1. 屏幕显示图像的原理

CRT 显示原理，准备进行扫描时，显示器会发出一个水平同步信号（horizonal synchronization），简称 HSync。而当一帧画面绘制完成后，电子枪回复到原位，准备画下一帧前，显示器会发出一个垂直同步信号（vertical synchronization），简称 VSync。显示器通常以固定频率进行刷新，这个刷新率就是 VSync 信号产生的频率。

通常来说，计算机系统中 CPU、GPU、显示器是以上面这种方式协同工作的。CPU 计算好显示内容提交到 GPU，GPU 渲染完成后将渲染结果放入帧缓冲区，随后视频控制器会按照 VSync 信号逐行读取帧缓冲区的数据，经过可能的数模转换传递给显示器显示。

1.1 水平同步信号：HSync

在简单的情况下，帧缓冲区只有一个，帧数据的读取和刷新都会有比较大的效率问题，为了解决效率问题，显示系统通常会引入两个缓冲区，即双缓冲机制。

在这种情况下，GPU 会预先渲染好一帧放入一个缓冲区内，让视频控制器读取，当下一帧渲染好后，GPU 会直接把视频控制器的指针指向第二个缓冲器。如此一来效率会有很大的提升。

1.2 垂直同步信号：VSync

双缓冲虽然能解决效率问题，但会引入一个新的问题。当视频控制器还未读取完成时，即屏幕内容刚显示一半时，GPU 将新的一帧内容提交到帧缓冲区并把两个缓冲区进行交换后，视频控制器就会把新的一帧数据的下半段显示到屏幕上，造成画面撕裂现象。

为了解决这个问题，GPU 通常有一个机制叫做垂直同步（简写也是 V-Sync），当开启垂直同步后，GPU 会等待显示器的 VSync 信号发出后，才进行新的一帧渲染和缓冲区更新。这样能解决画面撕裂现象，也增加了画面流畅度，但需要消费更多的计算资源，也会带来部分延迟。

2. 卡顿产生的原因和解决方案

在 VSync 信号到来后，系统图形服务会通过 CADisplayLink 等机制通知 App，App 主线程开始在 CPU 中计算显示内容，比如视图的创建、布局计算、图片解码、文本绘制等。随后 CPU 会将计算好的内容提交到 GPU 去，由 GPU 进行变换、合成、渲染。随后 GPU 会把渲染结果提交到帧缓冲区去，等待下一次 VSync 信号到来时显示到屏幕上。由于垂直同步的机制，如果在一个 VSync 时间内，CPU 或者 GPU 没有完成内容提交，则那一帧就会被丢弃，等待下一次机会再显示，而这时显示屏会保留之前的内容不变。这就是界面卡顿的原因。

从上面的图中可以看到，CPU 和 GPU 不论哪个阻碍了显示流程，都会造成掉帧现象。所以开发时，也需要分别对 CPU 和 GPU 压力进行评估和优化。

3. CPU 资源消耗原因和解决方案

3.1 对象创建

对象的创建会分配内存、调整属性、甚至还有读取文件等操作，比较消耗 CPU 资源。

• 尽量用轻量的对象代替重量的对象，可以对性能有所优化。
• 如果对象不涉及 UI 操作，则尽量放到后台线程去创建。
• 通过 Storyboard 创建视图对象时，其资源消耗会比直接通过代码创建对象要大非常多，在性能敏感的界面里，Storyboard 并不是一个好的技术选择。
• 尽量推迟对象创建的时间，并把对象的创建分散到多个任务中去。
• 如果对象可以复用，并且复用的代价比释放、创建新对象要小，那么这类对象应当尽量放到一个缓存池里复用。

3.2 对象调整

对象的调整也经常是消耗 CPU 资源的地方。应该尽量减少不必要的属性修改，尽量避免调整视图层次、添加和移除视图。

3.3 对象销毁

对象的销毁虽然消耗资源不多，但累积起来也是不容忽视的。如果对象可以放到后台线程去释放，那就挪到后台线程去。

3.4 布局计算

视图布局的计算是 App 中最为常见的消耗 CPU 资源的地方。如果能在后台线程提前计算好视图布局、并且对视图布局进行缓存，那么这个地方基本就不会产生性能问题了。

3.5 文本计算

文本计算尽量放在后台线程进行以避免阻塞主线程。如果你用 CoreText 绘制文本，那就可以先生成 CoreText 排版对象，然后自己计算了，并且 CoreText 对象还能保留以供稍后绘制使用。

3.6 文本渲染

文本渲染建议提前进行计算缓存，异步加载内容。

3.7 图像解码和绘制

在后台线程先把图片绘制到 CGBitmapContext 中，然后从 Bitmap 直接创建图片。目前常见的网络图片库都自带这个功能。

4. GPU 资源消耗原因和解决方案

相对于 CPU 来说，GPU 能干的事情比较单一：接收提交的纹理（Texture）和顶点描述（三角形），应用变换（transform）、混合并渲染，然后输出到屏幕上。通常你所能看到的内容，主要也就是纹理（图片）和形状（三角模拟的矢量图形）两类。

4.1 纹理的渲染

避免这种情况的方法只能是尽量减少在短时间内大量图片的显示，尽可能将多张图片合成为一张进行显示。

目前来说，iPhone 4S 以上机型，纹理尺寸上限都是 4096×4096 ，所以尽量不要让图片和视图的大小超过这个值。

4.2 视图的混合

如果视图结构过于复杂，混合的过程也会消耗很多 GPU 资源。为了减轻这种情况的 GPU 消耗，应用应当尽量减少视图数量和层次，并在不透明的视图里标明 opaque 属性以避免无用的 Alpha 通道合成。

4.3 图形的生成

当一个列表视图中出现大量圆角的 CALayer，并且快速滑动时，可以观察到 GPU 资源已经占满，而 CPU 资源消耗很少。为了避免这种情况，可以尝试开启 CALayer.shouldRasterize 属性，但这会把原本离屏渲染的操作转嫁到 CPU 上去。

4.4 预排版

当获取到 API JSON 数据后，把每条 Cell 需要的数据都在后台线程计算并封装为一个布局对象 CellLayout。CellLayout 包含所有文本的 CoreText 排版结果、Cell 内部每个控件的高度、Cell 的整体高度。
TableView 在请求各个高度函数时，不会消耗任何多余计算量；当把 CellLayout 设置到 Cell 内部时，Cell 内部也不用再计算布局了。

4.5 预渲染

对于 TableView 来说，Cell 内容的离屏渲染会带来较大的 GPU 消耗。而 CPU 却比较清闲。为了避免离屏渲染，你应当尽量避免使用 layer 的 border、corner、shadow、mask 等技术，而尽量在后台线程预先绘制好对应内容。

4.6 异步绘制

当 TableView 快速滑动时，会有大量异步绘制任务提交到后台线程去执行。目前有些第三方微博客户端（比如 VVebo、墨客等），使用了一种方式来避免高速滑动时 Cell 的绘制过程，相关实现见这个项目：VVeboTableViewDemo。它的原理是，当滑动时，松开手指后，立刻计算出滑动停止时 Cell 的位置，并预先绘制那个位置附近的几个 Cell，而忽略当前滑动中的 Cell。

4.7 全局并发控制

大量的任务提交到后台队列时，某些任务会因为某些原因（此处是 CGFont 锁）被锁住导致线程休眠，或者被阻塞，concurrent queue 随后会创建新的线程来执行其他任务。
使用 serial queue 充分利用多核 CPU 的资源，为不同优先级创建和 CPU 数量相同的 serial queue，每次从 pool 中获取 queue 时，会轮询返回其中一个 queue。把 App 内所有异步操作，包括图像解码、对象释放、异步绘制等，都按优先级不同放入了全局的 serial queue 中执行，这样尽量避免了过多线程导致的性能问题。