前言

在軟件開發(fā)領(lǐng)域里經(jīng)常能聽到這樣一句話，“過早的優(yōu)化是萬惡之源”，不要過早優(yōu)化或者過度優(yōu)化。我認(rèn)為在編碼過程中時(shí)刻注意性能影響是有必要的，但凡事都有個(gè)度，不能為了性能耽誤了開發(fā)進(jìn)度。在時(shí)間緊急的情況下我們往往采用“quick and dirty”的方案來快速出成果，后面再迭代優(yōu)化，即所謂的敏捷開發(fā)。與之相對(duì)應(yīng)的是傳統(tǒng)軟件開發(fā)中的瀑布流開發(fā)流程。

卡頓產(chǎn)生的原因 

在 iOS 系統(tǒng)中，圖像內(nèi)容展示到屏幕的過程需要 CPU 和 GPU 共同參與。CPU 負(fù)責(zé)計(jì)算顯示內(nèi)容，比如視圖的創(chuàng)建、布局計(jì)算、圖片解碼、文本繪制等。隨后 CPU 會(huì)將計(jì)算好的內(nèi)容提交到 GPU 去，由 GPU 進(jìn)行變換、合成、渲染。之后 GPU 會(huì)把渲染結(jié)果提交到幀緩沖區(qū)去，等待下一次 VSync 信號(hào)到來時(shí)顯示到屏幕上。由于垂直同步的機(jī)制，如果在一個(gè) VSync 時(shí)間內(nèi)，CPU 或者 GPU 沒有完成內(nèi)容提交，則那一幀就會(huì)被丟棄，等待下一次機(jī)會(huì)再顯示，而這時(shí)顯示屏?xí)Ａ糁暗膬?nèi)容不變。這就是界面卡頓的原因。

因此，我們需要平衡 CPU 和 GPU 的負(fù)荷避免一方超負(fù)荷運(yùn)算。為了做到這一點(diǎn)，我們首先得了解 CPU 和 GPU 各自負(fù)責(zé)哪些內(nèi)容。 

上面的圖展示了 iOS 系統(tǒng)下各個(gè)模塊所處的位置，下面我們?cè)倬唧w看一下 CPU 和 GPU 對(duì)應(yīng)了哪些操作。

CPU 消耗型任務(wù)

布局計(jì)算

布局計(jì)算是 iOS 中最為常見的消耗 CPU 資源的地方，如果視圖層級(jí)關(guān)系比較復(fù)雜，計(jì)算出所有圖層的布局信息就會(huì)消耗一部分時(shí)間。因此我們應(yīng)該盡量提前計(jì)算好布局信息，然后在合適的時(shí)機(jī)調(diào)整對(duì)應(yīng)的屬性。還要避免不必要的更新，只在真正發(fā)生了布局改變時(shí)再更新。

對(duì)象創(chuàng)建

對(duì)象創(chuàng)建過程伴隨著內(nèi)存分配、屬性設(shè)置、甚至還有讀取文件等操作，比較消耗 CPU 資源。盡量用輕量的對(duì)象代替重量的對(duì)象，可以對(duì)性能有所優(yōu)化。比如 CALayer 比 UIView 要輕量許多，如果視圖元素不需要響應(yīng)觸摸事件，用 CALayer 會(huì)更加合適。

通過 Storyboard 創(chuàng)建視圖對(duì)象還會(huì)涉及到文件反序列化操作，其資源消耗會(huì)比直接通過代碼創(chuàng)建對(duì)象要大非常多，在性能敏感的界面里，Storyboard 并不是一個(gè)好的技術(shù)選擇。

對(duì)于列表類型的頁(yè)面，還可以參考 UITableView 的復(fù)用機(jī)制。每次要初始化 View 對(duì)象時(shí)先根據(jù) identifier 從緩存池里取，能取到就復(fù)用這個(gè) View 對(duì)象，取不到再真正執(zhí)行初始化過程?；瑒?dòng)屏幕時(shí)，會(huì)將滑出屏幕外的 View 對(duì)象根據(jù) identifier 放入緩存池，新進(jìn)入屏幕可見范圍內(nèi)的 View 又根據(jù)前面的規(guī)則來決定是否要真正初始化。

Autolayout

Autolayout 是蘋果在 iOS6 之后新引入的布局技術(shù)，在大多數(shù)情況下這一技術(shù)都能大大提升開發(fā)速度，特別是在需要處理多語(yǔ)言時(shí)。比如阿拉伯語(yǔ)下布局是從右往左，通過 Autolayout 設(shè)置 leading 和 trailing 即可。

但是 Autolayout 對(duì)于復(fù)雜視圖來說常常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的性能問題，對(duì)于性能敏感的頁(yè)面建議還是使用手動(dòng)布局的方式，并控制好刷新頻率，做到真正需要調(diào)整布局時(shí)再重新布局。

文本計(jì)算

如果一個(gè)界面中包含大量文本(比如微博、微信朋友圈等)，文本的寬高計(jì)算會(huì)占用很大一部分資源，并且不可避免。

一個(gè)比較常見的場(chǎng)景是在 UITableView 中，heightForRowAtIndexPath這個(gè)方法會(huì)被頻繁調(diào)用，即使不是耗時(shí)的計(jì)算在調(diào)用次數(shù)多了之后也會(huì)帶來性能損耗。這里的優(yōu)化就是盡量避免每次都重新進(jìn)行文本的行高計(jì)算，可以在獲取到 Model 數(shù)據(jù)后就根據(jù)文本內(nèi)容計(jì)算好布局信息，然后將這份布局信息作為一個(gè)屬性保存到對(duì)應(yīng)的 Model 中，這樣在 UITableView 的回調(diào)中就可以直接使用 Model 中的屬性，減少了文本的計(jì)算。

文本渲染 

屏幕上能看到的所有文本內(nèi)容控件，包括 UIWebView，在底層都是通過 CoreText 排版、繪制為 Bitmap 顯示的。常見的文本控件 (UILabel、UITextView 等)，其排版和繪制都是在主線程進(jìn)行的，當(dāng)顯示大量文本時(shí)，CPU 的壓力會(huì)非常大。

這一部分的性能優(yōu)化就需要我們放棄使用系統(tǒng)提供的上層控件轉(zhuǎn)而直接使用 CoreText 進(jìn)行排版控制。

Wherever possible, try to avoid making changes to the frame of a view that contains text, because it will cause the text to be redrawn. For example, if you need to display a static block of text in the corner of a layer that frequently changes size, put the text in a sublayer instead.

上面這段話引用自 iOS Core Animation: Advanced Techniques，翻譯過來的意思就是說包含文本的視圖在改變布局時(shí)會(huì)觸發(fā)文本的重新渲染，對(duì)于靜態(tài)文本我們應(yīng)該盡量減少它所在視圖的布局修改。

圖像的繪制

圖像的繪制通常是指用那些以 CG 開頭的方法把圖像繪制到畫布中，然后從畫布創(chuàng)建圖片并顯示的過程。前面的模塊圖里介紹了 CoreGraphic 是作用在 CPU 之上的，因此調(diào)用 CG 開頭的方法消耗的是 CPU 資源。我們可以將繪制過程放到后臺(tái)線程，然后在主線程里將結(jié)果設(shè)置到 layer 的 contents 中。代碼如下：

- (void)display { 
    dispatch_async(backgroundQueue, ^{ 
        CGContextRef ctx = CGBitmapContextCreate(...); 
        // draw in context... 
        CGImageRef img = CGBitmapContextCreateImage(ctx); 
        CFRelease(ctx); 
        dispatch_async(mainQueue, ^{ 
            layer.contents = img; 
        }); 
    }); 
}  

圖片的解碼

Once an image file has been loaded, it must then be decompressed. This decompression can be a computationally complex task and take considerable time. The decompressed image will also use substantially more memory than the original.

圖片被加載后需要解碼，圖片的解碼是一個(gè)復(fù)雜耗時(shí)的過程，并且需要占用比原始圖片還多的內(nèi)存資源。

為了節(jié)省內(nèi)存，iOS 系統(tǒng)會(huì)延遲解碼過程， 在圖片被設(shè)置到 layer 的 contents 屬性或者設(shè)置成 UIImageView 的 image 屬性后才會(huì)執(zhí)行解碼過程，但是這兩個(gè)操作都是在主線程進(jìn)行，還是會(huì)帶來性能問題。

如果想要提前解碼，可以使用 ImageIO 或者提前將圖片繪制到 CGContext 中，這部分實(shí)踐可以參考 iOS Core Animation: Advanced Techniques

這里多提一點(diǎn)，常用的 UIImage 加載方法有 imageNamed 和 imageWithContentsOfFile。其中 imageNamed 加載圖片后會(huì)馬上解碼，并且系統(tǒng)會(huì)將解碼后的圖片緩存起來，但是這個(gè)緩存策略是不公開的，我們無法知道圖片什么時(shí)候會(huì)被釋放。因此在一些性能敏感的頁(yè)面，我們還可以用 static 變量 hold 住 imageNamed 加載到的圖片避免被釋放掉，以空間換時(shí)間的方式來提高性能。

GPU消耗型任務(wù)

相對(duì)于 CPU 來說，GPU 能干的事情比較單一：接收提交的紋理(Texture)和頂點(diǎn)描述(三角形)，應(yīng)用變換(transform)、混合并渲染，然后輸出到屏幕上。寬泛的說，大多數(shù) CALayer 的屬性都是用 GPU 來繪制。

以下一些操作會(huì)降低 GPU 繪制的性能，

大量幾何結(jié)構(gòu)

所有的 Bitmap，包括圖片、文本、柵格化的內(nèi)容，最終都要由內(nèi)存提交到顯存，綁定為 GPU Texture。不論是提交到顯存的過程，還是 GPU 調(diào)整和渲染 Texture 的過程，都要消耗不少 GPU 資源。當(dāng)在較短時(shí)間顯示大量圖片時(shí)(比如 TableView 存在非常多的圖片并且快速滑動(dòng)時(shí))，CPU 占用率很低，GPU 占用非常高，界面仍然會(huì)掉幀。避免這種情況的方法只能是盡量減少在短時(shí)間內(nèi)大量圖片的顯示，盡可能將多張圖片合成為一張進(jìn)行顯示。

另外當(dāng)圖片過大，超過 GPU 的最大紋理尺寸時(shí)，圖片需要先由 CPU 進(jìn)行預(yù)處理，這對(duì) CPU 和 GPU 都會(huì)帶來額外的資源消耗。

視圖的混合

當(dāng)多個(gè)視圖(或者說 CALayer)重疊在一起顯示時(shí)，GPU 會(huì)首先把他們混合到一起。如果視圖結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，混合的過程也會(huì)消耗很多 GPU 資源。為了減輕這種情況的 GPU 消耗，應(yīng)用應(yīng)當(dāng)盡量減少視圖數(shù)量和層次，并且減少不必要的透明視圖。

離屏渲染

離屏渲染是指圖層在被顯示之前是在當(dāng)前屏幕緩沖區(qū)以外開辟的一個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行渲染操作。

離屏渲染需要多次切換上下文環(huán)境：先是從當(dāng)前屏幕(On-Screen)切換到離屏(Off-Screen);等到離屏渲染結(jié)束以后，將離屏緩沖區(qū)的渲染結(jié)果顯示到屏幕上又需要將上下文環(huán)境從離屏切換到當(dāng)前屏幕，而上下文環(huán)境的切換是一項(xiàng)高開銷的動(dòng)作。

會(huì)造成 offscreen rendering 的原因有：

• 陰影(UIView.layer.shadowOffset/shadowRadius/…)
• 圓角(當(dāng) UIView.layer.cornerRadius 和 UIView.layer.maskToBounds 一起使用時(shí))
• 圖層蒙板
• 開啟光柵化(shouldRasterize = true)

使用陰影時(shí)同時(shí)設(shè)置 shadowPath 就能避免離屏渲染大大提升性能，后面會(huì)有一個(gè) Demo 來演示;圓角觸發(fā)的離屏渲染可以用 CoreGraphics 將圖片處理成圓角來避免。

CALayer 有一個(gè) shouldRasterize 屬性，將這個(gè)屬性設(shè)置成 true 后就開啟了光柵化。開啟光柵化后會(huì)將圖層繪制到一個(gè)屏幕外的圖像，然后這個(gè)圖像將會(huì)被緩存起來并繪制到實(shí)際圖層的 contents 和子圖層，對(duì)于有很多的子圖層或者有復(fù)雜的效果應(yīng)用，這樣做就會(huì)比重繪所有事務(wù)的所有幀來更加高效。但是光柵化原始圖像需要時(shí)間，而且會(huì)消耗額外的內(nèi)存。

光柵化也會(huì)帶來一定的性能損耗，是否要開啟就要根據(jù)實(shí)際的使用場(chǎng)景了，圖層內(nèi)容頻繁變化時(shí)不建議使用。最好還是用 Instruments 比對(duì)開啟前后的 FPS 來看是否起到了優(yōu)化效果。

注意：

shouldRasterize = true 時(shí)記得同時(shí)設(shè)置 rasterizationScale

Instruments 使用 

Instruments 是一系列工具集，我們這里只演示 Core Animation 的使用。在 Core Animation 選項(xiàng)右下方會(huì)看到如下選項(xiàng)， 

Color Blended Layers

這個(gè)選項(xiàng)選項(xiàng)基于渲染程度對(duì)屏幕中的混合區(qū)域進(jìn)行綠到紅的高亮顯示，越紅表示性能越差，會(huì)對(duì)幀率等指標(biāo)造成較大的影響。紅色通常是由于多個(gè)半透明圖層疊加引起。

Color Hits Green and Misses Red

當(dāng) UIView.layer.shouldRasterize = YES 時(shí)，耗時(shí)的圖片繪制會(huì)被緩存，并當(dāng)做一個(gè)簡(jiǎn)單的扁平圖片來呈現(xiàn)。這時(shí)候，如果頁(yè)面的其他區(qū)塊(比如 UITableViewCell 的復(fù)用)使用緩存直接命中，就顯示綠色，反之，如果不命中，這時(shí)就顯示紅色。紅色越多，性能越差。因?yàn)闁鸥窕删彺娴倪^程是有開銷的，如果緩存能被大量命中和有效使用，則總體上會(huì)降低開銷，反之則意味著要頻繁生成新的緩存，這會(huì)讓性能問題雪上加霜。

Color Copied Images

對(duì)于 GPU 不支持的色彩格式的圖片只能由 CPU 來處理，把這樣的圖片標(biāo)為藍(lán)色。藍(lán)色越多，性能越差。

Color Immediately

通常 Core Animation Instruments 以每毫秒 10 次的頻率更新圖層調(diào)試顏色。對(duì)某些效果來說，這顯然太慢了。這個(gè)選項(xiàng)就可以用來設(shè)置每幀都更新(可能會(huì)影響到渲染性能，而且會(huì)導(dǎo)致幀率測(cè)量不準(zhǔn)，所以不要一直都設(shè)置它)。

Color Misaligned Images

這個(gè)選項(xiàng)檢查了圖片是否被縮放，以及像素是否對(duì)齊。被放縮的圖片會(huì)被標(biāo)記為黃色，像素不對(duì)齊則會(huì)標(biāo)注為紫色。黃色、紫色越多，性能越差。

Color Offscreen-Rendered Yellow

這個(gè)選項(xiàng)會(huì)把那些離屏渲染的圖層顯示為黃色。黃色越多，性能越差。這些顯示為黃色的圖層很可能需要用 shadowPath 或者 shouldRasterize 來優(yōu)化。

Color OpenGL Fast Path Blue

這個(gè)選項(xiàng)會(huì)把任何直接使用 OpenGL 繪制的圖層顯示為藍(lán)色。藍(lán)色越多，性能越好。如果僅僅使用 UIKit 或者 Core Animation 的 API，那么不會(huì)有任何效果。

Flash Updated Regions

這個(gè)選項(xiàng)會(huì)把重繪的內(nèi)容顯示為黃色。不該出現(xiàn)的黃色越多，性能越差。通常我們希望只是更新的部分被標(biāo)記完黃色。

演示

上述幾個(gè)選項(xiàng)中常用來檢測(cè)性能的是 Color Blended Layers、Offscreen-Rendered Yellow 和 Color Hits Green and Misses Red。下面我重點(diǎn)演示一下離屏渲染和光柵化的檢測(cè)，寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的 Demo 設(shè)置了陰影效果，代碼如下：

view.layer.shadowOffset = CGSizeMake(1, 1); 
    view.layer.shadowOpacity = 1.0; 
    view.layer.shadowRadius = 2.0; 
    view.layer.shadowColor = [UIColor blackColor].CGColor; 
//    view.layer.shadowPath = CGPathCreateWithRect(CGRectMake(0, 0, 50, 50), NULL);  

shadowPath 沒有設(shè)置時(shí)用 Instruments 檢測(cè) FPS 基本在 20 以下(iPhone6設(shè)備)，設(shè)置了 shadowPath 后基本維持在 55 左右，性能提升十分明顯。

下面來看一下光柵化的檢測(cè)，代碼如下，

view.layer.shouldRasterize = YES; 
view.layer.rasterizationScale = [UIScreen mainScreen].scale;  

勾選 Color Hits Green and Misses Red 選項(xiàng)后顯示如下： 

我們可以看到在靜止時(shí)緩存都生效了，在快速滑動(dòng)時(shí)緩存基本不起作用，因此是否要開啟光柵化還是得根據(jù)具體場(chǎng)景，用 Instruments 檢測(cè)開啟前后的性能來決定。

總結(jié)

本文主要總結(jié)了性能調(diào)優(yōu)的一些理論知識(shí)，后面還介紹了 Instruments 中 Core Animation 的一些性能檢測(cè)指標(biāo)用法。性能優(yōu)化最重要的是要使用工具來檢測(cè)而不是猜測(cè)，先查看是否有離屏渲染等問題，再用 Time Profiler 分析一下耗時(shí)的函數(shù)調(diào)用。修改后再用工具分析是否有改善，一步一步執(zhí)行，小心仔細(xì)。

建議大家也實(shí)際動(dòng)手分析一下自己的應(yīng)用，加深一下印象，enjoy~