iOS底层探索-界面优化1、卡顿原理 1.1、界面显示原理 CPU：Layout UI布局、文本计算、Display绘制

1、卡顿原理

1.1、界面显示原理

CPU：Layout UI布局、文本计算、Display绘制、Prepare图片解码、Commit提交位图给 GPU
GPU：用于渲染，将结果放入 FrameBuffer
FrameBuffer：帧缓冲
Video Controller：根据Vsync（垂直同步）信号，逐行读取 FrameBuffer 中的数据，经过数模转换传递给 Monitor
Monitor：显示器，用于显示；对于显示模块来说，会按照手机刷新率以固定的频率：1 / 刷新率 向 FrameBuffer 索要数据，这个索要数据的命令就是垂直同步信号Vsync（低刷60帧为16.67毫秒，高刷120帧为 8.33毫秒，下边举例主要以低刷16.67毫秒为主）

1.2、界面撕裂

显示端每16.67ms从 FrameBuffer（帧缓存区）读取一帧数据，如果遇到耗时操作交付不了，那么当前画面就还是旧一帧的画面，但显示过程中，下一帧数据准备完毕，导致部分显示的又是新数据，这样就会造成屏幕撕裂

1.3、界面卡顿

为了解决界面撕裂，苹果使用双缓冲机制 + 垂直同步信号，使用 2个FrameBuffer 存储 GPU 处理结果，显示端交替从这2个FrameBuffer中读取数据，一个被读取时另一个去缓存；但解决界面撕裂的问题也带来了新的问题：掉帧
如果遇到画面带马赛克等情况，导致GPU渲染能力跟不上，会有2种掉帧情况；如图，FrameBuffer2 未渲染完第2帧，下一个16.67ms去 FrameBuffer1 中拿第3帧：
- 掉帧情况1：第3帧渲染完毕，接下来需要第4帧，第2帧被丢弃
- 掉帧情况2：第3帧未渲染完，再一个16.67ms去 FrameBuffer2 拿到第2帧，但第1帧多停留了16.67*2毫秒

小结

固定的时间间隔会收到垂直同步信号（Vsync），如果 CPU 和 GPU 还没有将下一帧数据放到对应的帧 FrameBuffer缓冲区，就会出现掉帧

2、卡顿检测

2.1、CADisplayLink

系统在每次发送 VSync 时，就会触发CADisplayLink，通过统计每秒发送 VSync 的数量来查看 App 的 FPS 是否稳定

#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()

@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *link;
@property (nonatomic, assign) NSTimeInterval lastTime;  // 每隔1秒记录一次时间
@property (nonatomic, assign) NSUInteger count;         // 记录VSync1秒内发送的数量

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.link = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(linkAction:)];
    [_link addToRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
}

- (void)linkAction: (CADisplayLink *)link {
    if (_lastTime == 0) {
        _lastTime = link.timestamp;
        return;
    }
    _count++;
    NSTimeInterval delta = link.timestamp - _lastTime;
    if (delta < 1) return;

    _lastTime = link.timestamp;
    float fps = _count / delta;
    _count = 0;

    NSLog(@"🎈 FPS : %f ", fps);
}

@end

2.2、RunLoop检测

RunLoop 的退出和进入实质都是Observer的通知，我们可以监听Runloop的状态，并在相关回调里发送信号，如果在设定的时间内能够收到信号说明是流畅的；如果在设定的时间内没有收到信号，说明发生了卡顿。

#import "LZBlockMonitor.h"

@interface LZBlockMonitor (){
    CFRunLoopActivity activity;
}
@property (nonatomic, strong) dispatch_semaphore_t semaphore;
@property (nonatomic, assign) NSUInteger timeoutCount;

@end

@implementation LZBlockMonitor

+ (instancetype)sharedInstance {
    static id instance = nil;
    static dispatch_once_t onceToken;

    dispatch_once(&onceToken, ^{
        instance = [[self alloc] init];
    });
    return instance;
}

- (void)start{
    [self registerObserver];
    [self startMonitor];
}

- (void)registerObserver{
    CFRunLoopObserverContext context = {0, (__bridge void*)self, NULL, NULL};
    //NSIntegerMax : 优先级最小
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
                                                            kCFRunLoopAllActivities,
                                                            YES,
                                                            NSIntegerMax,
                                                            &CallBack,
                                                            &context);
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
}

static void CallBack(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info)
{
    LZBlockMonitor *monitor = (__bridge LZBlockMonitor *)info;
    monitor->activity = activity;
    // 发送信号
    dispatch_semaphore_t semaphore = monitor->_semaphore;
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);
}

- (void)startMonitor{
    // 创建信号
    _semaphore = dispatch_semaphore_create(0);

    // 在子线程监控时长
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (YES)
        {
            // 超时时间是 1 秒，没有等到信号量，st 就不等于 0， RunLoop 所有的任务
            long st = dispatch_semaphore_wait(self->_semaphore, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1 * NSEC_PER_SEC));
            if (st != 0)
            {
                if (self->activity == kCFRunLoopBeforeSources || self->activity == kCFRunLoopAfterWaiting)
                {
                    if (++self->_timeoutCount < 2){
                        NSLog(@"timeoutCount==%lu",(unsigned long)self->_timeoutCount);
                        continue;
                    }
                    // 一秒左右的衡量尺度 很大可能性连续来 避免大规模打印!
                    NSLog(@"检测到超过两次连续卡顿");
                }
            }
            self->_timeoutCount = 0;
        }
    });
}

@end

主线程监听 kCFRunLoopBeforeSources（即将处理事件）和kCFRunLoopAfterWaiting（即将休眠），子线程监控时长，若连续两次 1秒内没有收到信号，说明发生了卡顿

2.3、微信matrix

微信的matrix也是借助 runloop 实现，大体流程与上面 Runloop 方式相同，它使用退火算法优化捕获卡顿的效率，防止连续捕获相同的卡顿，并且通过保存最近的20个主线程堆栈信息，获取最近最耗时堆栈

2.4、滴滴DoraemonKit

DoraemonKit的卡顿检测方案不使用 RunLoop，它也是while循环中根据一定的状态判断，通过主线程中不断发送信号semaphore，循环中等待信号的时间为5秒，等待超时则说明主线程卡顿，并进行相关上报

3、优化方法

平时简单的方案有：

避免使用 透明UIView
尽量使用PNG图片
避免离屏渲染（圆角使用贝塞尔曲线等）

3.1、预排版

就是常规的在Model层请求数据后提前将cell高度算好

3.2、预编码 / 解码

UIImage 是一个Model，二进制流数据 存储在DataBuffer中，经过decode解码，加载到imageBuffer中，最终进入FrameBuffer才能被渲染
当使用 UIImage 或CGImageSource的方法创建图片时，图片的数据不会立即解码，而是在设置UIImageView.image时解码
将图片设置到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
如果任由系统处理，这一步则无法避免，并且会发生在主线程中。如果想避免这个机制，在子线程先将图片绘制到CGBitmapContext，然后从Bitmap中创建图片

3.3、按需加载

如果目标行与当前行相差超过指定行数，只加载目标滚动范围的前后指定3行

- (void)scrollViewWillBeginDragging:(UIScrollView *)scrollView{
    [needLoadArr removeAllObjects];
}

- (void)scrollViewWillEndDragging:(UIScrollView *)scrollView withVelocity:(CGPoint)velocity targetContentOffset:(inout CGPoint *)targetContentOffset{
    NSIndexPath *ip = [self indexPathForRowAtPoint:CGPointMake(0, targetContentOffset->y)];
    NSIndexPath *cip = [[self indexPathsForVisibleRows] firstObject];
    NSInteger skipCount = 8;
    if (labs(cip.row-ip.row)>skipCount) {
        NSArray *temp = [self indexPathsForRowsInRect:CGRectMake(0, targetContentOffset->y, self.width, self.height)];
        NSMutableArray *arr = [NSMutableArray arrayWithArray:temp];
        if (velocity.y<0) {
            NSIndexPath *indexPath = [temp lastObject];
            if (indexPath.row+3<datas.count) {
                [arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row+1 inSection:0]];
                [arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row+2 inSection:0]];
                [arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row+3 inSection:0]];
            }
        } else {
            NSIndexPath *indexPath = [temp firstObject];
            if (indexPath.row>3) {
                [arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row-3 inSection:0]];
                [arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row-2 inSection:0]];
                [arr addObject:[NSIndexPath indexPathForRow:indexPath.row-1 inSection:0]];
            }
        }
        [needLoadArr addObjectsFromArray:arr];
    }
}

在滑动结束时进行 Cell 的渲染

- (BOOL)scrollViewShouldScrollToTop:(UIScrollView *)scrollView{
    scrollToToping = YES;
    return YES;
}

- (void)scrollViewDidEndScrollingAnimation:(UIScrollView *)scrollView{
    scrollToToping = NO;
    [self loadContent];
}

- (void)scrollViewDidScrollToTop:(UIScrollView *)scrollView{
    scrollToToping = NO;
    [self loadContent];
}

//用户触摸时第一时间加载内容
- (UIView *)hitTest:(CGPoint)point withEvent:(UIEvent *)event{
    if (!scrollToToping) {
        [needLoadArr removeAllObjects];
        [self loadContent];
    }
    return [super hitTest:point withEvent:event];
}

- (void)loadContent{
    if (scrollToToping) {
        return;
    }
    if (self.indexPathsForVisibleRows.count<=0) {
        return;
    }
    if (self.visibleCells && self.visibleCells.count>0) {
        for (id temp in [self.visibleCells copy]) {
            VVeboTableViewCell *cell = (VVeboTableViewCell *)temp;
            [cell draw];
        }
    }
}

这种方式会导致滑动时有空白内容，因此要做好占位内容

3.4、`异步渲染`

异步渲染 就是在子线程把需要绘制的图形提前处理好，然后将处理好的图像数据直接返给主线程使用
异步渲染操作的是layer层，将多层堆叠的控件们通过UIGraphics画成一张位图，然后展示在layer.content上

3.4.1、CALayer

CALayer基于CoreAnimation进而基于QuartzCode，只负责显示，且显示的是位图，不能处理用户的触摸事件
不需要与用户交互时，使用 UIView 和 CALayer 都可以，甚至 CALayer 更简洁高效

3.4.2、异步渲染实现

异步渲染的框架推荐：Graver、YYAsyncLayer
CALayer 在调用display方法后回去调用绘制相关的方法，绘制会执行drawRect:方法

简单例子

继承 CALayer

#import "LZLayer.h"

@implementation LZLayer

//前面断点调用写下的代码
- (void)layoutSublayers{
    if (self.delegate && [self.delegate respondsToSelector:@selector(layoutSublayersOfLayer:)]) {
        //UIView
        [self.delegate layoutSublayersOfLayer:self];
    }else{
        [super layoutSublayers];
    }
}

//绘制流程的发起函数
- (void)display{
    // Graver 实现思路
    CGContextRef context = (__bridge CGContextRef)([self.delegate performSelector:@selector(createContext)]);
    [self.delegate layerWillDraw:self];
    [self drawInContext:context];
    [self.delegate displayLayer:self];
    [self.delegate performSelector:@selector(closeContext)];
}

@end

继承 UIView

// - (CGContextRef)createContext 和 - (void)closeContext要在.h中声明
#import "LZView.h"
#import "LZLayer.h"

@implementation LZView

- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    // Drawing code， 绘制的操作， BackingStore(额外的存储区域产于的) -- GPU
}

//子视图的布局
- (void)layoutSubviews{
    [super layoutSubviews];
}

+ (Class)layerClass{
    return [LZLayer class];
}

//
- (void)layoutSublayersOfLayer:(CALayer *)layer{
    [super layoutSublayersOfLayer:layer];
    [self layoutSubviews];
}

- (CGContextRef)createContext{
    UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(self.bounds.size, self.layer.opaque, self.layer.contentsScale);
    CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
    return context;
}

- (void)layerWillDraw:(CALayer *)layer{
    //绘制的准备工作,do nontihing
}

//绘制的操作
- (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx{
    [super drawLayer:layer inContext:ctx];

    // 画个不规则图形
    CGContextMoveToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2- 20, 20);
    CGContextAddLineToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2 + 20, 20);
    CGContextAddLineToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2 + 40, 80);
    CGContextAddLineToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2 - 40, 100);
    CGContextAddLineToPoint(ctx, self.bounds.size.width / 2 - 20, 20);
    CGContextSetFillColorWithColor(ctx, UIColor.magentaColor.CGColor);
    CGContextSetStrokeColorWithColor(ctx, UIColor.magentaColor.CGColor); // 描边

    CGContextDrawPath(ctx, kCGPathFillStroke);

    // 画个红色方块
    [[UIColor redColor] set];
       //Core Graphics
    UIBezierPath *path = [UIBezierPath bezierPathWithRect:CGRectMake(self.bounds.size.width / 2- 20, self.bounds.size.height / 2- 20, 40, 40)];
    CGContextAddPath(ctx, path.CGPath);
    CGContextFillPath(ctx);

    // 文字
    [@"LZ" drawInRect:CGRectMake(self.bounds.size.width / 2 - 40, 100, 80, 24) withAttributes:@{NSFontAttributeName: [UIFont systemFontOfSize:20],NSForegroundColorAttributeName: UIColor.blueColor}];
    // 图片
    [[UIImage imageWithContentsOfFile:@"/Volumes/Disk_D/test code/Test/Test/yasuo.png"] drawInRect:CGRectMake(10, self.bounds.size.height/2, self.bounds.size.width  - 20, self.bounds.size.height/2 -10)];
}

//layer.contents = (位图)
- (void)displayLayer:(CALayer *)layer{
    UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        layer.contents = (__bridge id)(image.CGImage);
    });
}

- (void)closeContext{
    UIGraphicsEndImageContext();
}

控件们被绘制成了一张图
此外，虽然将控件画到一张位图上，但是还有问题，就是控件的交互事件，内容较多建议钻研一下graver的源码

iOS底层探索-界面优化