iOS图形性能进阶与测试

学习与延伸

这篇文章主要是学习完Advanced Graphics and Animations for iOS Apps这个session后的总结和相应细节的延伸和细化。主要内容为图形性能与测试工具这两个章节。

目录:

  • Core Animation Pipeline
  • UIBlurEffectView
  • 图形性能
  • 测试工具
  • 总结

Core Animation Pipeline

第一部分主要讲解了Core Animation的工作流程和渲染过程。

CoreAnimation的渲染流程可以用下图来概括:

在GPU的渲染过程中,我们能看到顶点着色器与像素着色器参与到图像的处理。

在objc.io中有一篇文章进一步地阐明了顶点着色器与像素着色器 (GPU 加速下的图像处理)

UIBlurEffectView

第二部分主要讲解了iOS8新引入的UIBlurEffectView,结合第一部分来阐述UIBlurEffectView是如何工作的,以及它们的性能。

事实上,个人觉得有一点很有趣。就是UIBlurEffectView为了优化图像处理效率,并不是用普通的模糊算法。虽然Session中没提到模糊算法,我在这里简单地介绍一下简单的模糊算法。

最简单模糊的过程即是用中心像素与其周围像素的颜色算术平均值来代表模糊后的颜色值。我们可以在下面两幅图看到中心像素值的变化。

原始图像 中心像素模糊化

那么苹果是怎么做的呢?最有趣的一点是它并不是对原始图像直接模糊,而是先将图像缩放之后再进行模糊。这样的优点就是模糊算法需要处理的像素点就减少了,处理的效率会更快。

看到这里的时候我是笑了的,哈哈,觉得很机智。适当的把思维跳出来,”偷点懒”,有时真的会取得很不错的效果。学习,学习。

其次就是水平模糊与竖直模糊后再合成,添加颜色。

最后需要关注和有趣的一点是:苹果为我们提供了三个UIBlurEffect styles,
分别为Extra light, Light, Dark.但是三者的耗费的资源各为不同。

Extra light耗费最多资源, Light其次, Dark最多。 

我在自己的个人项目里也有用到UIBlurEffectView来美化界面,优化用户体验。两个项目都已经上架,并完整开源。欢迎去看看。

  • TouchColor

    主要使用在主菜单界面。

  • QR Catcher

    用在了实时蒙版,即类似微信二维码扫描框外的黑色半透明背景,在这里则是实时模糊,更美观。

图形性能

关于图形性能在之前关注的不够多,主要是用前人总结好的比较教条式的优化方式。这次借这个Session的学习,继续往外扩展阅读学习,好好梳理和学习遗漏点,底层细节,原理与性能优化的工具

  • 1. 关于CALayer的shouldRasterize(光栅化)

    开启shouldRasterize后,CALayer会被光栅化为bitmap,layer的阴影等效果也会被保存到bitmap中。

    当我们开启光栅化后,需要注意三点问题。

    • 如果我们更新已光栅化的layer,会造成大量的offscreen渲染。

      因此CALayer的光栅化选项的开启与否需要我们仔细衡量使用场景。只能用在图像内容不变的前提下的:

      • 用于避免静态内容的复杂特效的重绘,例如前面讲到的UIBlurEffect
      • 用于避免多个View嵌套的复杂View的重绘。

      而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offscreen渲染,降低图形性能。

      当然,合理利用的话,是能够得到不少性能的提高的,因为使用shouldRasterize后layer会缓存为Bitmap位图,对一些添加了shawdow等效果的耗费资源较多的静态内容进行缓存,能够得到性能的提升。

    • 不要过度使用,系统限制了缓存的大小为2.5X Screen Size.

      如果过度使用,超出缓存之后,同样会造成大量的offscreen渲染。

    • 被光栅化的图片如果超过100ms没有被使用,则会被移除

      因此我们应该只对连续不断使用的图片进行缓存。对于不常使用的图片缓存是没有意义,且耗费资源的。

  • 2. 关于offscreen rendering

    注意到上面提到的offscreen rendering。我们需要注意shouldRasterize的地方就是会造成offscreen rendering的地方,那么为什么需要避免呢?

    WWDC 2011 Understanding UIKit Rendering指出一般导致图形性能的问题大部分都出在了offscreen rendering,因此如果我们发现列表滚动不流畅,动画卡顿等问题,就可以想想和找出我们哪部分代码导致了大量的offscreen 渲染。

    首先,什么是offscreen rendering?

    offscreen rendring指的是在图像在绘制到当前屏幕前,需要先进行一次渲染,之后才绘制到当前屏幕。

    那么为什么offscreen渲染会耗费大量资源呢?

    原因是显卡需要另外alloc一块内存来进行渲染,渲染完毕后在绘制到当前屏幕,而且对于显卡来说,onscreen到offscreen的上下文环境切换是非常昂贵的(涉及到OpenGL的pipelines和barrier等),

备注:

这里提到的offscreen rendering主要讲的是通过GPU执行的offscreen,事实上还有的offscreen rendering是通过CPU来执行的(例如使用Core Graphics, drawRect)。其它类似cornerRadios, masks, shadows等触发的offscreen是基于GPU的。

许多人有误区,认为offscreen rendering就是software rendering,只是纯粹地靠CPU运算。实际上并不是的,offscreen rendering是个比较复杂,涉及许多方面的内容。

我们在开发应用,提高性能通常要注意的是避免offscreen rendering。不需要纠结和拘泥于它的定义.

有兴趣可以继续阅读Andy Matuschak, 前UIKit team成员关于offscreen rendering的评论

总之,我们通常需要避免大量的offscreen rendering.

会造成 offscreen rendering的原因有:

  • Any layer with a mask (layer.mask)
  • Any layer with layer.masksToBounds being true
  • Any layer with layer.allowsGroupOpacity set to YES and layer.opacity is less than 1.0
  • Any layer with a drop shadow (layer.shadow*).
  • Any layer with layer.shouldRasterize being true
  • Any layer with layer.cornerRadius, layer.edgeAntialiasingMask, layer.allowsEdgeAntialiasing

因此,对于一些需要优化图像性能的场景,我们可以检查我们是否触发了offscreen rendering。 并用更高效的实现手段来替换。

例如:

  1. 阴影绘制:

    使用ShadowPath来替代shadowOffset等属性的设置。

    一个如图的简单tableView: 

    两种不同方式来绘制阴影:

    不使用shadowPath

    使用shadowPath

    我们可以在下图看到两种方式巨大的性能差别。

    个人推测的shadowPath高效的原因是使用shadowPath避免了offscreen渲染,因为仅需要直接绘制路径即可,不需要提前读取图像去渲染。 

  2. 裁剪图片为圆:

    如图为例

    使用CornerRadius:

    利用一张中间为透明圆形的图片来进行遮盖,虽然会引起blending,但性能仍然高于offerScreen。

    根据苹果测试,第二种方式比第一种方式更高效: 

    以上举了两个例子阐明了在避免大量的offerScreen渲染后,性能能够得到非常直观有效的提高。

3. 关于blending

前面提到了用透明圆形的图片来进行遮盖,会引起blending。blending也会耗费性能。

:) 笑。如果阅读这篇文章的读者看到这里,是不是觉得已经无眼看下去了。哈哈,我自己学习总结到这里也是感受到了长路慢慢,但是我们仍然还是要不断上下求索的。 :)

好了 接下来让我们来认识一下Blending.

  • 什么是Blending?

在iOS的图形处理中,blending主要指的是混合像素颜色的计算。最直观的例子就是,我们把两个图层叠加在一起,如果第一个图层的透明的,则最终像素的颜色计算需要将第二个图层也考虑进来。这一过程即为Blending。

  • 会导致blending的原因:
    • layer(UIView)的Alpha < 1
    • UIImgaeView的image含有Alpha channel(即使UIImageView的alpha是1,但只要image含透明通道,则仍会导致Blending)
  • 为什么Blending会导致性能的损失?

原因是很直观的,如果一个图层是不透明的,则系统直接显示该图层的颜色即可。而如果图层是透明的,则会引入更多的计算,因为需要把下面的图层也包括进来,进行混合后颜色的计算。

在了解完Blending之后,我们就知道为什么很多优化准则都需要我们尽量使用不透明图层了。接下来就是在开发中留意和进行优化了。

测试工具

在出现图像性能问题,滑动,动画不够流畅之后,我们首先要做的就是定位出问题的所在。而这个过程并不是只靠经验和穷举法探索,我们应该用有脉络,有顺序的科学的手段进行探索。

首先,我们要有一个定位问题的模式。我们可以按照这样的顺序来逐步定位,发现问题。

  1. 定位帧率,为了给用户流畅的感受,我们需要保持帧率在60帧左右。当遇到问题后,我们首先检查一下帧率是否保持在60帧。
  2. 定位瓶颈,究竟是CPU还是GPU。我们希望占用率越少越好,一是为了流畅性,二也节省了电力。
  3. 检查有没有做无必要的CPU渲染,例如有些地方我们重写了drawRect,而其实是我们不需要也不应该的。我们希望GPU负责更多的工作。
  4. 检查有没有过多的offscreen渲染,这会耗费GPU的资源,像前面已经分析的到的。offscreen 渲染会导致GPU需要不断地onScreen和offscreen进行上下文切换。我们希望有更少的offscreen渲染。
  5. 检查我们有无过多的Blending,GPU渲染一个不透明的图层更省资源。
  6. 检查图片的格式是否为常用格式,大小是否正常。如果一个图片格式不被GPU所支持,则只能通过CPU来渲染。一般我们在iOS开发中都应该用PNG格式,之前阅读过的一些资料也有指出苹果特意为PNG格式做了渲染和压缩算法上的优化。
  7. 检查是否有耗费资源多的View或效果。我们需要合理有节制的使用。像之前提到的UIBlurEffect就是一个例子。
  8. 最后,我们需要检查在我们View层级中是否有不正确的地方。例如有时我们不断的添加或移除View,有时就会在不经意间导致bug的发生。像我之前就遇到过不断添加View的一个低级错误。我们希望在View层级中只包含了我们想要的东西。

OK,当我们有了一套模式之后,就可以使用苹果为我们提供的优秀测试工具来进行测试了。

对于图形性能问题的地位。一般我们有下列测试工具:

Instruments里的:

  • Core Animation instrument
  • OpenGL ES Driver instrument

模拟器中的:

Color debug options View debugging

还有Xcode的:

View debugging

然后我们来根据上面定位问题的模式来选择相应测试工具:

  1. 定位帧率
  2. 定位瓶颈
  3. 检查有无必要的CPU渲染

    以上三点我们可以使用CoreAnimation instrument来测试。

    CoreAnimation instrument包含了两个模块。第一幅图展示了检测帧率。第二幅图展示了检测CPU调用。我们能够通过它们来进行上述三个问题的检测。注意到第二幅图左下角,那是CPU 的call stack.我们就是在这里检测我们有没有做无必要的drawRect,有没有在主线程做太多事务导致阻塞了UI更新。

    关于GPU的瓶颈问题,我们可以通过OpenGL ES Driver instrument来获得更详细的信息。例如GPU的占用率。可以看到下图左下角有显示Device utilization。

  4. 检查有无过多offscreen渲染
  5. 检查有无过多Blending
  6. 检查有无不正确图片格式,图片是否被放缩,像素是否对齐。
  7. 检查有无使用复杂的图形效果。

    以上这四点我们同样使用CoreAnimation instrument来测试。

    我们可以看到上图右下角的Debug options有多个选项。我们通过勾选这些选项来触发Color Debug。下面逐个对这些选项进行分析。

    • Color Blended layers

      如图,勾选这个选项后,blended layer 就会被显示为红色,而不透明的layer则是绿色。我们希望越少红色区域越好。

    • Color Hits Green and Misses Red

      这个选项主要是检测我们有无滥用或正确使用layer的shouldRasterize属性.成功被缓存的layer会标注为绿色,没有成功缓存的会标注为红色。

      在测试的过程中,第一次加载时,开启光栅化的layer会显示为红色,这是很正常的,因为还没有缓存成功。但是如果在接下来的测试,例如我们来回滚动TableView时,我们仍然发现有许多红色区域,那就需要谨慎对待了。因为像我们前面讨论过的,这会引起offscreen rendering。

      检查一下是否有滥用该属性,因为系统规定的缓存大小是屏幕大小的2.5倍,如果使用过度,超出了缓存大小,会引起offscreen rendering。检测layer是否内容不断更新,内容的更新会导致缓存失效和大量的offscreen rendering.

    • Color copied images

      这个选项主要检查我们有无使用不正确图片格式,若是GPU不支持的色彩格式的图片则会标记为青色,则只能由CPU来进行处理。我们不希望在滚动视图的时候,CPU实时来进行处理,因为有可能会阻塞主线程。

    • Color misaligned images

      这个选项检查了图片是否被放缩,像素是否对齐。被放缩的图片会被标记为黄色,像素不对齐则会标注为紫色。

    • Color offscreen-rendered yellow

      这个选项将需要offscreen渲染的的layer标记为黄色。

      以上图为例子,NavigationBar和ToolBar被标记为黄色。因为它们需要模糊背后的内容,这需要offscreen渲染。但是这是我们需要的。而图片也是被标记为黄色,那是因为阴影的缘故。我前面已经提到了这一点,如果此时我们用shadowPath来替代的话,就能够避免offscreen渲染带来的巨大开销。

    • Color OpenGL fast path blue

      这个选项勾选后,由OpenGL compositor进行绘制的图层会标记为蓝色。这是一个好的结果。

    • Flash updated regions

      会标记屏幕上被快速更新的部分为黄色,我们希望只是更新的部分被标记完黄色。

    好啦,终于完整介绍完这些调试选项了,我们总结一下。

    我们需要重点注意的是
    1.Color Blended layers
    2.Color Hits Green and Misses Red
    3.Color offscreen-rendered yellow这三个选项。
    因为这三个部分对性能的影响最大。

  8. 检查View层级是否正确。

    我们可以在上图清楚地看到View的层级关系。可以检查View的层级是否正确。

    小提示(应用运行后,在这里打开):从左往右第七个图标

总结

关于图形性能还有许多细节和底层可以深入,不过经过这一次总结与学习,基本把握了iOS图形性能的优化细节和工具。希望也能够对你有一点帮助。

在学习和探索的过程中,个人感受最深的是两点。

  1. 一类事情背后都会有一定的原理,弄清楚了原理就能更好地把握这一类事务。

    在之前的iOS开发中,对图形界面的优化主要处于用前人总结的教条来优化。而经过这次学习之后,明白这些教条背后的原理,像最影响性能的offscreen rendering和blending。更能有针对性的优化和分析。

  2. 检测问题不应该是盲目的,有一定的模式和工具会更清晰。

    像对图形性能的问题定位,我们不应该一上来就开始找问题,看代码。而是应该逐步定位。而是像前面总结的一样,定位帧率,摸清瓶颈,逐个问题击破。再配合合适的工具进行测试和定位,一定能够提升效率和准确度。

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