applies to both images provided
 * explicitly and content provided via -drawInContext: (i.e. if
 * contentsScale is two -drawInContext: will draw into a buffer twice
 * as large as the layer bounds). Defaults to one. Animatable. */

@property CGFloat contentsScale

contentsScale属性定义了contents设置图片的像素尺寸和视图大小的比例，默认情况下它是一个值为1.0的浮点数。这个属性其实属于支持Retina屏幕机制的一部分，它的值等于当前设备的物理尺寸与逻辑尺寸的比值。如果contentsScale设置为1.0，将会以每个点1个像素绘制图片，如果设置为2.0，则会以每个点2个像素绘制图片。当用代码的方式来处理contents设置图片的时候，一定要手动的设置图层的contentsScale属性，否则图片在Retina设备上就显示得不正确啦。代码如下：

layer.contentsScale = [UIScreen mainScreen].scale;

maskToBounds属性

maskToBounds属性的功能类似于UIView的clipsToBounds属性，如果设置为YES，则会将超出layer范围的图片进行裁剪.

contentsRect属性

contentsRect属性在我们的日常开发中用的不多，它的主要作用是可以让我们显示contents所设置图片的一个子区域。它是单位坐标取值在0到1之间。默认值是{0, 0, 1, 1}，这意味着整个图片默认都是可见的，如果我们指定一个小一点的矩形，比如{0,0,0.5,0.5},那么layer显示的只有图片的左上角，也就是1/4的区域。

实际上给layer的contents赋CGImage的值不是唯一的设置其寄宿图的方法。我们也可以直接用Core Graphics直接绘制。通过继承UIView并实现-drawRect:方法来自定义绘制，如果单独使用CALayer那么可以实现其代理(CALayerDelegate)方法- (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx;在这里面进行自主绘制。实际的方法绘制流程我们在下面进行探讨。

二.View的布局与显示

1.图像显示原理

在开始介绍图像的布局与显示之前，我们有必要先了解下图像的显示原理，也就是我们创建一个显示控件是怎么通过CPU与GPU的运算显示在屏幕上的。这个过程大体分为六个阶段：

绘制

• 布局 ：首先一个视图由CPU进行Frame布局，准备视图(view)和图层(layer)的层级关系,以及设置图层属性（位置，背景色，边框）等等。
• 显示：view的显示图层(layer)，它的寄宿图片被绘制的阶段。所谓的寄宿图，就是上面我们提到过的layer所显示的内容。它有两种设置形式：一种是直接设置layer.contents，赋值一个CGImageRef;第二种是重写UIView的drawRect:或CALayerDelegate的drawLayer:inContext:方法，实现自定义绘制。注意：如果实现了这两个方法，会额外的消耗CPU的性能。
• 准备：这是Core Animation准备发送数据到渲染服务的阶段。这个阶段主要对视图所用的图片进行解码以及图片的格式转换。PNG或者JPEG压缩之后的图片文件会比同质量的位图小得多。但是在图片绘制到屏幕上之前，必须把它扩展成完整的未解压的尺寸（通常等同于图片宽 x 长 x 4个字节）。为了节省内存，iOS通常直到真正绘制的时候才去解码图片。
• 提交：CPU会将处理视图和图层的层级关系打包，通过IPC（内部处理通信）通道提交给渲染服务，渲染服务由OpenGL ES和GPU组成。
• 生成帧缓存：渲染服务首先将图层数据交给OpenGL ES进行纹理生成和着色，生成前后帧缓存。再根据显示硬件的刷新频率，一般以设备的VSync信号和CADisplayLink为标准，进行前后帧缓存的切换。
• 渲染 ：将最终要显示在画面上的后帧缓存交给GPU，进行采集图片和形状，运行变换，应用纹理和混合，最终显示在屏幕上。

注意：当图层被成功打包，发送到渲染服务器之后，CPU仍然要做如下工作：为了显示屏幕上的图层，Core Animation必须对渲染树种的每个可见图层通过OpenGL循环转换成纹理三角板。由于GPU并不知晓Core Animation图层的任何结构，所以必须要由CPU做这些事情。

前四个阶段都在软件层面处理（通过CPU），第五阶段也有CPU参与，只有最后一个完全由GPU执行。而且，你真正能控制只有前两个阶段：布局和显示，Core Animation框架在内部处理剩下的事务，你也控制不了它。所以接下来我们来重点分析布局与显示阶段。

2.布局

布局：布局就是一个视图在屏幕上的位置与大小。UIView有三个比较重要的布局属性：frame，bounds和center.UIView提供了用来通知系统某个view布局发生变化的方法，也提供了在view布局重新计算后调用的可重写的方法。

layoutSubviews()方法

layoutSubviews():当一个视图“认为”应该重新布局自己的子控件时，它便会自动调用自己的layoutSubviews方法，在该方法中“刷新”子控件的布局.这个方法并没有系统实现，需要我们重新这个方法，在里面实现子控件的重新布局。这个方法很开销很大，因为它会在每个子视图上起作用并且调用它们相应的layoutSubviews方法.系统会根据当前run loop的不同状态来触发layoutSubviews调用的机制,并不需要我们手动调用。以下是他的触发时机：

• 直接修改 view 的大小时会触发
• 调用addSubview会触发子视图的layoutSubviews
• 用户在 UIScrollView 上滚动（layoutSubviews 会在UIScrollView和它的父view上被调用）
• 用户旋转设备
• 更新视图的 constraints
  这些方式都会告知系统view的位置需要被重新计算，继而会调用layoutSubviews.当然也可以直接触发layoutSubviews的方法。

setNeedsLayout()方法

setNeedsLayout()方法的调用可以触发layoutSubviews,调用这个方法代表向系统表示视图的布局需要重新计算。不过调用这个方法只是为当前的视图打了一个脏标记，告知系统需要在下一次run loop中重新布局这个视图。也就是调用setNeedsLayout()后会有一段时间间隔，然后触发layoutSubviews.当然这个间隔不会对用户造成影响，因为永远不会长到对界面造成卡顿。

layoutIfNeeded()方法

layoutIfNeeded()方法的作用是告知系统，当前打了脏标记的视图需要立即更新，不要等到下一次run loop到来时在更新,此时该方法会立即触发layoutSubviews方法。当然但如果你调用了layoutIfNeeded之后，并且没有任何操作向系统表明需要刷新视图，那么就不会调用layoutsubview.这个方法在你需要依赖新布局，无法等到下一次 run loop的时候会比setNeedsLayout有用。

3.显示

和布局的方法类似，显示也有触发更新的方法，它们由系统在检测到更新时被自动调用，或者我们可以手动调用直接刷新。

drawRect:方法

在上面我们提到过，如果要设置视图的寄宿图，除了直接设置view.layer.contents属性，还可以自主进行绘制。绘制的方法就是实现view的drawRect:方法。这个方法类似于布局的layoutSubviews方法，它会对当前View的显示进行刷新，不同的是它不会触发后续对视图的子视图方法的调用。跟layoutSubviews一样，我们不能直接手动调用drawRect:方法，应该调用间接的触发方法，让系统在 run loop 中的不同结点自动调用。具体的绘制流程我们在本文第三节进行介绍。

setNeedsDisplay()方法

这个方法类似于布局中的setNeedsLayout。它会给有内容更新的视图设置一个内部的标记，但在视图重绘之前就会返回。然后在下一个run loop中，系统会遍历所有已标记的视图，并调用它们的drawRect:方法。大部分时候，在视图中更新任何 UI 组件都会把相应的视图标记为“dirty”，通过设置视图“内部更新标记”，在下一次run loop中就会重绘，而不需要显式的调用setNeedsDisplay.

三.UIView的系统绘制与异步绘制流程

UIView的绘制流程

接下来我们看下UIView的绘制流程

绘制

• UIView调用setNeedsDisplay,这个方法我们已经介绍过了，它并不会立即开始绘制。
• UIView 调用setNeedsDisplay，实际会调用其layer属性的同名方法，此时相当于给layer打上绘制标记。
• 在当前run loop 将要结束的时候，才会调用CALayer的display方法进入到真正的绘制当中
• 在CALayer的display方法中,会判断layer的代理方法displayLayer:是否被实现，如果代理没有实现这个方法，则进入系统绘制流程，否则进入异步绘制入口。

系统绘制

xitong

• 在系统绘制开始时，在CALayer内部会创建一个绘制上下文，这个上下文可以理解为CGContextRef,我们在drawRect:方法中获取到的currentRef就是它。

• 然后layer会判断是否有delegate，没有delegate就调用CALayer的drawInContext方法，如果有代理，并且你实现了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），那么系统就会调用你实现的这两个方法中的一个。

  关于这里的代理我的理解是：如果你直接使用的UIView，那么layer的代理就是当前view，你直接实现-drawRect:，然后在这个方法里面进行自主绘制; 如果你用的是单独创建的CALayer，那么你需要设置layer.delegate = self; 当然这里的self就是持有layer的视图或是控制器了，这时你需要实现-drawLayer:inContext:方法，然后在这个方法里面进行绘制。

• 最后CALayer把位图传给GPU去渲染，也就是将生成的 bitmap 位图赋值给 layer.content 属性。

注意：使用CPU进行绘图的代价昂贵，除非绝对必要，否则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。

异步绘制

什么是异步绘制?

通过上面的介绍我们熟悉了系统绘制流程，系统绘制就是在主线程中进行上下文的创建，控件的自主绘制等，这就导致了主线程频繁的处理UI绘制的工作，如果要绘制的元素过多，过于频繁，就会造成卡顿。而异步绘制就是把复杂的绘制过程放到后台线程中执行，从而减轻主线程负担，来提升UI流畅度。

异步绘制流程

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上面很明显的展示了异步绘制过程：

• 从上图看，异步绘制的入口在layer的代理方法displayLayer:，如果要进行异步绘制，我们必须在自定义view中实现这个方法
• 在displayLayer:方法中我们开辟子线程
• 在子线程中我们创建绘制上下文，并借助Core Graphics 相关API完成自主绘制
• 完成绘制后生成Image图片
• 最后回到主线程，把Image图片赋值给layer的contents属性。

当然我们在日常开发中还要考虑线程的管理与绘制时机等问题，使用第三方库YYAsyncLayer可以让我们把注意力放在具体的绘制上,具体的使用流程可以点这里去查看.

四.总结

我们知道，当我们实现了CALayerDelegate协议中的-drawLayer:inContext:方法或者UIView中的-drawRect: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X图层高X4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 2048X15264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。可见使用Core Graphics利用CPU进行绘制代价是很高的，那么如何进行高效的绘图呢？iOS-Core-Animation-Advanced-Techniques给出了答案，我们在日常开发中完全可以使用Core Animation的CAShapeLayer代替Core Graphics进行图形的绘制，具体的方法这里就不介绍了，感兴趣的可以自行去查看。

参考引用：
iOS-Core-Animation-Advanced-Techniques
YYAsyncLayer
https://juejin.cn/post/6844903567610871816