iOS開發 - 圖片的解壓縮到渲染過程

一.圖像從文件到屏幕過程

一般計算機在顯示是CPU與GPU協同合做完成一次渲染.接下來咱們瞭解一下CPU/GPU等在這樣一次渲染過程當中,具體的分工是什麼?

• CPU: 計算視圖frame，圖片解碼，須要繪製紋理圖片經過數據總線交給GPU
• GPU: 紋理混合，頂點變換與計算,像素點的填充計算，渲染到幀緩衝區。
• 時鐘信號：垂直同步信號V-Sync / 水平同步信號H-Sync。
• iOS設備雙緩衝機制：顯示系統一般會引入兩個幀緩衝區，雙緩衝機制

圖片顯示到屏幕上是CPU與GPU的協做完成

對應應用來講，圖片是最佔用手機內存的資源，將一張圖片從磁盤中加載出來，並最終顯示到屏幕上，中間其實通過了一系列複雜的處理過程。

二.圖片加載的工做流程

1. 假設咱們使用 +imageWithContentsOfFile: 方法從磁盤中加載一張圖片，這個時候的圖片並無解壓縮；
2. 而後將生成的 UIImage 賦值給 UIImageView ；
3. 接着一個隱式的 CATransaction 捕獲到了 UIImageView 圖層樹的變化；

4. 在主線程的下一個 runloop 到來時，Core Animation 提交了這個隱式的 transaction ，這個過程可能會對圖片進行 copy 操做，而受圖片是否字節對齊等因素的影響，這個 copy 操做可能會涉及如下部分或所有步驟：

   • 分配內存緩衝區用於管理文件 IO 和解壓縮操做；
   • 將文件數據從磁盤讀到內存中；
   • 將壓縮的圖片數據解碼成未壓縮的位圖形式，這是一個很是耗時的 CPU 操做；
   • 最後 Core Animation 中CALayer使用未壓縮的位圖數據渲染 UIImageView 的圖層。
   • CPU計算好圖片的Frame,對圖片解壓以後.就會交給GPU來作圖片渲染

5. 渲染流程

   • GPU獲取獲取圖片的座標
   • 將座標交給頂點着色器(頂點計算)
   • 將圖片光柵化(獲取圖片對應屏幕上的像素點)
   • 片元着色器計算(計算每一個像素點的最終顯示的顏色值)
   • 從幀緩存區中渲染到屏幕上

咱們提到了圖片的解壓縮是一個很是耗時的 CPU 操做，而且它默認是在主線程中執行的。那麼當須要加載的圖片比較多時，就會對咱們應用的響應性形成嚴重的影響，尤爲是在快速滑動的列表上，這個問題會表現得更加突出。

三.爲何要解壓縮圖片

既然圖片的解壓縮須要消耗大量的 CPU 時間，那麼咱們爲何還要對圖片進行解壓縮呢？是否能夠不通過解壓縮，而直接將圖片顯示到屏幕上呢？答案是否認的。要想弄明白這個問題，咱們首先須要知道什麼是位圖

其實，位圖就是一個像素數組，數組中的每一個像素就表明着圖片中的一個點。咱們在應用中常常用到的 JPEG 和 PNG 圖片就是位圖

你們能夠嘗試

UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"text.png"];
CFDataRef rawData = CGDataProviderCopyData(CGImageGetDataProvider(image.CGImage));

打印rawData,這裏就是圖片的原始數據.

事實上，不論是 JPEG 仍是 PNG 圖片，都是一種壓縮的位圖圖形格式。只不過 PNG 圖片是無損壓縮，而且支持 alpha 通道，而 JPEG 圖片則是有損壓縮，能夠指定 0-100% 的壓縮比。值得一提的是，在蘋果的 SDK 中專門提供了兩個函數用來生成 PNG 和 JPEG 圖片：

// return image as PNG. May return nil if image has no CGImageRef or invalid bitmap format
UIKIT_EXTERN NSData * __nullable UIImagePNGRepresentation(UIImage * __nonnull image);

// return image as JPEG. May return nil if image has no CGImageRef or invalid bitmap format. compression is 0(most)..1(least)                           
UIKIT_EXTERN NSData * __nullable UIImageJPEGRepresentation(UIImage * __nonnull image, CGFloat compressionQuality);

所以，在將磁盤中的圖片渲染到屏幕以前，必須先要獲得圖片的原始像素數據，才能執行後續的繪製操做，這就是爲何須要對圖片解壓縮的緣由。

四.解壓縮原理

既然圖片的解壓縮不可避免，而咱們也不想讓它在主線程執行，影響咱們應用的響應性，那麼是否有比較好的解決方案呢？

咱們前面已經提到了，當未解壓縮的圖片將要渲染到屏幕時，系統會在主線程對圖片進行解壓縮，而若是圖片已經解壓縮了，系統就不會再對圖片進行解壓縮。所以，也就有了業內的解決方案，在子線程提早對圖片進行強制解壓縮。

而強制解壓縮的原理就是對圖片進行從新繪製，獲得一張新的解壓縮後的位圖。其中，用到的最核心的函數是 CGBitmapContextCreate ：

CG_EXTERN CGContextRef __nullable CGBitmapContextCreate(void * __nullable data,
    size_t width, size_t height, size_t bitsPerComponent, size_t bytesPerRow,
    CGColorSpaceRef cg_nullable space, uint32_t bitmapInfo)
    CG_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_0, __IPHONE_2_0);

• data ：若是不爲 NULL ，那麼它應該指向一塊大小至少爲 bytesPerRow * height 字節的內存；若是 爲 NULL ，那麼系統就會爲咱們自動分配和釋放所需的內存，因此通常指定 NULL 便可；
• width 和height ：位圖的寬度和高度，分別賦值爲圖片的像素寬度和像素高度便可；
• bitsPerComponent ：像素的每一個顏色份量使用的 bit 數，在 RGB 顏色空間下指定 8 便可；
• bytesPerRow ：位圖的每一行使用的字節數，大小至少爲 width * bytes per pixel 字節。當咱們指定 0/NULL 時，系統不只會爲咱們自動計算，並且還會進行 cache line alignment 的優化
• space ：就是咱們前面提到的顏色空間，通常使用 RGB 便可；
• bitmapInfo ：位圖的佈局信息.kCGImageAlphaPremultipliedFirst

五.YYImageSDWebImage開源框架實現

• 用於解壓縮圖片的函數 YYCGImageCreateDecodedCopy 存在於 YYImageCoder 類中，核心代碼以下

CGImageRef YYCGImageCreateDecodedCopy(CGImageRef imageRef, BOOL decodeForDisplay) {
    ...

    if (decodeForDisplay) { // decode with redraw (may lose some precision)
        CGImageAlphaInfo alphaInfo = CGImageGetAlphaInfo(imageRef) & kCGBitmapAlphaInfoMask;

        BOOL hasAlpha = NO;
        if (alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedLast ||
            alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedFirst ||
            alphaInfo == kCGImageAlphaLast ||
            alphaInfo == kCGImageAlphaFirst) {
            hasAlpha = YES;
        }

        // BGRA8888 (premultiplied) or BGRX8888
        // same as UIGraphicsBeginImageContext() and -[UIView drawRect:]
        CGBitmapInfo bitmapInfo = kCGBitmapByteOrder32Host;
        bitmapInfo |= hasAlpha ? kCGImageAlphaPremultipliedFirst : kCGImageAlphaNoneSkipFirst;

        CGContextRef context = CGBitmapContextCreate(NULL, width, height, 8, 0, YYCGColorSpaceGetDeviceRGB(), bitmapInfo);
        if (!context) return NULL;

        CGContextDrawImage(context, CGRectMake(0, 0, width, height), imageRef); // decode
        CGImageRef newImage = CGBitmapContextCreateImage(context);
        CFRelease(context);

        return newImage;
    } else {
        ...
    }
}

它接受一個原始的位圖參數 imageRef ，最終返回一個新的解壓縮後的位圖 newImage ，中間主要通過了如下三個步驟：

• 使用 CGBitmapContextCreate 函數建立一個位圖上下文；
• 使用 CGContextDrawImage 函數將原始位圖繪製到上下文中；
• 使用 CGBitmapContextCreateImage 函數建立一張新的解壓縮後的位圖。

事實上，SDWebImage 中對圖片的解壓縮過程與上述徹底一致，只是傳遞給 CGBitmapContextCreate 函數的部分參數存在細微的差異

性能對比:

• 在解壓PNG圖片,SDWebImage>YYImage
• 在解壓JPEG圖片,SDWebImage<YYImage

總結

1. 圖片文件只有在確認要顯示時,CPU纔會對齊進行解壓縮.由於解壓是很是消耗性能的事情.解壓過的圖片就不會重複解壓,會緩存起來.
2. 圖片渲染到屏幕的過程: 讀取文件->計算Frame->圖片解碼->解碼後紋理圖片位圖數據經過數據總線交給GPU->GPU獲取圖片Frame->頂點變換計算->光柵化->根據紋理座標獲取每一個像素點的顏色值(若是出現透明值須要將每一個像素點的顏色*透明度值)->渲染到幀緩存區->渲染到屏幕
3. 面試中若是能按照這個邏輯闡述,應該沒有大的問題.不過,若是細問到離屏渲染和渲染中的細節處理.就須要掌握OpenGL ES/Metal 這個2個圖形處理API. 面試過程可能會遇到不在本身技術能力範圍問題,儘可能知之爲知之不知爲不知.

https://github.com/SDWebImage/SDWebImage
https://github.com/ibireme/YYImage

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原文做者：集才華美貌於一身的—C姐