Core Animation动画的不同阶段

之前在阅读Core Animation Programming Guide的时候写过一篇很短的总结;内容不多,主要用来整理一些当时吸收到的知识。最近,又把文档看了一遍,而且开始逐步做了翻译,有了更多新的体会。另外,WWDC这个关于Optimizing 2D Graphics and Animation Performance中对于还介绍了Core Animation在动画之前的各个阶段准备。

动画不同的阶段和动画性能的调优密不可分。

这篇博客主要是对上篇博客的补充,内容基本都来自于上面提到的WWDC的视频前面部分;另外自己使用了一个简单的Demo和对这个Demo的profile数据来验证视频内容。

动画的阶段

首先动画的整个过程可以分为大的三个阶段:

  • 创建动画和更新视图层级(create animation and update view hierachy)
  • 准备和提交动画(prepare and commit animation)
  • 渲染每一帧(render each frame)

动画大致的三个阶段

实际上,对于开发者而言,这三个大的阶段中的后两个,我们都是无法直接干预的。阶段二,由Core Animation代劳;阶段三是通过进程通信IPC - Inter-Process Communication将图层数据给到了另外一个render server的线程去渲染绘制的。这个render server据说在iOS 6之前叫SpringBoard,之后叫BackBoard(参见iOS Core Animation: Advanced Techniques - chapter 12)。

对于上面提到的前面两个阶段,可以通过Time Profiler在动画过程中对call stack的采样,来将这个过程更加具体的细分为四个步骤。
WWDCOptimizing 2D Graphics and Animation Performance使用的Demo动画为:


测试动画的代码样例

我们将这段代码整理到Demo中:

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- (void)startTestAnimation {
//used to profile core animation's possible call stack trace.
NSBundle *mainBundle = [NSBundle mainBundle];
UINib *viewNib = [UINib nibWithNibName:@"JWAnimationTestView" bundle:mainBundle];
NSArray *views = [viewNib instantiateWithOwner:nil options:nil];
JWAnimationTestView *animationView = [views firstObject];
animationView.frame = CGRectMake(0, 0, 300, 500);
animationView.backgroundColor = [UIColor brownColor];
animationView.transform = CGAffineTransformMakeScale(0.01, 0.01);
[UIView animateWithDuration:3
animations:
^{
[self.view addSubview:animationView];
animationView.transform = CGAffineTransformIdentity;
}
completion:
^(BOOL finished) {
[animationView removeFromSuperview];
}];
}

需要特别指出的是JWAnimationTestView的视图结构中,包括了一个有文字UILabel有图片UIImageView。因为文字和图片的存在,会调用相应的文字绘制和将图片处理设置给layercontents属性这些操作,所以这样的设定是为了能够看到完整的call stack

另外,我的Demo代码中使用了一个重复调用的timer以5.f秒的时间间隔调用startTestAnimation方法。这样做是为了让time profiler能够采样到足够多的call stack数据,我自己在验证的过程中,让动画运行了10次。


自己测试得到的call-stack采样

上面红框部分是时钟方法的重复调用:创建视图,开始动画。

下面部分是Core Animation在将图层数据和相关信息提交给render server之前所做的事情。你会发现Core Animation是注册了主线程runloop的观察者,在一次runloop的结束的时候,runloop会回调Core Animation的观察者,让它执行相应的layout和显示的方法;实际上,我们通常对某个视图的图层属性所做的修改,都是在当前runloop结束之前,Core Animation才将修改提交。(这是不是为什么不能在子线程上去做UI相关的工作的原因?因为Core Animation的提交是在主线程runloop上进行的)。

time profilercall statck以1ms左右频率采样本身可能会漏采样执行时间很短方法;另外,WWDC中用于动画的视图结构和我Demo中使用的也可能不同。因此我获得的call stack和WWDC中展示的有些不同。


自己测试得到的call-stack采样

WWDC中展示的call stack采样:


wwdc展示的call-stack采样

当中有一个很大的区别:

在wwdc展示的call stack中,在CA::Context::commit_transaction(CA::Transaction*)方法下级,有下列几个过程:

  • CA::Layer::layout_and_display_if_needed(CA::Transaction*)代表layout和dispaly两个步骤:
    • CA::Layer::layout_if_needed(CA::Transaction*) layout过程
    • CA::Layer::display_if_needed(CA::Transaction*) dispaly过程
  • CA::Layer::prepare_commit(CA::Transaction*) 提交准备阶段
  • CA::Layer::commit_if_needed(CA::Transaction*, void (*)(CA::Layer*, unsigned int, unsigned int, void*), void*)提交阶段

在我们的call stack中是看不到CA::Layer::layout_and_display_if_needed(CA::Transaction*),而是由CA::Context::commit_transaction(CA::Transaction*)直接调用的CA::Layer::layout_if_needed(CA::Transaction*)以及[CALayer _display]。按照Time Profiler的采样原理,如果能够采样到下级方法的调用,那么该方法的caller一定是也能够采样到的。在我们的call stack中,既然有CA::Layer::layout_if_needed(CA::Transaction*),但是没有CA::Layer::layout_and_display_if_needed(CA::Transaction*)是不是说明Core Animation内部的代码结构已经不一样了?毕竟WWDC是2012年的。

不管怎样,从我们的call stack中也能够看到这四个完整的过程。

结合WWDC,以我们的call stack为例,来说明这四个过程分别大概都做了什么。

layout过程


layout的过程

从上面layout的过程可以看出,其所做的主要任务就是将图层调用代理(也就是视图)实现整个视图层级的布局;比较有意思的是,autolayout的约束也是在这个时候更新和施加apply的(-[UIView(Hierarchy) _updateConstraintsAsNecessaryAndApplyLayoutFromEngine])。

display过程


display的过程

按照WWDC视频的说法,display这个阶段是负责draw图层的内容。如果你的某些视图实现了drawRect:方法或者其他UIKit提供的视图采用了图层的drawInContext:方法来提供内容的,比如这里的UILabel的实现,那么也会在这个阶段去调用。从这个阶段的工作来讲,其是CPU bound(受限于CPU性能)的。

prepare过程


prepare的过程

prepare过程也是Core Animation准备图层内容的环节,但是这个过程的准备是给那些没有实现drawInContext:(视频说的是drawRect,但实际上drawRect的底层是图层的drawInContext)而通过其他方式设置图层内容的视图准备的;比如,UIImageView,它的实现就是直接解码压缩格式的png图,设置给其layer的contents属性的。那么图片解码的过程就在这个prepare阶段。

commit过程

commit阶段是讲所有的图层数据打包,通过进程间通信给到render server(另外一个进程)来绘制显示到屏幕上。通常情况下,CPU的工作在这个阶段是比较少的-从上面的10次重复动画来看,这个过程仅仅分担了1ms左右的cpu时间。但是WWDC指出,如果你的视图层级过于复杂,有非常多的图层,那这个commit的过程也会耗费比较长的时间。


commit的过程

参考资料