ios离屏渲染

GPU渲染机制：

CPU 计算好frame等属性, 然后将要显示的内容提交到 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。

目前 iPhone 的屏幕刷新率是 60Hz，也就是刷新一帧的时间是 16.67 ms，每隔这段时间视频控制器就会去读一次缓存区的内容来显示。

假如 GPU 遇到性能瓶颈，导致无法在一帧内更新渲染结果到帧缓存区，那么从缓存区读到的会是上一帧的内容，导致帧率降低界面卡顿。为了减少卡顿, 于是, 离屏渲染的机制就被引入，它会触发比较消耗性能的视图提前渲染。

GPU屏幕渲染有以下两种方式：

On-Screen Rendering意为当前屏幕渲染，指的是GPU的渲染操作是在当前用于显示的屏幕缓冲区中进行。正常情况下，在当前屏幕显示的内容，由 GPU 渲染完成后放到当前屏幕的帧缓存区，不需要额外的渲染空间。

Off-Screen Rendering意为离屏渲染, 屏幕外的渲染，GPU在当前屏幕缓冲区以外新开辟一个缓冲区进行渲染操作。渲染的结果不会直接呈现到当前屏幕上，而是等待合适的时机才会被显示。

特殊的离屏渲染：如果将不在GPU的当前屏幕缓冲区中进行的渲染都称为离屏渲染，那么就还有另一种特殊的“离屏渲染”方式： CPU渲染。如果我们重写了drawRect方法，并且使用任何Core Graphics的技术进行了绘制操作，就涉及到了CPU渲染。整个渲染过程由CPU在App内 同步地完成，渲染得到的bitmap最后再交由GPU用于显示。当前屏幕渲染不需要额外创建新的缓存，也不需要开启新的上下文，相对于离屏渲染性能更好。但是受当前屏幕渲染的局限因素限制(只有自身上下文、屏幕缓存有限等)，当前屏幕渲染有些情况下的渲染解决不了的，就使用到离屏渲染。

离屏渲染的代价

（1）创建新缓冲区

要想进行离屏渲染，首先要创建一个新的缓冲区。提前渲染好复杂的视图，保证视频控制器能够及时地从缓存区读到新的渲染结果。它在 GPU 面临性能瓶颈时，将压力转移一部分给比较空闲的 CPU，然而 CPU 的渲染能力远没有 GPU 高效。

（2）上下文切换

离屏渲染的整个过程，需要多次切换上下文环境：先是从当前屏幕（On-Screen）的缓存区切换到离屏（Off-Screen）渲染的缓存区，等到离屏渲染结束以后，将离屏缓冲区的渲染结果显示到屏幕上有需要将上下文环境从离屏切换到当前屏幕。而上下文环境的切换是很昂贵的。

由于垂直同步的机制，如果在一个 HSync 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。这就是界面卡顿的原因。

既然离屏渲染这么耗性能,为什么有这套机制呢?

离屏渲染并不是一无是处的，虽然会造成很多额外的开销，但也是为了充分利用设备的资源来保证界面的流畅。有些效果被认为不能直接呈现于屏幕，而需要在别的地方做额外的处理预合成。图层属性的混合体没有预合成之前不能直接在屏幕中绘制，所以就需要屏幕外渲染。屏幕外渲染并不意味着软件绘制，但是它意味着图层必须在被显示之前在一个屏幕外上下文中被渲染（不论CPU还是GPU）。

下面的情况或操作会引发离屏渲染：

- 为图层设置遮罩（layer.mask）

- 将图层的layer.masksToBounds / view.clipsToBounds属性设置为true

- 将图层layer.allowsGroupOpacity(允许组透明)属性设置为YES和layer.opacity小于1.0

- 为图层设置阴影（layer.shadow ）。

- 为图层设置光栅化layer.shouldRasterize=true

- 具有layer.cornerRadius(圆角)，layer.edgeAntialiasingMask(抗锯齿遮罩)，layer.allowsEdgeAntialiasing(边缘抗锯齿)的图层

- 文本（任何种类，包括UILabel，CATextLayer，Core Text等）。

- 使用CGContext在drawRect :方法中绘制大部分情况下会导致离屏渲染，甚至仅仅是一个空的实现。

其中shouldRasterize（光栅化）是比较特别的一种：光栅化概念：将图转化为一个个栅格组成的图象。光栅化特点：每个元素对应帧缓冲区中的一像素。

shouldRasterize = YES在其他属性触发离屏渲染的同时，会将光栅化后的内容缓存起来，如果对应的layer及其sublayers没有发生改变，在下一帧的时候可以直接复用。shouldRasterize = YES，这将隐式的创建一个位图，各种阴影遮罩等效果也会保存到位图中并缓存起来，从而减少渲染的频度（不是矢量图）。

相当于光栅化是把GPU的操作转到CPU上了，生成位图缓存，直接读取复用。

当你使用光栅化时，你可以开启“Color Hits Green and Misses Red”来检查该场景下光栅化操作是否是一个好的选择。绿色表示缓存被复用，红色表示缓存在被重复创建。

如果光栅化的层变红得太频繁那么光栅化对优化可能没有多少用处。位图缓存从内存中删除又重新创建得太过频繁，红色表明缓存重建得太迟。可以针对性的选择某个较小而较深的层结构进行光栅化，来尝试减少渲染时间。

注意：对于经常变动的内容,这个时候不要开启,否则会造成性能的浪费

例如我们日程经常打交道的TableViewCell,因为TableViewCell的重绘是很频繁的（因为Cell的复用）,如果Cell的内容不断变化,则Cell需要不断重绘,如果此时设置了cell.layer可光栅化。则会造成大量的离屏渲染,降低图形性能。

为什么会使用离屏渲染

当使用圆角，阴影，遮罩的时候，图层属性的混合体被指定为在未预合成之前不能直接在屏幕中绘制，所以就需要屏幕外渲染被唤起。

屏幕外渲染并不意味着软件绘制，但是它意味着图层必须在被显示之前在一个屏幕外上下文中被渲染（不论CPU还是GPU）。

所以当使用离屏渲染的时候会很容易造成性能消耗，因为在OPENGL里离屏渲染会单独在内存中创建一个屏幕外缓冲区并进行渲染，而屏幕外缓冲区跟当前屏幕缓冲区上下文切换是很耗性能的。

iOS系统上的优化

iOS 9.0 之前UIimageView跟UIButton设置圆角都会触发离屏渲染

iOS 9.0 之后UIButton设置圆角会触发离屏渲染，而UIImageView里png图片设置圆角不会触发离屏渲染了，如果设置其他阴影效果之类的还是会触发离屏渲染的。

开发者要做的优化

• 1、圆角优化

在APP开发中，圆角图片还是经常出现的。如果一个界面中只有少量圆角图片或许对性能没有非常大的影响，但是当圆角图片比较多的时候就会APP性能产生明显的影响。

我们设置圆角一般通过如下方式：

imageView.layer.cornerRadius = CGFloat(10);

imageView.layer.masksToBounds = YES;

这样处理的渲染机制是GPU在当前屏幕缓冲区外新开辟一个渲染缓冲区进行工作，也就是离屏渲染，这会给我们带来额外的性能损耗，如果这样的圆角操作达到一定数量，会触发缓冲区的频繁合并和上下文的的频繁切换，性能的代价会宏观地表现在用户体验上——掉帧。

优化方案1：使用贝塞尔曲线UIBezierPath和Core Graphics框架画出一个圆角

UIImageView *imageView = [[UIImageView alloc] initWithFrame:CGRectMake(100,100,100,100)];

UIImage * image = [UIImage imageNamed:@"myImg"];
//开始对imageView进行画图
UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(imageView.bounds.size,NO,1.0);
//使用贝塞尔曲线画出一个圆形图
[[UIBezierPath bezierPathWithRoundedRect:imageView.bounds cornerRadius:imageView.frame.size.width]addClip];
[image drawRect:imageView.bounds];
imageView.image=UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
//结束画图
UIGraphicsEndImageContext();

[self.view addSubview:imageView];

优化方案2：使用CAShapeLayer和UIBezierPath设置圆角

UIImageView *imageView = [[UIImageView alloc]initWithFrame:CGRectMake(100, 100, 100, 100)];

imageView.image = [UIImage imageNamed:@"myImg"];
UIBezierPath *maskPath = [UIBezierPath bezierPathWithRoundedRect:imageView.bounds byRoundingCorners:UIRectCornerAllCorners cornerRadii:imageView.bounds.size];
CAShapeLayer *maskLayer = [[CAShapeLayer alloc]init];
//设置大小
maskLayer.frame = imageView.bounds;
//设置图形样子
maskLayer.path = maskPath.CGPath;
imageView.layer.mask = maskLayer;

[self.view addSubview:imageView];

对于方案2需要解释的是：

CAShapeLayer继承于CALayer,可以使用CALayer的所有属性值；

CAShapeLayer需要贝塞尔曲线配合使用才有意义（也就是说才有效果）

使用CAShapeLayer(属于CoreAnimation)与贝塞尔曲线可以实现不在view的drawRect（继承于CoreGraphics走的是CPU,消耗的性能较大）方法中画出一些想要的图形

CAShapeLayer动画渲染直接提交到手机的GPU当中，相较于view的drawRect方法使用CPU渲染而言，其效率极高，能大大优化内存使用情况。

总的来说就是用CAShapeLayer的内存消耗少，渲染速度快。

• 2、shadow优化

对于shadow，如果图层是个简单的几何图形或者圆角图形，我们可以通过设置shadowPath来优化性能，能大幅提高性能。示例如下：

imageView.layer.shadowColor=[UIColor grayColor].CGColor;
imageView.layer.shadowOpacity=1.0;
imageView.layer.shadowRadius=2.0
UIBezierPath *path=[UIBezierPath bezierPathWithRect:imageView.frame];
imageView.layer.shadowPath=path.CGPath;

我们还可以通过设置shouldRasterize属性值为YES来强制开启离屏渲染。其实就是光栅化（Rasterization）。既然离屏渲染这么不好，为什么我们还要强制开启呢？当一个图像混合了多个图层，每次移动时，每一帧都要重新合成这些图层，十分消耗性能。当我们开启光栅化后，会在首次产生一个位图缓存，当再次使用时候就会复用这个缓存。但是如果图层发生改变的时候就会重新产生位图缓存。所以这个功能一般不能用于UITableViewCell中，cell的复用反而降低了性能。最好用于图层较多的静态内容的图形。而且产生的位图缓存的大小是有限制的，一般是2.5个屏幕尺寸。在100ms之内不使用这个缓存，缓存也会被删除。所以我们要根据使用场景而定。

• 3、其他的一些优化建议

当我们需要圆角效果时，可以使用一张中间透明图片蒙上去

使用ShadowPath指定layer阴影效果路径

使用异步进行layer渲染（Facebook开源的异步绘制框架AsyncDisplayKit）

设置layer的opaque值为YES，减少复杂图层合成

尽量使用不包含透明（alpha）通道的图片资源

尽量设置layer的大小值为整形值

直接让美工把图片切成圆角进行显示，这是效率最高的一种方案

很多情况下用户上传图片进行显示，可以让服务端处理圆角

使用代码手动生成圆角Image设置到要显示的View上，利用UIBezierPath（CoreGraphics框架）画出来圆角图片

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Core Animation工具检测离屏渲染

对于离屏渲染的检测，苹果为我们提供了一个测试工具Core Animation。可以在Xcode->Open Develeper Tools->Instruments中找到

Core Animation工具用来监测Core Animation性能，提供可见的FPS值，并且提供几个选项来测量渲染性能。如下图：

 

下面我们来说明每个选项的功能：

Color Blended Layers：这个选项如果勾选，你能看到哪个layer是透明的，GPU正在做混合计算。显示红色的就是透明的，绿色就是不透明的。

Color Hits Green and Misses Red：如果勾选这个选项，且当我们代码中有设置shouldRasterize为YES，那么红色代表没有复用离屏渲染的缓存，绿色则表示复用了缓存。我们当然希望能够复用。

Color Copied Images：按照官方的说法，当图片的颜色格式GPU不支持的时候，Core Animation会

拷贝一份数据让CPU进行转化。例如从网络上下载了TIFF格式的图片，则需要CPU进行转化，这个区域会显示成蓝色。还有一种情况会触发Core Animation的copy方法，就是字节不对齐的时候。如下图：

Color Immediately：默认情况下Core Animation工具以每毫秒10次的频率更新图层调试颜色，如果勾选这个选项则移除10ms的延迟。对某些情况需要这样，但是有可能影响正常帧数的测试。

Color Misaligned Images：勾选此项，如果图片需要缩放则标记为黄色，如果没有像素对齐则标记为紫色。像素对齐我们已经在上面有所介绍。

Color Offscreen-Rendered Yellow：用来检测离屏渲染的，如果显示黄色，表示有离屏渲染。当然还要结合Color Hits Green and Misses Red来看，是否复用了缓存。

Color OpenGL Fast Path Blue：这个选项对那些使用OpenGL的图层才有用，像是GLKView或者 CAEAGLLayer，如果不显示蓝色则表示使用了CPU渲染，绘制在了屏幕外，显示蓝色表示正常。

Flash Updated Regions：当对图层重绘的时候回显示黄色，如果频繁发生则会影响性能。可以用增加缓存来增强性能。

 

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上面虽然提到了什么会触发离屏渲染, 但是还想要在理解的深入点, 于是在知乎上发现了一篇文章, 

iOS渲染架构

在WWDC的Advanced Graphics and Animations for iOS Apps（WWDC14 419，关于UIKit和Core Animation基础的session在早年的WWDC中比较多）中有这样一张图：

我们可以看到，在Application这一层中主要是CPU在操作，而到了Render Server这一层，CoreAnimation会将具体操作转换成发送给GPU的draw calls（以前是call OpenGL ES，现在慢慢转到了Metal），显然CPU和GPU双方同处于一个流水线中，协作完成整个渲染工作。

CPU”离屏渲染“

大家知道，如果我们在UIView中实现了drawRect方法，就算它的函数体内部实际没有代码，系统也会为这个view申请一块内存区域，等待CoreGraphics可能的绘画操作。

对于类似这种“新开一块CGContext来画图“的操作，有很多文章和视频也称之为“离屏渲染”（因为像素数据是暂时存入了CGContext，而不是直接到了frame buffer）。进一步来说，其实所有CPU进行的光栅化操作（如文字渲染、图片解码），都无法直接绘制到由GPU掌管的frame buffer，只能暂时先放在另一块内存之中，说起来都属于“离屏渲染”。

自然我们会认为，因为CPU不擅长做这件事，所以我们需要尽量避免它，就误以为这就是需要避免离屏渲染的原因。但是根据苹果工程师的说法，CPU渲染并非真正意义上的离屏渲染。另一个证据是，如果你的view实现了drawRect，此时打开Xcode调试的“Color offscreen rendered yellow”开关，你会发现这片区域不会被标记为黄色，说明Xcode并不认为这属于离屏渲染。

其实通过CPU渲染就是俗称的“软件渲染”，而真正的离屏渲染发生在GPU。

GPU离屏渲染

在上面的渲染流水线示意图中我们可以看到，主要的渲染操作都是由CoreAnimation的Render Server模块，通过调用显卡驱动所提供的OpenGL/Metal接口来执行的。通常对于每一层layer，Render Server会遵循“画家算法”，按次序输出到frame buffer，后一层覆盖前一层，就能得到最终的显示结果（值得一提的是，与一般桌面架构不同，在iOS中，设备主存和GPU的显存共享物理内存，这样可以省去一些数据传输开销）。

然而有些场景并没有那么简单。作为“画家”的GPU虽然可以一层一层往画布上进行输出，但是无法在某一层渲染完成之后，再回过头来擦除/改变其中的某个部分——因为在这一层之前的若干层layer像素数据，已经在渲染中被永久覆盖了。这就意味着，对于每一层layer，要么能找到一种通过单次遍历就能完成渲染的算法，要么就不得不另开一块内存，借助这个临时中转区域来完成一些更复杂的、多次的修改/剪裁操作。

如果要绘制一个带有圆角并剪切圆角以外内容的容器，就会触发离屏渲染。我的猜想是（如果读者中有图形学专家希望能指正）：

• 将一个layer的内容裁剪成圆角，可能不存在一次遍历就能完成的方法
• 容器的子layer因为父容器有圆角，那么也会需要被裁剪，而这时它们还在渲染队列中排队，尚未被组合到一块画布上，自然也无法统一裁剪

此时我们就不得不开辟一块独立于frame buffer的空白内存，先把容器以及其所有子layer依次画好，然后把四个角“剪”成圆形，再把结果画到frame buffer中。这就是GPU的离屏渲染。

常见离屏渲染场景分析

• shadow，其原因在于，虽然layer本身是一块矩形区域，但是阴影默认是作用在其中”非透明区域“的，而且需要显示在所有layer内容的下方，因此根据画家算法必须被渲染在先。但矛盾在于此时阴影的本体（layer和其子layer）都还没有被组合到一起，怎么可能在第一步就画出只有完成最后一步之后才能知道的形状呢？这样一来又只能另外申请一块内存，把本体内容都先画好，再根据渲染结果的形状，添加阴影到frame buffer，最后把内容画上去（这只是我的猜测，实际情况可能更复杂）。不过如果我们能够预先告诉CoreAnimation（通过shadowPath属性）阴影的几何形状，那么阴影当然可以先被独立渲染出来，不需要依赖layer本体，也就不再需要离屏渲染了。

阴影会作用在所有子layer所组成的形状上，那就只能等全部子layer画完才能得到

• group opacity，其实从名字就可以猜到，alpha并不是分别应用在每一层之上，而是只有到整个layer树画完之后，再统一加上alpha，最后和底下其他layer的像素进行组合。显然也无法通过一次遍历就得到最终结果。将一对蓝色和红色layer叠在一起，然后在父layer上设置opacity=0.5，并复制一份在旁边作对比。左边关闭group opacity，右边保持默认（从iOS7开始，如果没有显式指定，group opacity会默认打开），然后打开offscreen rendering的调试，我们会发现右边的那一组确实是离屏渲染了。

同样的两个view，右边打开group opacity（默认行为）的被标记为Offscreen rendering

• mask，我们知道mask是应用在layer和其所有子layer的组合之上的，而且可能带有透明度，那么其实和group opacity的原理类似，不得不在离屏渲染中完成。

WWDC中苹果的解释，mask需要遍历至少三次

• UIBlurEffect，同样无法通过一次遍历完成，其原理在WWDC中提到：

• 其他还有一些，类似allowsEdgeAntialiasing等等也可能会触发离屏渲染，原理也都是类似：如果你无法仅仅使用frame buffer来画出最终结果，那就只能另开一块内存空间来储存中间结果。这些原理并不神秘。

GPU离屏渲染的性能影响

GPU的操作是高度流水线化的。本来所有计算工作都在有条不紊地正在向frame buffer输出，此时突然收到指令，需要输出到另一块内存，那么流水线中正在进行的一切都不得不被丢弃，切换到只能服务于我们当前的“切圆角”操作。等到完成以后再次清空，再回到向frame buffer输出的正常流程。

在tableView或者collectionView中，滚动的每一帧变化都会触发每个cell的重新绘制，因此一旦存在离屏渲染，上面提到的上下文切换就会每秒发生60次，并且很可能每一帧有几十张的图片要求这么做，对于GPU的性能冲击可想而知（GPU非常擅长大规模并行计算，但是频繁的上下文切换显然不在其设计考量之中）

每16ms就需要根据当前滚动位置渲染整个tableView，是个不小的性能挑战

善用离屏渲染

尽管离屏渲染开销很大，但是当我们无法避免它的时候，可以想办法把性能影响降到最低。优化思路也很简单：既然已经花了不少精力把图片裁出了圆角，如果我能把结果缓存下来，那么下一帧渲染就可以复用这个成果，不需要再重新画一遍了。

CALayer为这个方案提供了对应的解法：shouldRasterize。一旦被设置为true，Render Server就会强制把layer的渲染结果（包括其子layer，以及圆角、阴影、group opacity等等）保存在一块内存中，这样一来在下一帧仍然可以被复用，而不会再次触发离屏渲染。有几个需要注意的点：

• shouldRasterize的主旨在于降低性能损失，但总是至少会触发一次离屏渲染。如果你的layer本来并不复杂，也没有圆角阴影等等，打开这个开关反而会增加一次不必要的离屏渲染
• 离屏渲染缓存有空间上限，最多不超过屏幕总像素的2.5倍大小
• 一旦缓存超过100ms没有被使用，会自动被丢弃
• layer的内容（包括子layer）必须是静态的，因为一旦发生变化（如resize，动画），之前辛苦处理得到的缓存就失效了。如果这件事频繁发生，我们就又回到了“每一帧都需要离屏渲染”的情景，而这正是开发者需要极力避免的。针对这种情况，Xcode提供了“Color Hits Green and Misses Red”的选项，帮助我们查看缓存的使用是否符合预期
• 其实除了解决多次离屏渲染的开销，shouldRasterize在另一个场景中也可以使用：如果layer的子结构非常复杂，渲染一次所需时间较长，同样可以打开这个开关，把layer绘制到一块缓存，然后在接下来复用这个结果，这样就不需要每次都重新绘制整个layer树了

什么时候需要CPU渲染

渲染性能的调优，其实始终是在做一件事：平衡CPU和GPU的负载，让他们尽量做各自最擅长的工作。

平衡CPU和GPU的负载

绝大多数情况下，得益于GPU针对图形处理的优化，我们都会倾向于让GPU来完成渲染任务，而给CPU留出足够时间处理各种各样复杂的App逻辑。为此Core Animation做了大量的工作，尽量把渲染工作转换成适合GPU处理的形式（也就是所谓的硬件加速，如layer composition，设置backgroundColor等等）。

但是对于一些情况，如文字（CoreText使用CoreGraphics渲染）和图片（ImageIO）渲染，由于GPU并不擅长做这些工作，不得不先由CPU来处理好以后，再把结果作为texture传给GPU。除此以外，有时候也会遇到GPU实在忙不过来的情况，而CPU相对空闲（GPU瓶颈），这时可以让CPU分担一部分工作，提高整体效率。

来自WWDC18 session 221，可以看到Core Text基于Core Graphics

一个典型的例子是，我们经常会使用CoreGraphics给图片加上圆角（将图片中圆角以外的部分渲染成透明）。整个过程全部是由CPU完成的。这样一来既然我们已经得到了想要的效果，就不需要再另外给图片容器设置cornerRadius。另一个好处是，我们可以灵活地控制裁剪和缓存的时机，巧妙避开CPU和GPU最繁忙的时段，达到平滑性能波动的目的。

 

参考文章:  什么是离屏渲染？  iOS 关于离屏渲染的理解 以及解决方案    关于iOS离屏渲染的深入研究