首先回答一个问题：CPU和GPU都能进行图形渲染，只是GPU 图形渲染的并行计算能力速度更快
屏幕图像显示原理
下图所示为常见的 CPU、GPU、显示器工作方式。
CPU 计算好显示内容提交至 GPU，GPU 渲染完成后将渲染结果存入帧缓冲区，视频控制器会按照 VSync 信号逐帧读取帧缓冲区的数据，经过数据转换后最终由显示器进行显示。
最简单的情况下，帧缓冲区只有一个。此时，帧缓冲区的读取和刷新都都会有比较大的效率问题。为了解决效率问题，GPU 通常会引入两个缓冲区，即 双缓冲机制。在这种情况下，GPU 会预先渲染一帧放入一个缓冲区中，用于视频控制器的读取。当下一帧渲染完毕后，GPU 会直接把视频控制器的指针指向第二个缓冲器。
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，如下图：
视频显示器从帧缓冲区扫描绘制完成一帧画面后，会发出垂直同步信号，简称VSync，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。
iOS 渲染框架
UIKit
UIKit 是 iOS 开发者最常用的框架，可以通过设置 UIKit 组件的布局以及相关属性来绘制界面。
事实上， UIKit 自身并不具备在屏幕成像的能力，其主要负责对用户操作事件的响应（UIView 继承自 UIResponder），事件响应的传递大体是经过逐层的 视图树 遍历实现的。
Core Animation
Core Animation 源自于 Layer Kit，动画只是 Core Animation 特性的冰山一角。
Core Animation 是一个复合引擎，其职责是 尽可能快地组合屏幕上不同的可视内容，这些可视内容可被分解成独立的图层（即 CALayer），这些图层会被存储在一个叫做图层树的体系之中。从本质上而言，CALayer 是用户所能在屏幕上看见的一切的基础。
Core Graphics
Core Graphics 基于 Quartz 高级绘图引擎，主要用于运行时绘制图像。工作步骤先传输命令到CPU，计算完成后再提交到GPU。开发者可以使用此框架来处理基于路径的绘图，转换，颜色管理，离屏渲染，图案，渐变和阴影，图像数据管理，图像创建和图像遮罩以及 PDF 文档创建，显示和分析。
Core Image
Core Image 与 Core Graphics 恰恰相反，Core Graphics 用于在 运行时创建图像，而 Core Image 是用来处理 运行前创建的图像 的。Core Image 框架拥有一系列现成的图像过滤器，能对已存在的图像进行高效的处理。
大部分情况下，Core Image 会在 GPU 中完成工作，但如果 GPU 忙，会使用 CPU 进行处理。
OpenGL ES
OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems，简称 GLES），是 OpenGL 的子集。在前面的 图形渲染原理综述 一文中提到过 OpenGL 是一套第三方标准，函数的内部实现由对应的 GPU 厂商开发实现。
Metal
Metal 类似于 OpenGL ES，也是一套第三方标准，具体实现由苹果实现。大多数开发者都没有直接使用过 Metal，但其实所有开发者都在间接地使用 Metal。Core Animation、Core Image、SceneKit、SpriteKit 等等渲染框架都是构建于 Metal 之上的。
当在真机上调试 OpenGL 程序时，控制台会打印出启用 Metal 的日志。根据这一点可以猜测，Apple 已经实现了一套机制将 OpenGL 命令无缝桥接到 Metal 上，由 Metal 担任真正于硬件交互的工作。
OpenGL和Core Graphics
Core Graphics框架是先把命令输入到CPU再调用GPU绘图，OpenGL ES是直接操作GPU绘图。很明显OpenGL ES绘图的效率更高。但是除了特别大的图片运算需求外，我们很少使用OpenGL ES。因为绘制同一个图形可能UIBezierPath需要5行代码，Core Graphics需要10行代码，而使用OpenGL ES绘制一个图形可能要300～400行代码。
CALayer
那么为什么 CALayer 可以呈现可视化内容呢？因为 CALayer 基本等同于一个 纹理。纹理是 GPU 进行图像渲染的重要依据。
在 图形渲染原理 中提到纹理本质上就是一张图片，因此 CALayer 也包含一个 contents 属性指向一块缓存区，称为 backing store，可以存放位图（Bitmap）。iOS 中将该缓存区保存的图片称为 寄宿图。
图形渲染流水线支持从顶点开始进行绘制（在流水线中，顶点会被处理生成纹理），也支持直接使用纹理（图片）进行渲染。相应地，在实际开发中，绘制界面也有两种方式：一种是 手动绘制；另一种是 使用图片。
对此，iOS 中也有两种相应的实现方式：
- 使用图片：contents image
- 手动绘制：custom drawing
Contents Image
Contents Image 是指通过 CALayer 的 contents 属性来配置图片。然而，contents 属性的类型为 id。在这种情况下，可以给 contents 属性赋予任何值，app 仍可以编译通过。但是在实践中，如果 content 的值不是 CGImage ，得到的图层将是空白的。
既然如此，为什么要将 contents 的属性类型定义为 id 而非 CGImage。这是因为在 Mac OS 系统中，该属性对 CGImage 和 NSImage 类型的值都起作用，而在 iOS 系统中，该属性只对 CGImage 起作用。
本质上，contents 属性指向的一块缓存区域，称为 backing store，可以存放 bitmap 数据。
Custom Drawing
Custom Drawing 是指使用 Core Graphics 直接绘制寄宿图。实际开发中，一般通过继承 UIView 并实现 -drawRect: 方法来自定义绘制。
虽然 -drawRect: 是一个 UIView 方法，但事实上都是底层的 CALayer 完成了重绘工作并保存了产生的图片。下图所示为 -drawRect: 绘制定义寄宿图的基本原理。
-
UIView有一个关联图层，即CALayer。 -
CALayer有一个可选的delegate属性，实现了CALayerDelegate协议。UIView作为CALayer的代理实现了CALayerDelegae协议。 - 当需要重绘时，即调用
-drawRect:，CALayer请求其代理给予一个寄宿图来显示。 -
CALayer首先会尝试调用-displayLayer:方法，此时代理可以直接设置contents属性。
如果代理没有实现
-displayLayer:方法，CALayer则会尝试调用-drawLayer:inContext:方法。在调用该方法前，CALayer会创建一个空的寄宿图（尺寸由bounds和contentScale决定）和一个Core Graphics的绘制上下文，为绘制寄宿图做准备，作为ctx参数传入。最后，由
Core Graphics绘制生成的寄宿图会存入backing store。
Core Animation 流水线
通过前面的介绍，我们知道了 CALayer 的本质，那么它是如何调用 GPU 并显示可视化内容的呢？下面我们就需要介绍一下 Core Animation 流水线的工作原理。
事实上，app 本身并不负责渲染，渲染则是由一个独立的进程负责，即 Render Server 进程。
App 通过 IPC 将渲染任务及相关数据提交给 Render Server。Render Server 处理完数据后，再传递至 GPU。最后由 GPU 调用 iOS 的图像设备进行显示。
Core Animation 流水线的详细过程如下：
- 首先，由 app 处理事件（Handle Events），如：用户的点击操作，在此过程中 app 可能需要更新 视图树，相应地，图层树 也会被更新。
- 其次，app 通过 CPU 完成对显示内容的计算，如：视图的创建、布局计算、图片解码、文本绘制等。在完成对显示内容的计算之后，app 对图层进行打包，并在下一次 RunLoop 时将其发送至
Render Server，即完成了一次Commit Transaction操作。 -
Render Server主要执行 Open GL、Core Graphics 相关程序，并调用 GPU - GPU 则在物理层上完成了对图像的渲染。
- 最终，GPU 通过 Frame Buffer、视频控制器等相关部件，将图像显示在屏幕上。
对上述步骤进行串联，它们执行所消耗的时间远远超过 16.67 ms，因此为了满足对屏幕的 60 FPS 刷新率的支持，需要将这些步骤进行分解，通过流水线的方式进行并行执行，如下图所示。
Commit Transaction
在 Core Animation 流水线中，app 调用 Render Server 前的最后一步 Commit Transaction 其实可以细分为 4 个步骤：
LayoutDisplayPrepareCommit
动画渲染原理
iOS 动画的渲染也是基于上述 Core Animation 流水线完成的。这里我们重点关注 app 与 Render Server 的执行流程。
日常开发中，如果不是特别复杂的动画，一般使用 UIView Animation 实现，iOS 将其处理过程分为如下三部阶段：
- Step 1：调用
animationWithDuration:animations:方法 - Step 2：在 Animation Block 中进行
Layout，Display，Prepare，Commit等步骤。 - Step 3：
Render Server根据 Animation 逐帧进行渲染。
