iOS全解6：绘图和动画 CoreGraphics/CoreAnimation/CoreText/CoreImage/Layer

一、基础概念，底层原理

1、绘图动画UI框架

1、UIKit：最常用的视图框架，封装度最高，都是OC对象。
2、CoreAnimation：核心动画，提供强大的2D和3D动画效果。
3、CoreGraphics：绘图，纯C的API，使用Quartz2D做引擎。
4、CoreText：绘字
5、CoreImage：给图片提供各种滤镜处理，比如高斯模糊、锐化等
6、OpenGL-ES：主要用于游戏绘制，但它是一套编程规范，具体由设备制造商实现。（OpenCV）

UI绘图动画框架

Layer：

在iOS系统中，你能看得见摸得着的东西基本上都是UIView，比如一个按钮、一个文本标签、一个文本输入框、一个图标等等，这些都是UIView。
* 其实UIView之所以能显示在屏幕上，完全是因为它内部的一个层。UIView本身不具备显示的功能，是它内部的层才有显示功能。
* 在创建UIView对象时，内部会自动创建一个层(即CALayer对象)，通过layer属性可以访问这个层。
当UIView需要显示到屏幕上时，会调用drawRect:方法进行绘图，并且会将所有内容绘制在自己的层上，绘图完毕后，系统会将层拷贝到屏幕上，于是就完成了UIView的显示。

2、绘图状态切换

iOS的绘图有多种对应的「状态切换」，比如：

pop/push

save/restore

context/imageContext

CGPathRef/UIBezierPath等，下面分别进行介绍。

2.1、 pop / push

设置绘图的上下文环境：context

push：UIGraphicsPushContext(context) 把context压入栈中，并把context设置为当前绘图上下文.
pop：UIGraphicsPopContext 将栈顶的上下文弹出，恢复先前的上下文，但是绘图状态不变

2.2、save / restore

设置绘图的状态：state

save：CGContextSaveGState 压栈当前的绘图状态，仅仅是绘图状态，不是绘图上下文
restore：恢复刚才保存的绘图状态

2.3、context / imageContext

iOS的绘图必须在一个上下文中绘制，所以在绘图之前要获取一个上下文。如果是绘制图片，就需要获取一个图片的上下文；如果是绘制其它视图，就需要一个非图片上下文。对于上下文的理解，可以认为就是一张画布，然后在上面进行绘图操作。

context：图形上下文，可以通过UIGraphicsGetCurrentContext:获取当前视图的上下文
imageContext：图片上下文，可以通过UIGraphicsBeginImageContextWithOptions:获取一个图片上下文，然后绘制完成后，调用UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext获取绘制的图片，最后要记得关闭图片上下文UIGraphicsEndImageContext。

2.4、CGPathRef / UIBezierPath

图形的绘制需要绘制一个路径，然后再把路径渲染出来:

CGPathRef就是CoreGraphics框架中的路径绘制类
UIBezierPath是封装CGPathRef的面向OC的类，使用更加方便，但是一些高级特性还是不及CGPathRef。

一、核心动画：CAAnimation

这个类是一个抽象类，不能直接创建对象。
CAAnimation有三个子类：
1.CAAnimationGroup 动画组：移动、旋转、变大变小、震动、水波纹等。
2.CATransition 渐变动画：提供了一个图层变化的过渡效果
3.CAPropertyAnimation 属性动画：它支持动画显示图层关键路径中定制的属性。（圆、三角形、正方形、曲线、直线）

CAPropertyAnimation也有两个子类：
3.1 CABasicAnimation 基础的动画：简单为图层提供属性修改
3.2 CAKeyframeAnimation 关键帧动画：可以指定动画每个阶段的值

//事务 CATransaction 管理线程安全的
//隐式和显式

二、绘图

1、展示和布局

setNeedsDisplay：设置_需要时展示，调用-drawRect 绘图
setNeedsLayout：设置_需要时布局，调用-layoutSubViews
layoutSubviews：布局子视图
layoutIfNeeded：是否需要布局（刷新的状态值0、1）

setNeedsDisplay：会自动调用drawRect方法，这样就可以拿到 UIGraphicsGetCurrentContext 来画画了。
setNeedsLayout：会默认调用layoutSubViews，就可以处理子视图中的一些数据。
layoutIfNeeded：UIKit会判断该 receiver 是否需要layout。根据Apple官方文档：layoutIfNeeded 遍历的不是 superview 父视图链，而是subviews 子视图链。
layoutSubviews：布局子视图，当我们在某个类的内部调整子视图位置时，需要调用。
反过来的意思就是说：如果你想要在外部设置subviews的位置，就不要重写。

-layoutSubviews方法：这个方法，默认没有做任何事情，需要子类进行重写（布局子视图：刷新子对象布局）

-setNeedsLayout方法：标记为需要重新布局，异步调用layoutIfNeeded刷新布局，不立即刷新，但layoutSubviews一定会被调用（即：使接收器的当前布局无效，并在下一个更新周期触发布局更新。并将其标记为需要更新）

-layoutIfNeeded方法：如果有需要刷新的标记，立即调用layoutSubviews进行布局（如果没有标记，不会调用layoutSubviews）

概括：
如果要立即刷新，要先调用[view setNeedsLayout]，把标记设为需要布局，然后马上调用[view layoutIfNeeded]；
实现布局，在视图第一次显示之前，标记总是“需要刷新”的，可以直接调用[view layoutIfNeeded]
即：设置为需要布局：就立即刷新。

总结：

setNeedsDisplay方便绘图，而layoutSubViews方便出来数据

@interface CustomView()
@property (nonatomic, assign) int loadNum;
@end

@implementation CustomView

- (instancetype)initWithFrame:(CGRect)frame {
    self = [super initWithFrame:frame];
    if (self){
        NSLog(@"-->initWithFrame");
        _loadNum= 0;
    }
    return self;
}
- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"-->init");
        _loadNum= 0;
    }
    return self;
}

// 绘制UI
- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    [super drawRect:rect];
    NSLog(@"--> drawRect：绘制UI_渲染绘图 \n "); _loadNum++;
}
// 布局UI
- (void)layoutSubviews {
    NSLog(@"--> layoutSubviews：布局UI_加载数据");  if (_loadNum!=0) { NNSLog(@" ");}
}
// 标记重新需要布局
- (void)setNeedsLayout {
    [super setNeedsLayout];
    NSLog(@"--> setNeedsLayout_标记重新需要布局");
}
// 立即重新布局
- (void)layoutIfNeeded {
    [super layoutIfNeeded];
    NSLog(@"--> layoutIfNeeded_立即重新布局");
}


// 重新加载_layoutSubviews
- (void)method1 {
    NSLog(@"--> setNeedsLayout：方便出来数据_method1");
    [self setNeedsLayout];  _loadNum++;
}

// 重新绘制_drawRect
- (void)method2 {
    NSLog(@"--> setNeedsDisplay：方便绘图_method2");
    [self setNeedsDisplay]; _loadNum++;
    
}

-(void)awakeFromNib{
    [super awakeFromNib];
    NSLog(@"--> awakeFromNib");
    //调用此方法后，才可以获取到正确的frame
    [self layoutIfNeeded];
}


- (void)test {
    //如果要立即刷新，要先调用[view setNeedsLayout]，把标记设为需要布局，
    //然后马上调用[view layoutIfNeeded]，实现布局
    [self setNeedsLayout];
    [self layoutIfNeeded];
}
/*
 一、layoutSubviews不能直接调用这个方法。
 强制刷新布局，调用 setNeedsLayout，
 如果想马上刷新界面，调用 layoutIfNeeded
 */
@end

离屏渲染概述

离屏渲染（Off-Screen Rendering）是指GPU在当前屏幕缓冲区之外创建一个新的缓冲区进行渲染操作。常见场景包括：

圆角（cornerRadius + masksToBounds)：当同时设置cornerRadius和masksToBounds时，系统会触发离屏渲染。
阴影（shadow)：设置shadow属性时，系统需要离屏渲染来计算阴影效果。
遮罩（mask)：使用mask时，系统会进行离屏渲染。
光栅化（shouldRasterize)：开启shouldRasterize时，系统会将图层内容缓存为位图，可能触发离屏渲染。

离屏渲染的影响

性能问题：离屏渲染需要额外的内存和计算资源，频繁触发会导致性能下降，尤其是在滚动或动画中。
电量消耗：额外的渲染操作会增加电量消耗，影响设备续航。

如何避免离屏渲染

避免不必要的圆角：
使用UIBezierPath和CAShapeLayer
替代cornerRadius和masksToBounds。
优化阴影：
使用shadowPath来指定阴影路径，减少计算量。
避免使用遮罩：
尽量不使用mask，改用其他方式实现效果。
谨慎使用光栅化：
仅在需要时开启shouldRasterize，并确保rasterizationScale与屏幕分辨率匹配。
预渲染：
对于静态内容，提前渲染为图片，减少运行时渲染开销。
使用Core Graphics绘制：
在drawRect:方法中使用Core Graphics进行绘制，避免离屏渲染。

检测离屏渲染

Xcode工具：使用Core Animation调试工具检测离屏渲染，黄色标记表示触发了离屏渲染。
Instruments：通过Core Animation工具分析离屏渲染情况。

总结：

少用CoreGraphics上下文渲染
多用CAShapelayer配合UIBezierPath去做：对内存的消耗最少，而且渲染快速

特殊问题：

1、画布上贝塞尔曲线过多渲染慢，卡顿怎么解决？
答：贝塞尔曲线不要在 drawRect 里面画（即不在画布上），直接图层上画。

我自己写的Demo，包含各种案例绘图动画：

ZM_CALayerAnimation

img1.png

QQ20191025-173519@2x.png