关于离屏渲染的深入理解

前言

离屏渲染，这应该是一个老生常谈的话题了。许多人对于离屏渲染都可以说出一二，而且在面试中，离屏渲染也是一个面试官很爱问的问题，比如说为何会出现离屏渲染，如何防止离屏渲染，可能大家都会说减少圆角，减少边框，减少阴影等等。但是，这是这只是冰山一角。
那么，我们今天就一起来探讨一下离屏渲染。

原理

首先我们看一个例子。

    //1.按钮存在背景图片
    UIButton *btn1 = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
    btn1.frame = CGRectMake(100, 30, 100, 100);
    btn1.layer.cornerRadius = 50;
    [self.view addSubview:btn1];
    btn1.layer.shouldRasterize = YES;
    [btn1 setImage:[UIImage imageNamed:@"btn.png"] forState:UIControlStateNormal];
    btn1.layer.masksToBounds = YES;

    //2.按钮不存在背景图片
    UIButton *btn2 = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
    btn2.frame = CGRectMake(100, 180, 100, 100);
    btn2.layer.cornerRadius = 50;
    btn2.backgroundColor = [UIColor blueColor];
    [self.view addSubview:btn2];
    btn2.clipsToBounds = YES;

    //3.UIImageView 设置了图片+背景色;
    UIImageView *img1 = [[UIImageView alloc]init];
    img1.frame = CGRectMake(100, 320, 100, 100);
    img1.backgroundColor = [UIColor blueColor];
    [self.view addSubview:img1];
    img1.layer.cornerRadius = 50;
    img1.layer.masksToBounds = YES;
    img1.image = [UIImage imageNamed:@"btn.png"];

    //4.UIImageView 只设置了图片,无背景色;
    UIImageView *img2 = [[UIImageView alloc]init];
    img2.frame = CGRectMake(100, 480, 100, 100);
    [self.view addSubview:img2];
    img2.layer.cornerRadius = 50;
    img2.layer.masksToBounds = YES;
    img2.image = [UIImage imageNamed:@"btn.png"];

这是我们代码中常常会出现的情况。那么，这几种会造成离屏渲染吗？接下来我们通过调试。运行代码。

Simulator -> Debug -> Color Off-screen Rendered

image.png

接下来可以看到结果。

image.png

通过结果可以看到，第一个和第三个图像出现了离屏渲染，别急，待会儿和大家一一解答。

渲染流程

渲染流程对比图.png

通过图片可以看到，和正常的渲染流程不同的是，离屏渲染会把数据放入一个离屏缓冲区(Offscreen Buffer)中，待所有图层的结果进行混合计算完成后才会在屏幕进行展示。

mask.jpg

举一个例子，如上图所示，在一个相机的图标上添加一个遮罩(Mask)，总共会经过这么几步：

在App提交到Core Animation
再到渲染服务(Render Server)，接下来的工作用OpenGL/Metal来进行操作
相机按钮来说，首先利用顶点着色器(Vertex Shader)绘制顶点，然后进行图元装配(Primitive Assembly)，最后到片元着色器(Pixel Shader)进行渲染，最后获得的数据存入离屏缓冲区(Offscreen Buffer)中。 Pass 1
遮罩和相机的渲染流程类似，渲染完成后存入另一个离屏缓冲区(Offscreen Buffer)中。 Pass 2
将Pass 1和Pass 2中存入到离屏缓冲区(Offscreen Buffer)的数据拿出来进行渲染从而展示在界面中。

总结，通过以上的流程我们可以看到，Pass 1和Pass 2两次步骤的数据因为要进行合并和渲染，所以在执行完成后并不能进行丢弃，而必须存入离屏缓冲区这个中间变量，所以就要开辟一个空间，而造成离屏渲染。
用一句通俗的话讲，离屏渲染出现的原因就是App进行额外的渲染和合并，会将中间过程产生的数据存入离屏缓冲区(Offscreen Buffer)，从而造成离屏渲染。

离屏渲染的危害

离屏渲染会开辟一个离屏缓冲区(Offscreen Buffer),所以会占用额外的存入空间
离屏缓冲区(Offscreen Buffer)空间的限制是屏幕像素的2.5倍
从离屏缓冲区(Offscreen Buffer)到帧缓冲区(FrameBuffer)这个过程会造成时间和性能的损耗。
容易掉帧，造成性能问题。

离屏渲染触发方式

主动触发 -- 开启光栅化(ShouldRasterize)

When the value of this property is true, the layer is rendered as a bitmap in its local coordinate space and then composited to the destination with any other content.

用一句话概括就是当shouldRasterize设成true时，layer被渲染成一个bitmap，并缓存起来，等下次使用时不会再重新去渲染了。
由此可以得知，光栅化开启时，会造成离屏渲染，但是光栅化会对layer进行复用，所以这就是一个很矛盾的点了，离屏渲染会造成性能损耗，但是光栅化又会节约内存，所以到底怎么用光栅化呢？在这里给大家几个建议:

如果layer不能被复用，没有必要打开光栅化
如果layer不是静态的，会被频繁渲染，开启离屏渲染反而影响效率
离屏渲染内容有时间限制，缓存内容100ms以内没有被使用，那么它就会被丢弃，无法复用
离屏渲染内容有空间限制，超过屏幕2.5倍像素大小，也会失效，无法复用

被动触发

设置圆角触发的离屏渲染的离屏渲染。

cornerRadius.jpg

将半径设置为大于0.0的值会使该图层开始在其背景上绘制圆角。默认情况下，拐角半径不适用于图层的contents属性中的图像；它仅适用于图层的背景颜色和边框。但是，将masksToBounds属性设置为true会导致内容被裁剪到圆角。

此属性的默认值为0.0。

通过官方文档，我们可以知道设置cornerRadius仅适用于图层的背景颜色(backgroundColor)和边框(border),而对其中的内容(content)无效，而如果要对内容设置圆角，则需要加上masksToBounds。

clipsToBounds(UIView)是指视图上的子视图,如果超出父视图的部分就截取掉
masksToBounds(CALayer)却是指视图的图层上的子图层,如果超出父图层的部分就截取掉

我们来看一个例子。

    UIImageView *img = [[UIImageView alloc]init];
    img.frame = CGRectMake(150, 300, 100, 100);
    img.backgroundColor = [UIColor blueColor];
    [self.view addSubview:img];
    img.layer.cornerRadius = 50;
    img.image = [UIImage imageNamed:@"btn.png"];

看到结果，

非圆角.jpg

在上面的例子中我们可以看到，虽然设置了img.layer.cornerRadius = 50，但是仍然没有出现圆角:我们对img对象设置了圆角，但是cornerRadius对图片内容无效，所以就导致image里的内容仍然是正方形，盖在img上面后，出现了非圆角的情况。
接下里，我们加上

  img.layer.masksToBounds = YES;

可以看到效果

圆角.jpg

但是，这个时候会触发离屏渲染。因为我们本身背景色是一个图层，而内容又是一个图层，当两个图层叠加而且需要进行组合处理(画圆角)就会触发离屏渲染。

还记得上面那个例子吗？

    //1.按钮存在背景图片
    UIButton *btn1 = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
    btn1.frame = CGRectMake(100, 30, 100, 100);
    btn1.layer.cornerRadius = 50;
    [self.view addSubview:btn1];
    btn1.layer.shouldRasterize = YES;
    [btn1 setImage:[UIImage imageNamed:@"btn.png"] forState:UIControlStateNormal];
    btn1.layer.masksToBounds = YES;

    //2.按钮不存在背景图片
    UIButton *btn2 = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
    btn2.frame = CGRectMake(100, 180, 100, 100);
    btn2.layer.cornerRadius = 50;
    btn2.backgroundColor = [UIColor blueColor];
    [self.view addSubview:btn2];
    btn2.clipsToBounds = YES;

    //3.UIImageView 设置了图片+背景色;
    UIImageView *img1 = [[UIImageView alloc]init];
    img1.frame = CGRectMake(100, 320, 100, 100);
    img1.backgroundColor = [UIColor blueColor];
    [self.view addSubview:img1];
    img1.layer.cornerRadius = 50;
    img1.layer.masksToBounds = YES;
    img1.image = [UIImage imageNamed:@"btn.png"];

    //4.UIImageView 只设置了图片,无背景色;
    UIImageView *img2 = [[UIImageView alloc]init];
    img2.frame = CGRectMake(100, 480, 100, 100);
    [self.view addSubview:img2];
    img2.layer.cornerRadius = 50;
    img2.layer.masksToBounds = YES;
    img2.image = [UIImage imageNamed:@"btn.png"];

为什么案例1会触发离屏渲染？因为UIButton本身有一个Layer，所以跟Image进行叠加画圆角，会导致离屏渲染。
案例2,给UIButton添加背景色，此时只有一个图层，所以不会导致离屏渲染。
案例3, UIImageView中本身的Layer和Content的Layer进行叠加，所以导致离屏渲染。
案例4，同案例2。

防止

圆角

祈求UI小姐姐给切一张图盖在上面，造成圆角的假象，但前提是要和UI小姐姐搞好关系。
使用贝塞尔曲线UIBezierPath和Core Graphics框架画出一个圆角，需要注意的是Core Graphics通过CPU重新绘制一份带圆角的视图来实现圆角效果，会大大增加CPU的负担，而且相当于多了一份视图拷贝会增加内存开销。但是就显示性能而言，由于没有触发离屏渲染，所以能保持较高帧率。
使用CAShapeLayer和UIBezierPath设置圆角，通过设置view.layer的mask属性，可以将另一个layer盖在view上，也可以设置圆角，但是mask同样会触发离屏渲染，但是对内存的消耗最少，而且渲染快速

-(void)pd_setRadius:(float)radius{
    
    UIBezierPath *maskPath = [UIBezierPath bezierPathWithRoundedRect:self.bounds byRoundingCorners:UIRectCornerAllCorners cornerRadii:CGSizeMake(radius, radius)];
    
    CAShapeLayer *maskLayer = [[CAShapeLayer alloc] init];
    maskLayer.frame = bounds;
    maskLayer.path = maskPath.CGPath;
    
    [self.layer setMask: maskLayer];
}

CAShapeLayer继承于CALayer,可以使用CALayer的所有属性值；
CAShapeLayer需要贝塞尔曲线配合使用才有意义（也就是说才有效果）
使用CAShapeLayer(属于CoreAnimation)与贝塞尔曲线可以实现不在view的drawRect（继承于CoreGraphics走的是CPU,消耗的性能较大）方法中画出一些想要的图形
CAShapeLayer动画渲染直接提交到手机的GPU当中，相较于view的drawRect方法使用CPU渲染而言，其效率极高，能大大优化内存使用情况。
总的来说就是用CAShapeLayer的内存消耗少，渲染速度快，建议使用优化方案2。

阴影

设置阴影后，设置CALayer的 shadowPath。

let shadowView = UIView()
shadowView.frame = CGRect(x: 50, y: 100, width: 200, height: 200)
shadowView.layer.backgroundColor = UIColor.green.cgColor
shadowView.layer.shadowColor = UIColor.black.cgColor
shadowView.layer.shadowOpacity = 0.5
shadowView.layer.shadowRadius = 10
shadowView.layer.shadowOffset = CGSize(width: 10, height: 10)
shadowView.layer.shadowPath = UIBezierPath(rect: shadowView.bounds).cgPath
view.addSubview(shadowView)