iOS 下离屏渲染的问题

Offscreen Rendering

如何检测你的项目中是否 触发了离屏渲染问题

那么为何有一些会触发离屏渲染，而有一些却不会触发呢？下面我们开始深入的探索。

离屏渲染的具体过程

我们知道通常的渲染流程是这样的：

App通过CPU和GPU的合作，不停的将内容渲染完成放入FrameBuffer帧缓存区，而屏幕显示不断从FrameBuffer中获取内容，显示实时的内容。

但是离屏渲染的流程是这样的：

在普通的情况下，GPU直接将渲染好的内容放入FrameBuffer中，但是在离屏渲染时不同，需要先额外创建离屏渲染缓存区OffscreenBuffer。将提前渲染好的内容放入其中，等到合适的时机再将OffSreeBuffer中的内容进一步叠加、渲染。完成后将结果切换到FrameBuffer中。

离屏渲染的效率问题

从上面的流程来看，离屏渲染时，由于App需要提前对部分内容进行额外的渲染并保存到OffScreenBuffer，以及需要在必要时对OffScreenBuffer和FrameBuffer进行内容切换，所以会需要更长的处理时间。（实际上这两步切换的代价是非常大的）。

OffScreenBuffer本身就需要额外的空间，大量的离屏渲染可能造成内存过大的压力。与此同时，OffScreenBuffer的总大小也是有限的：不能超过屏幕总像素的2.5倍。

可见离屏渲染的开销非常大，一旦需要离屏渲染的内容过多，就容易造成掉帧问题，所以大部分情况下，我们要避免出现离屏渲染。

为什么要用离屏渲染

既然离屏渲染会造成性能问题，那么为什么还要使用离屏渲染？

其实主要是以下两种原因：

1. 一些特殊的效果需要使用额外的OffScreenBuffer来保存渲染中间的状态，所以不得不使用离屏渲染
2. 出于效率的目的，可以将内容提前渲染并保存到OffScreenBuffer中，从而达到复用的目的

例如，第一种原因，也就是不得不使用离屏渲染的情况。一般都是系统自动触发。如：阴影、圆角等。比如我们使用的蒙版（mask）功能，因为最终的结果是有超过一层的渲染结果进行叠加，所以必须要利用额外的内存空间对中间的渲染结果进行保存，因此系统会默认触发离屏渲染.

比如，iOS8开始提供模糊特效UIBlurEffectView：

1. 先渲染需要模糊的内容本身；
2. 对内容进行缩放；
3. 对上一步结果进行垂直模糊；
4. 对上一步结果进行横向模糊；
5. 最后一步，将模糊后的结果进行叠加合成，实现最终完整的模糊效果。

在这样的5次过程，系统也会自动触发离屏渲染，用来保存复杂的特效下，利用额外的内存空间对中间的结果进行保存，以便最后进行效果的合成。

离屏渲染的第二种原因：shouldRasterize 光栅化

开启光栅化后，就会主动触发离屏渲染。Render Server会强制将CALayer渲染位图结果bitmap保存下来，这样下次渲染可以直接复用，提高效率；而保存下来的bitmap就已经包含了layer和sublayer、圆角、阴影、透明度等。

如果layer的构成包含了以上几种元素，结构非常复杂且还需要重复利用，可以考虑开启光栅化；因为layer 上的圆角、阴影、透明度等会由系统自动触发离屏渲染，那么打开光栅化就可以节约第二次以及以后的渲染时间。

而多层的subLayer的情况由于不会自动触发离屏渲染，所以相比之下会花费第一次离屏渲染的时间，但是可以节约后续重复的渲染开销。

使用光栅化的注意点：

1. 如果layer并不能被复用，则没必要开启；
2. 如果layer不是静态的，需要 被频繁修改，比如处于动画之中，那么开启离屏渲染反而影响效率了；
3. 离屏渲染缓存内容有时间限制，缓存内容如果100ms没被复用，那么就会被丢弃，无法进行复用；
4. 离屏渲染缓存空间有限，超过2.5倍屏幕像素大小的话，也会失效，且无法复用

圆角的离屏渲染探索

通常来讲，设置了Layer的圆角效果后，会自动触发离屏渲染，但是具体什么情况下设置圆角才会触发离屏渲染？

如上图所示，Layer由3层组成，我们设置圆角通常是用下面的代码：

view.layer.cornerRadius = 2;

CornerRadius - Apple 官方介绍

根据苹果的描述，上面这句代码，只会默认设置backgroundColor和border的圆角，而不会设置content的圆角，除非设置了layer.maskToBounds为true（对应view的clickToBounds属性）。

如果只设置了CornerRadius而没有设置masksToBounds，由于不需要叠加裁剪，此时是不会触发离屏渲染的。而当设置了裁剪属性时，由于maskToBounds会对layer以及所有 的subLayer的content都进行裁剪，所以不得不触发离屏渲染。

view.layer.masksToBounds = true //触发离屏渲染的原因

离屏渲染的逻辑

刚才说圆角加上masksToBounds时，因为masksToBounds会对layer上的所有内容进行裁剪，从而诱发了离屏渲染，那么这个过程具体是怎么回事呢？我们来仔细研究一下：

• 在普通的layer绘制中，上层的subLayer会覆盖下层的subLayer，下层的subLayer在绘制完成后就可以抛弃了，从而节约空间提高效率。

• 所有subLayer一次绘制完毕后，整个绘制过程完成，就可以进行后续的呈现了。假设我们需要绘制一个三层的subLayer，并不设置裁剪和圆角，那么整个绘制过程就如下图所示：

绘制完进行display

设置了CornerRadius以及masksToBounds

当我们设置了CornerRadius以及masksToBounds进行圆角加裁剪时，masksToBounds裁剪属性会应用到所有的subLayer上，也就意味着所有的subLayer都要进行圆角+裁剪，意味着所有的subLayer在第一次绘制后，并不能立刻丢弃，而必须保存在OffScreenBuffer中等待下一轮的圆角加裁剪操作，这样便引发了离屏渲染。

实际上，并不单只有圆角加裁剪会触发离屏渲染。如果设置了透明度和组透明(layer.allowsGroupOpacity+layer.opacity)，阴影属性（shadowOffset）等，都会产生这样的离屏渲染，因为这些都不是对单一的layer进行处理，而是对layer及其所有 的subLayer进行处理，从而引发离屏渲染。

避免圆角离屏渲染的手段：

除了尽量减少圆角裁剪的使用，还有什么别的办法可以避免圆角+裁剪引起的离屏渲染？

由于刚才提到，圆角引起离屏渲染的本质是裁剪的叠加，导致了masksToBounds对layer及其所有的subLayer进行了二次处理，那么我们只要避免使用masksToBounds进行二次处理，而是对所有的subLayer进行预处理，就可以只进行“画家算法（先绘制离屏幕较远的图层，然后绘制距离屏幕较近的图层，根据深度值，确定绘制顺序）”，用一次叠加就完成绘制。

有哪些可行方案

1.换资源
直接使用带圆角的图片，或者替换背景色为带圆角的纯色背景图，从而避免使用圆角裁剪。不过这周方法需要依赖具体情况，并不通用 。

2.mask
再增加一个和背景色相同的遮罩mask覆盖在最上层，盖住四个角，营造出圆角的形状。但这种方式难以解决背景色为图片 或渐变色的情况。注意这里的mask并不是指的layer上的mask，而是用两个view的叠加

3.UIBezierPath
用贝塞尔曲线绘制闭合带圆角的矩形，在上下文设置只有内部可见，再将不带圆角的layer渲染成图片，添加到贝塞尔矩形中。这种方法效率较高，但是layer的布局一旦改变，贝塞尔曲线都需要手动进行重新绘制，所以需要对frame、color等进行手动监听并重绘。

4.CoreGraphics
重写 drawRect：，用coreGraphics相关方法，在需要应用圆角时进行手动绘制。不过CoreGraphics效率也有限，如果多次调用也会有效率问题。

触发离屏渲染的几种情况

1. 使用了mask的layer（layer.mask）
2. 需要进行裁剪的layer（layer.masksToBounds / view.clipsToBounds）
3. 设置了组透明度YES,并且透明度不为1的layer (layer.allowsGroupOpacity/layer.opacity)
4. 添加了投影的layer（layer.shadow）
5. 采用了光栅化的layer（layer.shouldRasterize）
6. 绘制了文字的layer （UILabel，CATextLayer，CoreText等）

举几个例子，加深下理解：

//按钮存在背景图片  因为 会对button的layer和其imageView的layer进行圆角加裁剪 所以会触发离屏渲染
UIButton *btn1 = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
btn1.frame = CGRectMake(100, 30, 100, 100);
[btn1 setImage:[UIImage imageNamed:@"btn.png"] forState:UIControlStateNormal];
[self.view addSubview:btn1];
btn1.layer.cornerRadius = 50;
btn1.clipsToBounds = YES;

//按钮存在背景图片  只设置了clipsToBounds，裁剪是针对于imageview的，所以不会触发离屏渲染(not offscreen rendering)
UIButton *btn1 = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
btn1.frame = CGRectMake(100, 30, 100, 100);
[btn1 setImage:[UIImage imageNamed:@"btn.png"] forState:UIControlStateNormal];
[self.view addSubview:btn1];
btn1.imageView.layer.cornerRadius = 50;
btn1.clipsToBounds = YES;

//按钮不存在背景图片 虽然设置了圆角+裁剪，但是只有一层layer  所以不会触发离屏渲染
UIButton *btn2 = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
btn2.frame = CGRectMake(100, 180, 100, 100);
btn2.backgroundColor = [UIColor blueColor];
[self.view addSubview:btn2];
btn2.layer.cornerRadius = 50;
btn2.clipsToBounds = YES;

//UIImageView 设置了图片+背景色; 背景色和图片两层layer都需要进行圆角+裁剪  所以会触发离屏渲染
UIImageView *img1 = [[UIImageView alloc]init];
img1.frame = CGRectMake(100, 320, 100, 100);
img1.backgroundColor = [UIColor blueColor];
img1.image = [UIImage imageNamed:@"btn.png"];
[self.view addSubview:img1];
img1.layer.cornerRadius = 50;
img1.layer.masksToBounds = YES;

//UIImageView 只设置了图片,无背景色; 只有一层 layer 需要圆角+裁剪 所以不会触发离屏渲染
UIImageView *img2 = [[UIImageView alloc]init];
img2.frame = CGRectMake(100, 480, 100, 100);
img2.image = [UIImage imageNamed:@"btn.png"];
[self.view addSubview:img2];
img2.layer.cornerRadius = 50;
img2.layer.masksToBounds = YES;