CoreAnimationXmind.png

这是 Core Animation 的系列文章，介绍了 Core Animation 的用法，以及如何进行性能优化。

1. CoreAnimation基本介绍
2. CGAffineTransform和CATransform3D
3. CALayer及其各种子类
4. CAAnimation：属性动画CABasicAnimation、CAKeyframeAnimation以及过渡动画、动画组
5. 图层时间CAMediaTiming
6. 计时器CADisplayLink
7. 影响动画性能的因素及如何使用 Instruments 检测
8. 图像IO之图片加载、解码，缓存
9. 图层性能之离屏渲染、栅格化、回收池

上一篇文章介绍了 Core Animation 的各种图层类，这一篇文章将介绍显式动画（explicit animation），显式动画允许为指定属性添加动画，或创建非线性动画（如沿指定曲线运动）。

1. CAAnimation

CAAnimation是 Core Animation 中所有动画的超类，是抽象类。

CAAnimation提供了对CAMediaTiming和CAAction协议的支持。不要创建CAAnimation实例管理 Core Animation 图层动画或 SceneKit 对象，一般使用CABasicAnimation、CAKeyframeAnimation、CASpringAnimation、CAAnimationGroup或CATransition动画。

isRemovedOnCompletion属性决定动画完成后是否自动将动画图层从层级结构中移除，默认为true。如果设置为false，需手动移除，否则会有内存泄漏。

timingFunction定义了动画的时间函数，默认为nil，即线性动画。

delegate属性指定委托对象，默认为nil。CAAnimationDelegate协议提供了动画开始、结束事件。

2. CAPropertyAnimation

继承自CAAnimation的抽象类，用于创建可操纵图层属性值的动画。

不要使用CAPropertyAnimation实例管理 Core Animaiton 的属性动画，应使用CAPropertyAnimation的子类CABasicAnimation或CAKeyframeAnimation，或CABasicAnimation的子类CASpringAnimation。

使用keyPath指定要设置动画的属性，keyPath是用点表示法指向层级关系中任意属性，而非仅仅是属性名称。例如，不仅可以对position添加动画，还可以对position.x添加动画。

3. CABasicAnimation

CABasicAnimation继承自CAPropertyAnimation，为图层单个属性提供动画。

使用继承的init(keyPath:)方法指定属性，以在 render tree 中执行动画。

3.1 常用属性

CABasicAnimation增加了fromValue、toValue和byValue，这三个属性定义了动画要插入的值，所有这些属性都是可选的，但不能同时使用三个。属性值类型应与keyPath类型匹配。因为属性动画可能是颜色渐变、位置移动、变换等，所以，fromValue、toValue和byValue类型都是Any。

有以下几种组合使用方式：

• fromValue和toValue非空，动画在fromValue和toValue之间插入。
• fromValue和byValue非空，动画在fromValue和fromValue + byValue之间插入。
• byValue和toValue非空，动画在toValue - byValue和toValue之间插入。
• fromValue非空，动画在fromValue和当前 presentation 值之间插入。
• toValue非空，动画在 presentation 当前值和toValue值之间插入。
• byValue非空，动画在 presentation 当前值和 presentation + byValue 之间插入。
• 所有值都为空，动画在 presentation layer 之前值和 presentation layer 当前值之间插入。

3.2 设置动画属性

CABasicAnimation可用动画形式改变标量属性，如opacity：

        let animation = CABasicAnimation(keyPath: "opacity")
        animation.fromValue = 0
        animation.toValue = 1
        layerView.layer.add(animation, forKey: nil)

非标量属性也可以设置动画，如backgroundColor。Core Animation 会自动在fromValue和toValue之间插入中间值。下面代码使用动画将背景色从当前颜色更改为红色：

        let animation = CABasicAnimation(keyPath: "backgroundColor")
        animation.toValue = UIColor.red.cgColor
        layerView.layer.add(animation, forKey: nil)

具有多个值的非标量属性（如bounds、position），为fromValue、byValue和toValue传入数组：

        let animation = CABasicAnimation(keyPath: "position")
        animation.fromValue = [0, 100]
        animation.toValue = [100, view.bounds.size.height]
        layerView.layer.add(animation, forKey: nil)

keyPath可以访问属性单独组件。下面代码拉伸了图层transform的y：

        let animation = CABasicAnimation(keyPath: "transform.scale.y")
        animation.duration = 2
        animation.byValue = 0.5
        animation.toValue = 3
        layerView.layer.add(animation, forKey: nil)

可以看到动画插入值是从 y 值为 3-0.5（即2.5）开始，3结束。

3.3 更新 layer model

隐式动画是修改图层属性时自动产生的动画，修改视图的属性不会产生隐式动画。显式动画只是动画，不会修改图层 model，动画结束后默认自动从图层移除。因此，需要更新 layer model。

如上面的缩放 y 可以使用下面任一方法更新 layer model：

        // 1. 使用CATransform3D更新 layer model
        var transform = CATransform3DIdentity
        transform = CATransform3DScale(transform, 1, 3, 1)
        layerView.layer.transform = transform
        
        // 2. 使用 CGAffineTransform 更新 layer model
        layerView.transform = CGAffineTransform(scaleX: 1, y: 3)

虽然，通过设置isRemovedOnCompletion为false也可以达到同样效果，但应避免这样做。一方面，将动画保留到屏幕中会影响性能；另一方面，presentation layer 与 model layer 一致可以降低复杂度，有利于后期维护。

你可以自行更新其他动画 model，如果有问题可以在文章底部下载源码查看。

4. CASpringAnimation

CASpringAnimation可以将弹簧类似弹性效果添加到图层属性。CASpringAnimation继承自CABasicAnimaiton。

可以把CASpringAnimation设想为摆钟，在理想状态下（即没有阻力），会持续同样振幅的摆动：

CASpringTick.png

震动曲线如下：

CASpringFrictionless.png

在真实世界中，由于阻力的作用，其摆动效果如下：

CASpringLoseEnergy.png

震动曲线如下：

CASpringFriction.png

4.1 常用属性

CASpringAnimation的以下属性可以控制弹性效果：

• damping：减震。damping属性定义抑制弹簧运动的摩擦力大小。默认值为10。减小damping值摩擦力变小，弹簧晃动次数增加，settlingDuration可能大于duration。增大damping值阻力变大，弹簧晃动次数减少，settlingDuration比duration小。
• initialVelocity：初始速度，默认为0，表示静止的对象。负值表示与目标位置相反方向的初始速度，正值表示与目标位置相同方向的初始速度。
• mass：附着在弹簧末端物体的重量，默认值为1。增加该值会增大弹性效果，即震动次数更多、幅度更大，settlingDuration也会增加。减小mass会减弱弹性效果。
• settlingDuration：弹性动画完全静止所需预期时间，可能和duration不一致。
• stiffness：弹簧钢性系数，默认值为100。增大stiffness会减少震动次数，减小settlingDuration时间。减少stiffness会增加震动次数，增加settlingDuration时间。

4.2 设置弹簧动画

下面使用CASpringAnimation创建一个弹簧动画，点击按钮时上下摆动文本框，并使用红色描边。如下所示：

    private func testSpringAnimation() {
        let jump = CASpringAnimation(keyPath: "position.y")
        jump.fromValue = textField.layer.position.y + 1.0
        jump.toValue = textField.layer.position.y
        jump.duration = 0.25
        textField.layer.add(jump, forKey: nil)
    }

目前，动画只会将文本框向下移动1point，然后回到初始位置。

为CASpringAnimation添加以下属性：

                jump.initialVelocity = 100.0
        jump.mass = 10.0
        jump.stiffness = 1500.0
        jump.damping = 50.0

修改弹簧变量可能并不容易，你可以反复修改这些值，观察其中区别以实现最佳效果。

多次运行demo，会发现动画运行到一定位置后直接跳到了终点。这是由于duration设置为了0.25秒，但弹簧动画在0.25秒内并不能完成。下图显示了弹簧动画如何被切断：

CASpringCutOff.png

想要修复这一问题，只需设置duration为settlingDuration即可。

        jump.duration = jump.settlingDuration

此外，还可以弹性设置描边颜色。如下所示：

        textField.layer.borderWidth = 2.0
        textField.layer.borderColor = UIColor.clear.cgColor

        let flash = CASpringAnimation(keyPath: "borderColor")
        flash.damping = 7.0
        flash.stiffness = 200.0
        flash.fromValue = UIColor(red: 1.0, green: 0.27, blue: 0.0, alpha: 1.0).cgColor
        flash.duration = flash.settlingDuration
        textField.layer.add(flash, forKey: nil)

        textField.layer.cornerRadius = 5

效果如下：

CASpringTextField.gif

5. CAKeyframeAnimation

CABasicAnimation渐进式修改图层指定属性，在指定时间内从fromValue修改到toValue。例如，将图层从45度旋转到-45度，只需指定开始、结束值，layer 自动渲染中间状态以完成动画。

CAKeyframeBasic.png

CAKeyframeAnimation使用数组values取代fromValue、byValue、toValue，values数组元素是动画需经过的点。此外，还需提供经过上述点的keyTimes。CAKeyframeAnimation继承自CAPropertyAnimation，为图层对象提供关键帧（keyframe）动画。

查看以下CAKeyframeAnimation动画：

CAKeyframeExample.png

上图中，动画从45度旋转至-45度，但分为两个阶段。第一阶段，前三分之二时间从45度旋转到22度，后三分之一时间从22度旋转至-45度。

使用 keyframe 动画时，需提供属性的 key values，同时提供与之匹配数量的 key times，时间为相对比例，范围为0.0至1.0。

5.1 常用属性

CAKeyframeAnimation有以下常用属性：

• values：数组类型，指定用于动画的keyframe。keyframe指定了动画必须经过的位置，图层何时经过指定keyframe由动画时间函数决定，即calculationMode、keyTimes、timingFunctions属性等。keyframe之间的值自动插入，除非calculationMode被设置为了discrete。只有当path属性为nil时才会采用values属性的值。

• path：CGPath类型，动画属性类型为CGPoint时，可以使用path指定点动画的路径。使用了path属性后，动画会忽略values属性。path可以包含move-to、line-to、curve-to等片段。

• keyTimes：数组类型，可选实现。指定动画进行到指定keyframe的时间。数组元素为浮点值，范围为0.0至1.0，即指定动画进行到总持续时间百分比。后一个时间必须大于等于前一个时间。通常，keyTimes元素数量与values、path元素数量应一致。否则，动画时间可能不符合预期。

  keyTimes数组元素值与calculationMode相关：

  • 如果calculationMode设置为linear或cubic，则数组第一个元素需是0.0，最后一个元素需是1.0。中间部分值表示开始时间和结束时间之间的时间点。
  • 如果calculationMode设置为discrete，数组第一个元素必须是0.0，最后一个元素必须是1.0。keyTimes数组元素必须比values数组元素数量多一个。
  • 如果calculationMode设置为cubicPaced、paced，则自动忽略values数组。

  如果keyTimes数组对当前calculationMode无效或不合适，则会被自动忽略。

• timingFunctions：数组类型，可选设置，数组元素为CAMediaTimingFunction类型。通过timingFunctions数组可以设置两个keyframe之间动画为淡入、淡出、自定义。如果values数组有n个元素，则该数组应包含n-1个元素。

  如果已经为keyTimes赋值，timingFunctions属性会对时间函数进一步优化。如果未设置keyTimes属性，则使用timingFunctions属性替换 Core Animation 默认时间函数。

• calculationMode：指定CAKeyframeAnimation如何计算 keyframe 中间值。默认值为linear，即线性插入。此外，还有cubic、cubicPaced、discrete、linear、paced。

• rotationMode：对象沿指定path运动过程中，绕切线旋转模式。默认为nil，即无需旋转。

5.2 对非 struct 属性进行动画

以下代码使用CAKeyframeAnimation晃动UILabel：

        let wobble = CAKeyframeAnimation(keyPath: "transform.rotation")
        wobble.duration = 0.25
        wobble.repeatCount = 2
        wobble.values = [0.0, -.pi/4.0, 0.0, .pi/4.0, 0.0]
        wobble.keyTimes = [0.0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0]
        titleLabel.layer.add(wobble, forKey: nil)

创建CAKeyframeAnimation与创建CABasicAnimation方式一致，指定keyPath、duration、repeatCount即可。

旋转角度从0度到-45度，回归到0度，旋转到45度，回到0度。动画开始、结束位置相同，方便重复动画。确保keyTimes开始、结束分别是0.0、1.0。

效果如下：

CAKeyframeWobble.gif

5.3 对 struct 属性进行动画

结构体（struct）在 swift 中是一等公民，与 class 的使用几乎没有区别。

但 Core Animation 是一个基于 C 的 Objective-C framework。这意味着，结构体的处理会有些不同。Objective-C API 喜欢处理对象，因此，struct 属性动画需要一些特殊处理。

CALayer的很多属性是结构体，如position、transform、bounds等。为了解决这个问题，Cocoa 提供了NSValue类，用于将结构体包装为对象。NSValue提供了以下方法包装结构体：

init(cgPoint: CGPoint)
init(cgSize: CGSize)
init(cgRect rect: CGRect)
init(caTransform3D: CATransform3D)

如果直接为fromValue、toValue赋值结构体，将无法得到预期的动画。

首先，添加CALayer到视图：

        let balloon = CALayer()
        balloon.frame = CGRect(x: -50, y: 100, width: 50, height: 50)
        balloon.contents = UIImage(named: "balloon")!.cgImage
        view.layer.addSublayer(balloon)

将balloon图层放到了左上角的可见区域外。使用以下代码添加 keyframe 动画：

        let flight = CAKeyframeAnimation(keyPath: "position")
        flight.duration = 3.0
        flight.values = [
            CGPoint(x: -50.0, y: 0.0),
            CGPoint(x: view.bounds.width + 50, y: view.bounds.height / 2.0),
            CGPoint(x: -50.0, y: view.bounds.height - 100)
        ].map({ NSValue(cgPoint: $0) })
        flight.keyTimes = [0.0, 0.5, 1.0]
        balloon.add(flight, forKey: nil)
        balloon.position = CGPoint(x: -50.0, y: view.bounds.height - 100)

动画经过了三个指定点。运行后效果如下：

CAKeyframeBalloon.gif

还可使用上述方法对bounds、position、transform等结构体添加动画。

6. CATransition

CATransition对象提供 layer 状态切换的动画。CATransition继承自CAAnimation。

默认 transition 是交叉淡入淡出（cross fade）。通过创建、添加CATransition对象，可以选取不同 transition 效果。

6.1 常用属性

CATransition有以下常用属性：

• startProgress：指定动画起点处于整个 transition 的百分比。Float 类型，值范围是0.0至1.0，默认为0。

• endProgress：指定动画终点处于整个 transition 的百分比。Float 类型，值范围是0.0至1.0，默认为0。endProgress值必须大于等于startProgress，并不大于1.0。如果endProgress小于startProgress，则结果不可预期。默认值为1.0。

• type：预定义的 transition type，为CATransitionType类型。如果设置了filter属性，则会忽略type属性。

  CATransitionType有以下类型：

  • fade：淡入淡出，默认属性。
  • moveIn：图层内容在现有内容之上滑入。moveIn与subType一起使用。
  • push：图层内容推动着现有内容进入。push与subType一起使用。
  • reveal：图层内容根据subType指定方向逐渐显示。

• subType：指定 transition 方向。CATransitionSubtype类型，默认为nil。如果设置了filter属性，则会忽略subType属性。

  CATransitionSubtype有以下类型：

  • fromBottom：transition 从图层底部开始。
  • fromLeft：transition 从图层左侧开始。
  • fromRight：transition 从图层右侧开始。
  • fromTop：transition 从图层顶部开始。

• filter：可选 Core Image Filter 对象提供 transition。只可用于macOS和 Mac Catalyst 13.0，不可用于 iOS。

6.2 对 CATextLayer 添加 transition

下面代码演示了如何过渡CATextLayer。过渡前，backgroundColor为红色，string为Red。过渡时，创建了一个新的CATransition并添加到图层，图层背景色过渡为蓝色，文本内容过渡为Blue。代码如下：

        let transition = CATransition()
        transition.duration = 2
        transition.type = .push
        transitioningLayer.add(transition, forKey: nil)
        
        // Transition to "blue" state
        transitioningLayer.backgroundColor = UIColor.blue.cgColor
        transitioningLayer.string = "Blue"

效果如下：

CATransition.gif

6.3 对 NavigationController 添加 transition

这一部分使用CATransition为控制器之间导航添加过渡动画。

首先为UINavigationController添加以下 extension：

extension UINavigationController {
    func pushTransition() {
        let transition = CATransition()
        transition.duration = 1.0
        transition.timingFunction = CAMediaTimingFunction(name: .easeInEaseOut)
        transition.type = .push
        transition.subtype = .fromTop
        view.layer.add(transition, forKey: nil)
    }
    
    func popTransition() {
        let transition = CATransition()
        transition.duration = 1.0
        transition.timingFunction = CAMediaTimingFunction(name: .easeInEaseOut)
        transition.type = .push
        transition.subtype = .fromBottom
        view.layer.add(transition, forKey: nil)
    }
}

可以尝试不同type、subType，查看不同效果。

当执行push、pop时，先调用pushTransition()和popTransition()函数。如下所示：

    @objc private func handlePushButtonTapped() {
        navigationController?.pushTransition()
        
        let explicitlyVC = ExplicitlyViewController()
        navigationController?.pushViewController(explicitlyVC, animated: false)
    }
    
    @objc private func handlePopButtonTapped() {
        navigationController?.popTransition()
        
        navigationController?.popViewController(animated: false)
    }

效果如下：

CATransitionNav.gif

如果是 present 视图控制器，可以使用modalTransitionStyle修改呈现方式。

7. CAAnimationGroup

CAAnimationGroup允许多个动画在一个组中同时运行。CAAnimationGroup继承自CAAnimation。

添加到 animation group 的动画，它的时间不会缩放到CAAnimationGroup的duration，而是将超出CAAnimationGroup的duration部分直接裁剪掉。例如，CAAnimationGroup动画duration时间为5秒，添加到该 group 动画duration为10秒，则仅显示前5秒钟动画。

下面代码将改变不透明度、缩放、旋转三个动画添加到CAAnimationGroup：

        let fadeOut = CABasicAnimation(keyPath: "opacity")
        fadeOut.fromValue = 0
        fadeOut.toValue = 1
        
        let expandScale = CABasicAnimation(keyPath: "transform")
        expandScale.valueFunction = CAValueFunction(name: .scale)
        expandScale.fromValue = [1, 1, 1]
        expandScale.toValue = [1.5, 1.5, 1.5]
        
        let rotate = CABasicAnimation(keyPath: "transform")
        rotate.valueFunction = CAValueFunction(name: .rotateZ)
        rotate.fromValue = Float.pi / 4.0
        rotate.toValue = 0.0
        
        let group = CAAnimationGroup()
        group.animations = [fadeOut, expandScale, rotate]
        group.duration = 0.5
        group.beginTime = CACurrentMediaTime() + 0.5
        group.fillMode = .backwards
        group.delegate = self
        
        layerView.layer.add(group, forKey: nil)

添加到CAAnimationGroup的动画将忽略delegate和isCompletedOnCompletion属性，CAAnimationGroup会接收这些信息。

效果如下：

CAAnimationGroup.gif

8. CAAnimationDelegate

CAAnimationDelegate.png

CAAnimation遵守了CAAnimationDelegate协议。CAAnimationDelegate协议包含了下面两个可选实现的方法：

• optional func animationDidStart(_ anim: CAAnimation)动画开始时调用。
• optional func animationDidStop(_ anim: CAAnimation, finished flag: Bool)动画结束时调用。动画结束可能是因为到达duration，也可能是因为添加动画的图层被移除。如果是达到指定duration，flag为true；反之，flag为false。

为CAAnimationGroup添加delegate：

        group.delegate = self

添加以下 delegate 方法：

extension ExplicitlyViewController: CAAnimationDelegate {
    func animationDidStop(_ anim: CAAnimation, finished flag: Bool) {
        print(#function)
    }
}

动画结束后会输出以下内容：

animationDidStop(_:finished:)

实际应用时可能有多个动画同时遵守CAAnimationDelegate协议，但如何区分是哪个动画结束调用的CAAnimationDelegate方法呢？

8.1 键值编码 Key-value coding compliance

CAAnimation类和子类都是使用 Objective-C 编写的，都遵守KVC。也就是可以像字典一样在运行时添加属性。

我们将使用KVO机制为动画添加属性，以便在需要时可以对动画进行区分。

        let flyRight = CABasicAnimation(keyPath: "position.x")
        flyRight.fromValue = -view.bounds.size.width/2
        flyRight.toValue = view.bounds.size.width/2
        flyRight.duration = 2
        flyRight.delegate = self
        flyRight.setValue("form", forKey: "name")
        flyRight.setValue(titleLabel.layer, forKey: "layer")
        titleLabel.layer.add(flyRight, forKey: "title")
        
        flyRight.beginTime = CACurrentMediaTime() + 0.3
        flyRight.fillMode = .both
        flyRight.setValue(textField.layer, forKey: "layer")
        textField.layer.add(flyRight, forKey: "field")
        
        titleLabel.layer.position.x = view.bounds.size.width / 2
        textField.layer.position.x = view.bounds.size.width / 2

在上述代码中，添加了键form，值为name。这样可以在CAAnimationDelegate回掉方法中根据form区分动画。

Core Animation 动画对象只是数据模型，创建后只需修改所需属性即可。

CABasicAnimation实例描述了动画，可以现在执行、稍后执行，也可以不执行。动画不关联特定 layer，可以复用 animation 到其他 layer，每个 layer 都将获得单独的 animation，

8.2 animationDidStop(_:finished:)

目前已经为动画设置了 key，在animationDidStop(_:finished:)方法中添加以下代码：

    func animationDidStop(_ anim: CAAnimation, finished flag: Bool) {
        print(#function)
        
        if !flag {
            print("Did not reached the end of the duration")
            return
        }
        
        guard let name = anim.value(forKey: "name") as? String else { return }
        
        if name == "form" { // form field found
            let layer = anim.value(forKey: "layer") as? CALayer
            anim.setValue(nil, forKey: "layer")
            
            let pulse = CABasicAnimation(keyPath: "transform.scale")
            pulse.fromValue = 1.5
            pulse.toValue = 1.0
            pulse.duration = 0.25
            layer?.add(pulse, forKey: nil)
        }
    }

如果动画不是因为到达duration结束，则不再添加动画。使用value(forKey:)从动画中获取值，并转为String类型。

value(forKey:)返回值类型是AnyObject?，需转换为所需类型，且转换可能失败。

最终，当动画结束后添加了一个放大动画。

8.3 Animation Keys

add(_:forKey:)函数有以下两个参数：

• anim：第一个参数是要添加到 render tree 的动画。render tree 对该参数进行复制、而非引用。因此，随后对动画的修改不会改变 render tree 中的动画。
• key：标记该动画的 key。每个单独 key 只添加一个动画到图层，对于 transition animation 会自动使用kCATransition特殊key。该参数可以为nil。使用 key 可以在动画开始后获取、管理动画。

如果动画duration为0或负值，则duration会被设置为当前的kCATransactionAnimationDuration（如果设置了该值），或采用动画默认时长，即0.25秒。

在上面的键值编码部分，为titleLabel设置的key是title，为textField设置的key是field。这里使用以下代码移除运行中的动画：

        titleLabel.layer.removeAnimation(forKey: "title")
        textField.layer.removeAnimation(forKey: "field")

当titleLabel、textField向右移动过程中，点击chang按钮时调用上述方法，会立即移除动画。效果如下：

CAAnimationKey.gif

Demo名称：CoreAnimation
源码地址：https://github.com/pro648/BasicDemos-iOS/tree/master/CoreAnimation

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参考资料：

1. Animations
2. Core Animation

欢迎更多指正：https://github.com/pro648/tips

本文地址：https://github.com/pro648/tips/blob/master/sources/CAAnimation：属性动画CABasicAnimation、CAKeyframeAnimation以及过渡动画、动画组.md