YYAsyncLayer 源码剖析:异步绘制

作者 : 开心源码 本文共11721个字,预计阅读时间需要30分钟 发布时间: 2022-05-11 共59人阅读

引言

性能优化一直是 iOS 开发中的一个重头戏,其中界面流畅度的优化是至关重要的,由于它直接关系到使用户体验。从最熟习和简单的 UIKit 框架到 CoreAnimation、CoreGraphics、CoreText 甚至是 OpenGL,优化似乎是无穷无尽,也非常考验开发者的水平。

YYAsyncLayer 是 ibireme 写的一个异步绘制的轮子,尽管代码加起来才 300 行左右,但质量比较高,涉及到很多优化思维,值得学习。

可能很多人学习优秀源码陷入了一个误区,仅仅是阅读而不了解。

我们应该多思考作者为什么这样写,而不是仅仅看懂代码的表面意思。由于看懂 API 很简单,这不应该是阅读源码最关注的东西。关注的层次不同自然决定了开发者的高度。

源码基于 1.0.0 版本。

一、框架概述

YYAsyncLayer 库代码很清晰,就几个文件:

YYAsyncLayer.h (.m)YYSentinel.h (.m)YYTransaction.h (.m)
  • YYAsyncLayer 类继承自 CALayer ,不同的是作者封装了异步绘制的逻辑便于用。
  • YYSentinel 类是一个计数的类,是为了记录最新的布局请求标识,便于及时的放弃多余的绘制逻辑以减少开销。
  • YYTransaction 类是事务类,捕获主线程 runloop 的某个时机回调,使用于解决异步绘制事件。

可能有些读者会迷糊,不过没关系,后文会详细剖析代码细节,这里只要要对框架有个大致的认识即可以了。

浏览一下源码便可以知道,该框架的使用法不过是用一个 CALayer 的子类 —— YYAsyncLayer。(需要实现 YYAsyncLayer 类指定的代理商方法,对整个绘制流程做管理,详细用方法可以看看框架的 README)

二、为什么需要异步绘制?

1、界面卡慢的实质

iOS 设施显示器每绘制完一帧画面,复位时就会发送一个 VSync (垂直同步信号) ,并且此时切换帧缓冲区 (iOS 设施是双缓存+垂直同步);在读取经 GPU 渲染完成的帧缓冲区数据进行绘制的同时,还会通过 CADisplayLink 等机制通知 APP 内部可以提交结果到另一个空闲的帧缓冲区了;接着 CPU 就开始计算 APP 布局,计算完成交由 GPU 渲染,渲染完成提交到帧缓冲区;当 VSync 再一次到来的时候,切换帧缓冲区……
(ps: 上面这段形容是笔者的了解,参考 iOS 保持界面流畅的技巧 )

当 VSync 到来准备切换帧缓冲区时,若空闲的帧缓存区并未收到来自 GPU 的提交,此次切换就会作罢,设施显示系统会放弃此次绘制,从而引起掉帧。

由此可知,不论是 CPU 还是 GPU 哪一个出现问题导致不能及时的提交渲染结果到帧缓冲区,都会导致掉帧。优化界面流畅程度,实际上就是减少掉帧(iOS设施上大致是 60 FPS),也就是减小 CPU 和 GPU 的压力提高性能。

2、UIKit 性能瓶颈

有些 UIKit 组件的绘制是在主线程进行,需要 CPU 来进行绘制,当同一时刻过多组件需要绘制时,必然会给 CPU 带来压力,这个时候就很容易掉帧(主要是文本控件,大量文本内容的计算量和绘制过程都相当繁琐)。

3、UIKit 替代方案:CoreAnimation 或者 CoreGraphics

当然,首选优化方案是 CoreAnimation 框架。CALayer 的大部分属性都是由 GPU 绘制的 (硬件层面),不需要 CPU (软件层面) 做任何绘制。CA 框架下的 CAShapeLayer (多边形绘制)、CATextLayer(文本绘制)、CAGradientLayer (渐变绘制) 等都有较高的效率,非常实使用。

再来看一下 CoreGraphics 框架,实际上它是依托于 CPU 的软件绘制。在实现CALayerDelegate 协议的 -drawLayer:inContext: 方法时(等同于UIView 二次封装的 -drawRect:方法),需要分配一个内存占使用较高的上下文context,与此同时,CALayer 或者者其子类需要创立一个等大的寄宿图contents,当基于 CPU 的软件绘制完成,还需要通过 IPC (进程间通信) 传递给设施显示系统,值得注意的是:当重绘时需要抹除这个上下文重新分配内存。

不论是创立上下文、重绘带来的二次内存开销、等大寄宿图的创立、IPC 都会带来性能上的很大开销。所以 CoreGraphics 的性能比较差,日常开发中要尽量避免直接用。通常情况下,直接给 CALayercontents 赋值 CGImage 图片或者者用 CALayer 的衍生类就能实现大部分需求,还能充分利使用硬件支持,图像解决交给 GPU 当然更加放心。

4、多核设施带来的可能性

通过以上分析,可以确定 CoreGraphics 较为糟糕的性能。然而可喜的是,市面上的设施都已经不是单核了,这就意味着可以通过后端线程解决耗时任务,主线程只要要负责调度显示。

ps:关于多核设施的线程性能问题,后面分析源码会讲到

CoreGraphics 框架可以通过图片上下文将绘制内容制作为一张图片,并且这个操作可以在非主线程执行。那么,当有 n 个绘制任务时,可以开拓多个线程在后端异步绘制,绘制成功拿到图片回到主线程赋值给 CALayer 的寄宿图属性。

这就是 YYAsyncLayer 框架的核心思想,不过该框架还有其余的亮点后文慢慢阐述。

尽管多个线程异步绘制会消耗可观的内存,但是对于性能敏感界面的使用户体验提升有很大帮助,优化很多时候就是空间换时间,所谓鱼和熊掌不可兼得。这也说明了一个问题,实际开发中要做有针对性的优化,不可盲目跟风。

三、YYSentinel

该类非常简单:

.h@interface YYSentinel : NSObject@property (readonly) int32_t value;- (int32_t)increase;@end.m@implementation YYSentinel { int32_t _value; }- (int32_t)value { return _value; }- (int32_t)increase { return OSAtomicIncrement32(&_value); }@end

一看便知,该类扮演的是计数的角色,值得注意的是,-increase方法是用 OSAtomicIncrement32() 方法来对value执行自增。

OSAtomicIncrement32()是原子自增方法,线程安全。在日常开发中,若需要保证整形数值变量的线程安全,可以用 OSAtomic 框架下的方法,它往往性能比用各种“锁”更为优越,并且代码优雅。

至于该类的实际作使用后文会解释。

四、YYTransaction

YYTransaction 貌似和系统的 CATransaction 很像,他们同为“事务”,但实际上很不一样。通过 CATransaction 的嵌套使用法猜测 CATransaction 对任务的管理是用的一个栈结构,而 YYTransaction 是用的集合来管理任务。

YYTransaction 做的事情就是记录一系列事件,并且在合适的时机调使用这些事件。至于为什么这么做,需要先理解 YYTransaction 做了些什么,最终你会恍然大悟??。

1、提交任务

YYTransaction 有两个属性:

@interface YYTransaction()@property (nonatomic, strong) id target;@property (nonatomic, assign) SEL selector;@endstatic NSMutableSet *transactionSet = nil;

很简单,方法接收者 (target) 和方法 (selector),实际上一个 YYTransaction 就是一个任务,而 transactionSet 集合就是使用来存储这些任务。提交方法- (void)commit;不过是初始配置并且将任务装入集合。

2、合适的回调时机

static void YYTransactionSetup() {    static dispatch_once_t onceToken;    dispatch_once(&onceToken, ^{        transactionSet = [NSMutableSet new];        CFRunLoopRef runloop = CFRunLoopGetMain();        CFRunLoopObserverRef observer;        observer = CFRunLoopObserverCreate(CFAllocatorGetDefault(),                                           kCFRunLoopBeforeWaiting | kCFRunLoopExit,                                           true,      // repeat                                           0xFFFFFF,  // after CATransaction(2000000)                                           YYRunLoopObserverCallBack, NULL);        CFRunLoopAddObserver(runloop, observer, kCFRunLoopCommonModes);        CFRelease(observer);    });}

这里在主线程的 RunLoop 中增加了一个 oberver 监听,回调的时机是 kCFRunLoopBeforeWaitingkCFRunLoopExit ,即是主线程 RunLoop 循环即将进入休眠或者者即将退出的时候。而该 oberver 的优先级是 0xFFFFFF,优先级在 CATransaction 的后面(至于 CATransaction 的优先级为什么是 2000000,应该在主线程 RunLoop 启动的源代码中可以查到,笔者并没有找到暴露出来的信息)。

从这里可以看出,作者用一个“低姿态”侵入主线程 RunLoop,在解决完重要逻辑(特别是 CoreAnimation 框架逻辑)之后做异步绘制的事情,这也是作者对优先级的权衡考虑。

下面看看回调里面做了些什么:

static void YYRunLoopObserverCallBack(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info) {    if (transactionSet.count == 0) return;    NSSet *currentSet = transactionSet;    transactionSet = [NSMutableSet new];    [currentSet enumerateObjectsUsingBlock:^(YYTransaction *transaction, BOOL *stop) {#pragma clang diagnostic push#pragma clang diagnostic ignored "-Warc-performSelector-leaks"        [transaction.target performSelector:transaction.selector];#pragma clang diagnostic pop    }];}

一目了然,只是将集合中的任务分别执行。

3、自己设置 hash 算法

YYTransaction 类重写了 hash 算法:

- (NSUInteger)hash {    long v1 = (long)((void *)_selector);    long v2 = (long)_target;    return v1 ^ v2;}

NSObject 类默认的 hash 值为 10 进制的内存地址,这里作者将_selector_target的内存地址进行一个位异或者解决,意味着只需_selector_target地址都相同时,hash 值就相同。

这么做的意义是什么呢?

上面有提到一个集合:

static NSMutableSet *transactionSet = nil;

和其余编程语言一样 NSSet 是基于 hash 的集合,它是不能有重复元素的,而判断能否重复毫无疑问是用 hash。这里将 YYTransaction 的 hash 值依托于_selector_target的内存地址,那就意味着两点:

  1. 同一个 YYTransaction 实例,_selector_target只需有一个内存地址不同,就会在集合中表现为两个值。
  2. 不同的 YYTransaction 实例,_selector_target的内存地址都相同,在集合中的表现为一个值。

熟习 hash 的读者应该一点即通,那么这么做对于业务的目的是什么呢?

哈哈,很简单,这样可以避免重复的方法调使用。加入 transactionSet 中的事件会在 Runloop 即将进入休眠或者者即将退出时遍历执行,相同的方法接收者和相同的方法,可以视为重复调使用(这里的主要场景是避免重复绘制白费性能)。

举一个实际的例子:
当用绘制来制作一个文本时,Font、Text等属性的改变都意味着要重绘,用 YYTransaction 推迟了绘制的调使用时机,并且它们在同一个 RunLoop 循环中,装入NSSet将直接合并为一个绘制任务,避免了重复的绘制。

五、YYAsyncLayer

@interface YYAsyncLayer : CALayer@property BOOL displaysAsynchronously;@end

YYAsyncLayer 继承自 CALayer,对外暴露了一个方法可开闭能否异步绘制。

1、初始化配置

- (instancetype)init {    self = [super init];    static CGFloat scale; //global    static dispatch_once_t onceToken;    dispatch_once(&onceToken, ^{        scale = [UIScreen mainScreen].scale;    });    self.contentsScale = scale;    _sentinel = [YYSentinel new];    _displaysAsynchronously = YES;    return self;}

这里设置了YYAsyncLayercontentsScale为屏幕的scale,该属性是 物理像素 / 逻辑像素,这样可以充分利使用不同设施的显示器分辨率,绘制更清晰的图像。但是若contentsGravity设置了可拉伸的类型,CoreAnimation 将会优先满足,而忽略掉contentsScale

同时,初始化函数创立了一个YYSentinel实例。

@2x和@3x图

实际上 iPhone4 及其以上的 iPhone 设施scale都是 2 及以上,也就是说至少都是每个逻辑像素长度对应两个物理像素长度。所以很多美工会只切 @2x 和 @3x 图给你,而不切一倍图。

@2x和@3x图是苹果一个优化显示效果的机制,当 iPhone 设施scale为 2 时会优先读取 @2x 图,当scale为 3 时会优先读取 @3x 图,这就意味着,CALayercontentsScale要和设施的scale对应才能达到预期的效果(不同设施显示相同的逻辑像素大小)。

幸运的是,UIViewUIImageView默认解决了它们内部CALayercontentsScale,所以除非是直接用CALayer及其衍生类,都不使用显式的配置contentsScale

重写绘制方法

- (void)setNeedsDisplay {    [self _cancelAsyncDisplay];    [super setNeedsDisplay];}- (void)display {    super.contents = super.contents;    [self _displayAsync:_displaysAsynchronously];}

可以看到两个方法,_cancelAsyncDisplay是取消绘制,稍后解析实现逻辑;_displayAsync是异步绘制的核心方法。

2、YYAsyncLayerDelegate 代理商

@protocol YYAsyncLayerDelegate <NSObject>@required- (YYAsyncLayerDisplayTask *)newAsyncDisplayTask;@end
@interface YYAsyncLayerDisplayTask : NSObject@property (nullable, nonatomic, copy) void (^willDisplay)(CALayer *layer);@property (nullable, nonatomic, copy) void (^display)(CGContextRef context, CGSize size, BOOL(^isCancelled)(void));@property (nullable, nonatomic, copy) void (^didDisplay)(CALayer *layer, BOOL finished);@end

YYAsyncLayerDisplayTask是绘制任务管理类,可以通过willDisplaydidDisplay回调将要绘制和结束绘制时机,最重要的是display,需要实现这个代码块,在代码块里面写业务绘制逻辑。

这个代理商实际上就是框架和业务交互的桥梁,不过这个设计笔者个人认为有少量冗余,这里假如直接通过代理商方法与业务交互而不用中间类可能看起来更舒服。

3、异步绘制的核心逻辑

删减了部分代码:

- (void)_displayAsync:(BOOL)async {    __strong id<YYAsyncLayerDelegate> delegate = self.delegate;    YYAsyncLayerDisplayTask *task = [delegate newAsyncDisplayTask];    ...        dispatch_async(YYAsyncLayerGetDisplayQueue(), ^{            if (isCancelled()) return;            UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(size, opaque, scale);            CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();            task.display(context, size, isCancelled);            if (isCancelled()) {                UIGraphicsEndImageContext();                dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{                    if (task.didDisplay) task.didDisplay(self, NO);                });                return;            }            UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();            UIGraphicsEndImageContext();            if (isCancelled()) {                dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{                    if (task.didDisplay) task.didDisplay(self, NO);                });                return;            }            dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{                if (isCancelled()) {                    if (task.didDisplay) task.didDisplay(self, NO);                } else {                    self.contents = (__bridge id)(image.CGImage);                    if (task.didDisplay) task.didDisplay(self, YES);                }            });        });    ...}

先不使用管 YYAsyncLayerGetDisplayQueue()方法如何获取的异步队列,也先不使用管isCancelled()判断做的少量提前结束绘制的逻辑,这些后面会讲。

那么,实际上核心代码可以更少:

- (void)_displayAsync:(BOOL)async {    ...    dispatch_async(YYAsyncLayerGetDisplayQueue(), ^{        UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(size, opaque, scale);        CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();        task.display(context, size, isCancelled);        UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();        UIGraphicsEndImageContext();        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{            self.contents = (__bridge id)(image.CGImage);        });    }];    ...}

此时就很清晰了,在异步线程创立一个图形上下文,调使用taskdisplay代码块进行绘制(业务代码),而后生成一个图片,最终进入主队列给YYAsyncLayercontents赋值CGImage由 GPU 渲染过后提交到显示系统。

4、及时的结束无使用的绘制

针对同一个YYAsyncLayer,很有可能新的绘制请求到来时,当前的绘制任务还未完成,而当前的绘制任务是无使用的,会继续消耗过多的 CPU (GPU) 资源。当然,这种场景主要是出现在列表界面快速滚动时,因为视图的复使用机制,导致重新绘制的请求非常频繁。

为理解决这个问题,作者用了大量的判断来及时的结束无使用的绘制,可以看看源码或者者是上文贴出的异步绘制核心逻辑代码,会发现一个频繁的操作:

if (isCancelled()) {...}

看看这个代码块的实现:

YYSentinel *sentinel = _sentinel;int32_t value = sentinel.value;BOOL (^isCancelled)(void) = ^BOOL() {  return value != sentinel.value;};

这就是YYSentinel计数类起作使用的时候了,这里使用一个局部变量value来保持当前绘制逻辑的计数值,保证其余线程改变了全局变量_sentinel的值也不会影响当前的value;若当前value不等于最新的_sentinel .value时,说明当前绘制任务已经被放弃,就需要及时的做返回逻辑。

那么,何时改变这个计数?

- (void)setNeedsDisplay {    [self _cancelAsyncDisplay];    [super setNeedsDisplay];}- (void)_cancelAsyncDisplay {    [_sentinel increase];}

很显著,在提交重绘请求时,计数器加一。

??不得不说,这的确是一个令人兴奋的优化技巧。

5、异步线程的管理

笔者去除了判断 YYDispatchQueuePool 库能否存在的代码,实际上那就是作者提取的队列管理封装,思想和以下代码一样。

static dispatch_queue_t YYAsyncLayerGetDisplayQueue() {//最大队列数量#define MAX_QUEUE_COUNT 16//队列数量    static int queueCount;//用栈区的数组存储队列    static dispatch_queue_t queues[MAX_QUEUE_COUNT];    static dispatch_once_t onceToken;    static int32_t counter = 0;    dispatch_once(&onceToken, ^{//要点 1 :串行队列数量和解决器数量相同        queueCount = (int)[NSProcessInfo processInfo].activeProcessorCount;        queueCount = queueCount < 1 ? 1 : queueCount > MAX_QUEUE_COUNT ? MAX_QUEUE_COUNT : queueCount;//要点 2 :创立串行队列,设置优先级        if ([UIDevice currentDevice].systemVersion.floatValue >= 8.0) {            for (NSUInteger i = 0; i < queueCount; i++) {                dispatch_queue_attr_t attr = dispatch_queue_attr_make_with_qos_class(DISPATCH_QUEUE_SERIAL, QOS_CLASS_USER_INITIATED, 0);                queues[i] = dispatch_queue_create("com.ibireme.yykit.render", attr);            }        } else {            for (NSUInteger i = 0; i < queueCount; i++) {                queues[i] = dispatch_queue_create("com.ibireme.yykit.render", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);                dispatch_set_target_queue(queues[i], dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0));            }        }    });//要点 3 :轮询返回队列    int32_t cur = OSAtomicIncrement32(&counter);    if (cur < 0) cur = -cur;    return queues[(cur) % queueCount];#undef MAX_QUEUE_COUNT}
要点 1 :串行队列数量和解决器数量相同

首先要明白,并发并行 的区别:
并行肯定并发,并发不肯定并行。在单核设施上,CPU通过频繁的切换上下文来运行不同的线程,速度足够快以至于我们看起来它是‘并行’解决的,然而我们只能说这种情况是并发而非并行。例如:你和两个人一起百米赛跑,你一直在不停的切换跑道,而其余两人就在自己的跑道上,最终,你们三人同时到达了终点。我们把跑道看做任务,那么,其余两人就是并行执行任务的,而你只能的说是并发执行任务。

所以,实际上一个 n 核设施最多能 并行 执行 n 个任务,也就是最多有 n 个线程是相互不竞争 CPU 资源的。

当你开拓的线程过多,超过了解决数量,实际上某些并行的线程之间即可能竞争同一个解决器的资源,频繁的切换上下文也会消耗解决器性能。

所以,超过解决器数量的线程没有性能上的优势,只是在业务上便于管理而已

而串行队列中只有一个线程,该框架中,作者用和解决器相同数量的串行队列,的确在性能上是最优的选择。

要点 2 :创立串行队列,设置优先级

在 8.0 以上的系统,队列的优先级为 QOS_CLASS_USER_INITIATED,低于使用户交互相关的QOS_CLASS_USER_INTERACTIVE

在 8.0 以下的系统,通过dispatch_set_target_queue()函数设置优先级为DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT(第二个参数假如用串行队列会强行将我们创立的所有线程串行执行任务)。

可以猜测主线程的优先级是大于或者等于QOS_CLASS_USER_INTERACTIVE的,让这些串行队列的优先级低于主队列,避免框架创立的线程和主线程竞争资源。

关于两种类型优先级的对应关系是这样的:

 *  - DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH:         QOS_CLASS_USER_INITIATED *  - DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT:      QOS_CLASS_DEFAULT *  - DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW:          QOS_CLASS_UTILITY *  - DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND:   QOS_CLASS_BACKGROUND
要点 3 :轮询返回队列

同样用原子自增函数OSAtomicIncrement32()对局部静态变量counter进行自增,而后通过取模运算循环返回队列。

注意这里用了一个判断:if (cur < 0) cur = -cur;,当cur自增越界时就会变为负数最大值(在二进制层面,是使用正整数的反码加一来表示其负数的)。

为什么要用 n 个串行队列实现并发

可能有人会有疑惑,为什么这里需要用 n 个串行队列来调度,而不使用一个并行队列。

主要是由于并行队列无法准确的控制线程数量,很有可能创立过多的线程,导致 CPU 切换上下文过于频繁,影响性能。

可能会想到使用信号量 (dispatch_semaphore_t) 来控制并发,然而这样只能控制并发的任务数量,而不能控制线程数量,并且用起来不是很优雅。

而用串行队列就很简单了,我们可以很明确的知道自己创立的线程数量,一切皆在掌控之中。

结语

不知道读者朋友有没有感受到 YYAsyncLayer 的 300 左右代码所涵盖的东西。实际上学习一份优秀源码需要在过程中去理解和学习源码之外的其它很多知识,这也是学习优秀源码的意义。

沉下心来感受代码的艺术。

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