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iOS之武功秘籍⑳: 界面优化

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写在前面

我们经常在面试中,会被问及关于界面优化相关的问题,比如为什么界面会出现卡顿?如何监控卡顿?接着如何解决卡顿?那么本篇文章将重点分析一下卡顿的原理和解决的措施.

本节可能用到的秘籍Demo

一、界面卡顿

通常来说,计算机中的显示过程是下面这样的,通过CPUGPU显示器协同工作来将图片显示到屏幕上

  • 1、CPU计算好显示内容,提交至GPU
  • 2、GPU经过渲染完成后将渲染的结果放入FrameBuffer(帧缓存区)
  • 3、随后视频控制器会按照VSync信号逐行读取FrameBuffer的数据
  • 4、经过可能的数模转换传递给显示器进行显示

最开始时,FrameBuffer只有一个,这种情况下FrameBuffer的读取和刷新有很大的效率问题,为了解决这个问题,引入了双缓存区.即双缓冲机制.在这种情况下,GPU会预先渲染好一帧放入FrameBuffer,让视频控制器读取,当下一帧渲染好后,GPU会直接将视频控制器的指针指向第二个FrameBuffer.

双缓存机制虽然解决了效率问题,但是随之而言的是新的问题,当视频控制器还未读取完成时,例如屏幕内容刚显示一半,GPU将新的一帧内容提交到FrameBuffer,并将两个FrameBuffer进行交换后,视频控制器就会将新的一帧数据的下半段显示到屏幕上,造成屏幕撕裂现象.

为了解决这个问题,采用了垂直同步信号机制.当开启垂直同步后,GPU会等待显示器的VSync信号发出后,才进行新的一帧渲染和FrameBuffer更新.而目前iOS设备中采用的正是双缓存区+VSync.

更多的关于屏幕卡顿渲染流程,请查看 屏幕卡顿 及 iOS中的渲染流程解析 文章.

屏幕卡顿原因

下面我们来说说,屏幕卡顿的原因.

VSync信号到来后,系统图形服务会通过 CADisplayLink 等机制通知 AppApp 主线程开始在CPU中计算显示内容.随后 CPU 会将计算好的内容提交到 GPU 去,由GPU进行变换、合成、渲染.随后 GPU 会把渲染结果提交到帧缓冲区去,等待下一次 VSync 信号到来时显示到屏幕上.由于垂直同步的机制,如果在一个 VSync 时间内,CPU 或者 GPU 没有完成内容提交,则那一帧就会被丢弃,等待下一次机会再显示,而这时显示屏会保留之前的内容不变.所以可以简单理解掉帧过时不候.

如下图所示,是一个显示过程,第1帧在VSync到来前,处理完成,正常显示,第2帧在VSync到来后,仍在处理中,此时屏幕不刷新,依旧显示第1帧,此时就出现了掉帧情况,渲染时就会出现明显的卡顿现象.

从图中可以看出,CPUGPU不论是哪个阻碍了显示流程,都会造成掉帧现象,所以为了给用户提供更好的体验,在开发中,我们需要进行卡顿检测以及相应的优化.

二、卡顿监控

卡顿监控的方案一般有两种:

  • FPS监控:为了保持流畅的UI交互,App的刷新拼搏应该保持在60fps左右,其原因是因为iOS设备默认的刷新频率是60次/秒,而1次刷新(即VSync信号发出)的间隔是 1000ms/60 = 16.67ms,所以如果在16.67ms内没有准备好下一帧数据,就会产生卡顿

  • 主线程卡顿监控:通过子线程监测主线程的RunLoop,判断两个状态(kCFRunLoopBeforeSourceskCFRunLoopAfterWaiting)之间的耗时是否达到一定阈值

FPS监控

FPS的监控,参照YYKit中的YYFPSLabel,主要是通过CADisplayLink实现.借助link的时间差,来计算一次刷新所需的时间,然后通过 刷新次数 / 时间差 得到刷新频次,并判断是否其范围,通过显示不同的文字颜色来表示卡顿严重程度.如果只是简单的监测,使用FPS足够了.

主线程卡顿监控

除了FPS,还可以通过RunLoop来监控,因为卡顿的是事务,而事务是交由主线程RunLoop处理的.

实现思路:检测主线程每次执行消息循环的时间,当这个时间大于规定的阈值时,就记为发生了一次卡顿.这个也是微信卡顿三方matrix的原理.

卡顿检测三方库:

  • Swift的卡顿检测第三方ANREye,其主要思路是:创建子线程进行循环监测,每次检测时设置标记置为true,然后派发任务到主线程,标记置为false,接着子线程睡眠超过阈值时,判断标记是否为false,如果没有,说明主线程发生了卡顿

  • OC可以使用 微信matrix滴滴DoraemonKit

三、界面优化

CPU层面的优化

  • 1、尽量用轻量级的对象代替重量级的对象,可以对性能有所优化,例如 不需要相应触摸事件的控件,用CALayer代替UIView

  • 2、尽量减少对UIViewCALayer的属性修改

    • CALayer内部并没有属性,当调用属性方法时,其内部是通过运行时resolveInstanceMethod为对象临时添加一个方法,并将对应属性值保存在内部的一个Dictionary中,同时还会通知delegate、创建动画等,非常耗时

    • UIView相关的显示属性,例如frameboundstransform等,实际上都是从CALayer映射来的,对其进行调整时,消耗的资源比一般属性要大

  • 3、当有大量对象释放时,也是非常耗时的,尽量挪到后台线程去释放

  • 4、尽量提前计算视图布局,即预排版,例如cell的行高

  • 5、Autolayout在简单页面情况下们可以很好的提升开发效率,但是对于复杂视图而言,会产生严重的性能问题,随着视图数量的增长,Autolayout带来的CPU消耗是呈指数上升的.所以尽量使用代码布局.如果不想手动调整frame等,也可以借助三方库,例如Masonry(OC)、SnapKit(Swift)、ComponentKit、AsyncDisplayKit等

  • 6、文本处理的优化:当一个界面有大量文本时,其行高的计算、绘制也是非常耗时的

    • 1)如果对文本没有特殊要求,可以使用UILabel内部的实现方式,且需要放到子线程中进行,避免阻塞主线程

      • 计算文本宽高:[NSAttributedString boundingRectWithSize:options:context:]
      • 文本绘制:[NSAttributedString drawWithRect:options:context:]
    • 2)自定义文本控件,利用TextKit 或最底层的 CoreText 对文本异步绘制.并且CoreText 对象创建好后,能直接获取文本的宽高等信息,避免了多次计算(调整和绘制都需要计算一次).CoreText直接使用了CoreGraphics占用内存小,效率高

  • 7、图片处理(解码 + 绘制)

    • 当使用UIImageCGImageSource 的方法创建图片时,图片的数据不会立即解码,而是在设置时解码(即图片设置到UIImageView/CALayer.contents中,然后在CALayer提交至GPU渲染前,CGImage中的数据才进行解码).这一步是无可避免的,且是发生在主线程中的.想要绕开这个机制,常见的做法是在子线程中先将图片绘制到CGBitmapContext,然后从Bitmap 直接创建图片,例如SDWebImage三方框架中对图片编解码的处理。这就是Image的预解码

    • 当使用CG开头的方法绘制图像到画布中,然后从画布中创建图片时,可以将图像的绘制在子线程中进行

  • 8、图片优化

    • 尽量使用PNG图片,不使用JPGE图片
    • 通过子线程预解码,主线程渲染,即通过Bitmap创建图片,在子线程赋值image
    • 优化图片大小,尽量避免动态缩放
    • 尽量将多张图合为一张进行显示
  • 9、尽量避免使用透明view,因为使用透明view,会导致在GPU中计算像素时,会将透明view下层图层的像素也计算进来,即颜色混合处理

  • 10、按需加载,例如在TableView中滑动时不加载图片,使用默认占位图,而是在滑动停止时加载

  • 11、少使用addViewcell动态添加view

GPU层面优化

相对于CPU而言,GPU主要是接收CPU提交的纹理+顶点,经过一系列transform,最终混合并渲染,输出到屏幕上.

  • 1、尽量减少在短时间内大量图片的显示,尽可能将多张图片合为一张显示,主要是因为当有大量图片进行显示时,无论是CPU的计算还是GPU的渲染,都是非常耗时的,很可能出现掉帧的情况

  • 2、尽量避免图片的尺寸超过4096×4096,因为当图片超过这个尺寸时,会先由CPU进行预处理,然后再提交给GPU处理,导致额外CPU资源消耗

  • 3、尽量减少视图数量和层次,主要是因为视图过多且重叠时,GPU会将其混合,混合的过程也是非常耗时的

  • 4、尽量避免离屏渲染

  • 5、异步渲染,例如可以将cell中的所有控件、视图合成一张图片进行显示.可以参考Graver三方框架

提示

上述这些优化方式的落地实现,需要根据自身项目进行评估,合理的使用进行优化

写在后面

和谐学习,不急不躁.我还是我,颜色不一样的烟火.

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