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# iOS 界面渲染流程
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> 下面几个问题你熟悉吗?
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> - 为什么调用 `[UIView serNeedsDisplay]` 并没有立刻发生当前视图的绘制工作?
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## 视图显示原理
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为什么调用 `[UIView setNeedsDisplay]` 并没有立刻发生当前视图的绘制工作?
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UIView 绘制流程。
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<img src="https://raw.githubusercontent.com/FantasticLBP/knowledge-kit/master/assets/UIViewRefreshProcess.png" style="zoom:60%" />
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当调用 UIView `[UIView setNeedsDisplay]` 方法时,系统会立刻调用其 Layer 的同名方法 `[view.layer setNeedsDisplay]` 方法,之后相当于给当前 Layer 打上一个脏标记,之后会在当前 RunLoop 快要结束的时候才会调用 Layer 的 `[CALayer display]` 方法。然后进入当前 UIView 真正的绘制流程中。
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其次,会判断 CALayer 的代理,有没有实现 `displayLayer:` 方法
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- 如果没有实现,则进入系统的绘制流程:比如:创建绘制上下文、调用 `drawInContext:`、生成内容并赋值给 `contents`
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- 如果实现了,则可能是异步绘制或者自定义渲染的实现。是**代理自定义绘制的入口**。代理可以在这个方法里直接设置`layer.contents`(比如异步绘制生成 UIImage 后赋值给`contents`),完全接管 layer 的内容渲染
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Demo1:
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自定义 View,不实现 `displayInContext` 方法
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```objective-c
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#import <UIKit/UIKit.h>
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@interface CustomDrawView : UIView
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@end
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@implementation CustomDrawView
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// 重写drawRect: —— 系统绘制流程的上层入口
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- (void)drawRect:(CGRect)rect {
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// 1. 系统自动创建绘制上下文,这里可以直接获取
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CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
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// 2. 绘制操作(对应系统流程的「调用drawInContext:」阶段)
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// 设置填充色为红色
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CGContextSetFillColorWithColor(context, [UIColor redColor].CGColor);
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// 绘制一个矩形
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CGContextFillRect(context, CGRectMake(20, 20, 100, 100));
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NSLog(@"执行drawRect: → 底层对应系统调用CALayer的drawInContext:");
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}
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// 关键:不实现 displayLayer: 代理方法
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// - (void)displayLayer:(CALayer *)layer {} // 注释掉,模拟「未实现」场景
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@end
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```
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在 ViewController 中使用
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```objective-c
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#import "ViewController.h"
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#import "CustomDrawView.h"
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@interface ViewController ()
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@end
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@implementation ViewController
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- (void)viewDidLoad {
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[super viewDidLoad];
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self.view.backgroundColor = [UIColor whiteColor];
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// 1. 创建自定义View并添加到界面
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CustomDrawView *drawView = [[CustomDrawView alloc] initWithFrame:CGRectMake(50, 100, 150, 150)];
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drawView.backgroundColor = [UIColor lightGrayColor]; // 浅灰色背景,方便区分绘制区域
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[self.view addSubview:drawView];
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// 2. 触发绘制(打脏标记,RunLoop阶段系统会执行layer.display)
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[drawView setNeedsDisplay];
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}
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@end
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```
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结果:屏幕上会显示「浅灰色背景 + 红色矩形」;控制台打印: `执行drawRect: → 底层对应系统调用CALayer的drawInContext:`;
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分析:
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- `[drawView setNeedsDisplay]` → 内部调用 `layer.setNeedsDisplay`,给 layer 打 “脏标记”
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- 当前 RunLoop 的 CATransaction 阶段,系统调用 `[layer display]`
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- layer 检查代理(CustomDrawView)有没有实现代理方法 → 未实现`-(void)displayLayer:(CALayer *)layer`;
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- 系统**自动创建绘制上下文** → 调用 `[layer drawInContext:]`(UIView 的`drawRect:`是对这个方法的封装,所以`drawRect:`被执行)
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- 系统将绘制结果生成位图 → 赋值给 `layer.contents`
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- 最终 layer 把`contents`内容渲染到屏幕
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Demo2:
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自定义 Layer,实现 `displatLayer:` 代理方法的 Layer
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```objective-c
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#import <QuartzCore/QuartzCore.h>
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@interface CustomLayer : CALayer
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@end
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@implementation CustomLayer
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// 重写CALayer的drawInContext: —— 系统绘制流程的核心方法
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- (void)drawInContext:(CGContextRef)ctx {
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// 系统创建的上下文会传入这个方法
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NSLog(@"系统调用drawInContext: → 进入核心绘制阶段");
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// 绘制操作:画一个蓝色圆形
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CGContextSetFillColorWithColor(ctx, [UIColor blueColor].CGColor);
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CGContextFillEllipseInRect(ctx, CGRectMake(20, 20, 100, 100));
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}
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@end
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```
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在 VC 中使用
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```objective-c
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#import "ViewController.h"
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#import "CustomLayer.h"
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@interface ViewController ()
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@end
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@implementation ViewController
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- (void)viewDidLoad {
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[super viewDidLoad];
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self.view.backgroundColor = [UIColor whiteColor];
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// 1. 创建自定义Layer
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CustomLayer *customLayer = [CustomLayer layer];
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customLayer.frame = CGRectMake(50, 250, 150, 150);
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customLayer.backgroundColor = [UIColor lightGrayColor].CGColor;
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[self.view.layer addSublayer:customLayer];
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// 2. 触发绘制(打脏标记)
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[customLayer setNeedsDisplay];
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}
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@end
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```
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结果:屏幕上显示「浅灰色背景 + 蓝色圆形」;并且输出:`系统调用drawInContext: → 进入核心绘制阶段`
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分析:
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- 调用 CALayer 的 setNeedsDisplay 方法,内部会调用 display 方法
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- 系统会将其 CALayer 打上 dirty 标记
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- RunLoop 会在一次 loop 的末尾,提交 CATranscation。然后去绘制 layer 的 displayLayer 方法
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- 判断没有实现 displayLayer 方法,然后自动创建渲染上下文。
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- 然后调用 `drawInContext:(CGContextRef)ctx` ,方法的 ctx 参数就是系统自动创建的上下文对象
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- 该方法内创建的渲染内容,最后会合成一张 bitmap,最后交给 layer.contents 属性
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- 屏幕渲染 contents 内容
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下面来个 Demo 展示下简单的异步绘制一个 String。
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<img src="https://raw.githubusercontent.com/FantasticLBP/knowledge-kit/master/assets/AsyncUILabelRender.png" style="zoom:30%" />
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接下来看看系统的绘制实现流程:
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<img src="https://raw.githubusercontent.com/FantasticLBP/knowledge-kit/master/assets/UIViewSystemRenderProcess.png" style="zoom:60%" />
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如何实现异步绘制?
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`[layer.delegate displayPlayer:]`
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- 代理负责生成对应的 bitmap
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- 设置该 bitmap 作为 layer.contents 属性的值
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<img src='https://raw.githubusercontent.com/FantasticLBP/knowledge-kit/master/assets/AsyncRenderProcessAPI.png' style="zoom:30%" />
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## 渲染机制
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iOS 渲染框架可以分为4层,顶层是 UIKit,包括图形界面的高级 API 和常用的各种 UI 控件。UIKit 下层是 Core Animation,不要被名字误解了,它不光是处理动画相关,也在做图形渲染相关的事情(比如 UIView 的 CALayer 就处于 Core Animation 中)。Core Animation 之下就是由 OpenGL ES 和 CoreGraphics 组成的图形渲染层,OpenGL ES 主要操作 GPU 进行图形渲染,CoreGraphics 主要操作 CPU 进行图形渲染。上面3层都属于渲染图形软件层,再下层就是图形显示硬件层。
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iOS 图形界面的显示是一个复杂的流程,一部分数据通过 Core Graphics、Core Image 有 CPU 预处理,最终通过 OpenGL ES 将数据传输给 GPU,最终显示到屏幕上。
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- Core Animation 提交会话(事务),包括自己和子树(view hierarchy) 的布局状态
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- Render Server 解析所提交的子树状态,生成绘制指令
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- GPU 执行绘制指令
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- 显示器显示渲染后的数据
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## Core Animation
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可以看到 Core Animation pipeline 由4部分组成:Application 层的 Core Animation 部分、Render Server 中的 Core Animation 部分、GPU 渲染、显示器显示。
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### Application 层 Core Animation 部分
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- 布局(Layout):`layoutSubviews`、`addSubview`,这里通常是 CPU、IO 繁忙
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- 显示(Display):调用 view 重写的 `drawRect` 方法,或者绘制字符串。这里主要是 CPU 繁忙、消费较多内存。每个 UIView 都有 CALayer,同时图层又一个像素存储控件,存储视图,调用 `setNeedsDisplay` 仅会设置图层为 dirty。当渲染系统准备就绪,调用视图的 `display` 方法,同时装配像素存储空间,建立一个 Core Graphics 上下文(CGContextRef),将上下文 push 进上下文堆栈,绘图程序进入对应的内存存储空间。
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- 准备(Prepare):图片解码、图片格式转换。GPU 不支持某些图片格式,尽量使用 GPU 能支持的图片格式
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- 提交(Commit):打包 layers 并发送给 Render Server,递归提交子树的 layers。如果子树层级较多(复杂),则对性能造成影响
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### Render Server 中 Core Animation 部分
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Render Server 是一个独立的渲染进程,当收到来自 Application 的 (IPC) 事务时,首先解析 layer 层级关系,然后 Decode。最后执行 Draw Calls(执行对应的 OpenGL ES 命令)
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### GPU 渲染
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- OpenGL ES 的 command buffer 进行定点变换,三角形拼接、光栅话变为 parameter buffer
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- parameter buffer 进行像素变化,testing、blending 生成 frame buffe
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### 显示器显示
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视频控制器从 frame buffer 中读取数据显示在显示屏上。
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## UIView 绘制流程
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- 每个 UIView 都有一个 CALayer,layer 属性都有 contents,contents 其实是一块缓存,叫做 backing store
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- 当 UIView 被绘制时,CPU 执行 drawRect 方法,通过 context 将数据写入 backing store 中(位图 bitmap)
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- 当 backing store 写完后,通过 Render Server 交给 GPU 去渲染,最后显示到屏幕上
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- 调用 `[UIView setNeedsDisplay]` 方法时,并没有立即执行绘制工作,而是马上调用 `[view.layer setNeedsDisplay]` 方法,给当前 layer 打上标记
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- 在当前 RunLoop 快要结束的时候调用 layer 的 display 方法,来进入到当前视图真正的绘制流程
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- 在 layer 的 display 方法内部,系统会判断 layer 的 layer.delegate 是否实现了 `displayLayer` 方法
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- 如果没有,则执行系统的绘制流程
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- 如果实现了,则会进入异步绘制流程
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- 最后把绘制完的 backing store 提交给 GPU
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### 系统绘制流程
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- 首先 CALayer 内部会创建一个 CGContextRef,在 drwaRect 方法中,可以通过上下文堆栈取出 context,拿到当前视图渲染上下文也就是 backing store
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- 然后 layer 会判断是否存在代理,若没有,则调用 CALayer 的 drawInContext
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- 如果存在代理,则调用代理方法。然后做当前视图的绘制工作,然后调用 view 的 drawRect 方法
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- 最后由 CALayer 上传对应的 backing store(可以理解为位图)提交给 GPU。
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### 异步绘制流程
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- 如果 layer 有代理对象,且代理对象实现了代理方法,则可以进入异步绘制流程
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- 异步绘制流程中主要生成对应的 bitmap。目的是最后一步,需要将 bitmap 设置为 layer.contents 的值
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- 左侧是主队列,右侧是全局并发队列
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- 调用了setNeedsDiaplay 方法后,在当前 Runloop 将要结束的时候,会有系统调用视图所对应 layer 的 display 方法
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- 通过在子线程中去做位图的绘制,此时主线程可以去做些其他的工作。在子线程中:主要通过 CGBitmapContextCreate 方法,来创建一个位图的上下文、通过CoreGraphic API,绘制 UI、通过 CGBitmapContextCreatImage 方法,根据所绘制的上下文,生成一张 CGImage 图片
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- 然后再回到主队列中,提交这个位图,设置给 CALayer 的 contents 属性
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## 图片加载库都做了什么事
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众所周知,iOS应用的渲染模式,是完全基于Core Animation和CALayer的(macOS上可选,另说)。因此,当一个UIImageView需要把图片呈现到设备的屏幕上时候,其实它的Pipeline是这样的:
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1. 一次Runloop完结 ->
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2. Core Animation提交渲染树CA::render::commit ->
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3. 遍历所有Layer的contents ->
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4. UIImageView的contents是CGImage ->
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5. 拷贝CGImage的Bitmap Buffer到Surface(Metal或者OpenGL ES Texture)上 ->
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6. Surface(Metal或者OpenGL ES)渲染到硬件管线上
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这个流程看起来没有什么问题,但是注意,Core Animation库自身,虽然支持异步线程渲染(在macOS上可以手动开启),但是UIKit的这套内建的pipeline,全部都是发生在主线程的。
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因此,当一个CGImage,是采取了惰性解码(通过Image/IO生成出来的),那么将会在主线程触发先前提到的惰性解码callback(实际上Core Animation的调用,触发了一个`CGDataProviderRetainBytePtr`),这时候Image/IO的具体解码器,会根据先前的图像元信息,去分配内存,创建Bitmap Buffer,这一步骤也发生在主线程。
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这个流程带来的问题在于,主线程过多的频繁操作,会造成渲染帧率的下降。实验可以看出,通过原生这一套流程,对于一个1000*1000的PNG图片,第一次滚动帧率大概会降低5-6帧(iPhone 5S上当年有人的测试)。后续帧率不受影响,因为是惰性解码,解码完成后的Bitmap Buffer会复用。
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所以,最早不知是哪个团队的人(可能是[FastImageCache](https://github.com/path/FastImageCache),不确定)发现,并提出了另一种方案:通过预先调用获取Bitmap,强制Image/IO产生的CGImage解码,这样到最终渲染的时候,主线程就不会触发任何额外操作,带来明显的帧率提升。后面的一系列图片库,都互相效仿,来解决这个问题。
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具体到解决方案上,目前主流的方式,是通过CGContext开一个额外的画布,然后通过`CGContextDrawImage`来画一遍原始的空壳CGImage,由于在`CGContextDrawImage`的执行中,会触发到`CGDataProviderRetainBytePtr`,因此这时候Image/IO就会立即解码并分配Bitmap内存。得到的产物用来真正产出一个CGImage-based的UIImage,交由UIImageView渲染。
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## ForceDecode的优缺点
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上面解释了ForceDecode具体解决的问题,当然,这个方案肯定存在一定的问题,不然苹果研发团队早已经改变了这套Pipeline流程了
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优点:可以提升,图像第一次渲染到屏幕上时候的性能和滚动帧率
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缺点:提前解码会立即分配Bitmap Buffer的内存,增加了内存压力。举例子对于一张大图(2048*2048像素,32位色)来说,就会立即分配16MB(2048 * 2048 * 4 Bytes)的内存。
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由此可见,这是一个拿空间换时间的策略。但是实际上,iOS设备早期的内存都是非常有限的,UIKit整套渲染机制很多地方采取的都是时间换空间,因此最终苹果没有使用这套Pipeline,而是依赖于高性能的硬件解码器+其他优化,来保证内存开销稳定。当然,作为图片库和开发者,这就属于仁者见仁的策略了。如大量小图渲染的时候,开启Force Decode能明显提升帧率,同时内存开销也比较稳定。
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## iOS 图片解压缩到渲染过程
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- 假设我们使用 `+imageWithContentsOfFile:` 方法从磁盘中加载一张图片,这个时候的图片并没有解压缩
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- 然后将生成的 `UIImage` 赋值给 `UIImageView`
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- 接着一个隐式的 `CATransaction` 捕获到了 `UIImageView` 图层树的变化
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- 在主线程的下一个 `runloop` 到来时,`Core Animation` 提交了这个隐式的 `transaction` ,这个过程可能会对图片进行 `copy` 操作,而受图片是否字节对齐等因素的影响,这个 `copy` 操作可能会涉及以下部分或全部步骤
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- 分配内存缓冲区用于管理文件 IO 和解压缩操作
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- 将文件数据从磁盘读到内存中
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- 将压缩的图片数据解码成未压缩的位图形式,这是一个非常耗时的 CPU 操作
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- 最后 `Core Animation` 中 `CALayer` 使用未压缩的位图数据渲染 `UIImageView` 的图层
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- CPU 计算好图片的 Frame,对图片解压之后.就会交给 GPU 来做图片渲染
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- 渲染流程
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- GPU 获取图片的坐标
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- 将坐标交给顶点着色器(顶点计算)
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- 将图片光栅化(获取图片对应屏幕上的像素点)
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- 片元着色器计算(计算每个像素点的最终显示颜色值)
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- 从帧缓存区中渲染到屏幕上
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我们提到了图片的解压缩是一个非常耗时的 CPU 操作,并且它默认是在主线程中执行的。那么当需要加载的图片比较多时,就会对我们应用的响应性造成严重的影响,尤其是在快速滑动的列表上,这个问题会表现得更加突出
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## 为什么要解压缩图片
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既然图片的解压缩很耗费 CPU 时间,那么为什么还要对图片进行解压缩?是否可以不解压缩直接显示图片?不能
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其实位图,就是一个像素数组,数组中的每个像素就代表图片中的一个点。平时遇到的 png、jpeg 就是位图。
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```objective-c
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UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"text.png"];
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CFDataRef rawData = CGDataProviderCopyData(CGImageGetDataProvider(image.CGImage));
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```
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rawData 就是图片原始数据。
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jpg、png 都是一种压缩格式,只不过 png 是无损压缩,支持 alpha 通道。而 jpeg 是有损压缩,可以指定0~100%压缩比。iOS 提供2个函数来生成 png、jpeg 图片。
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```objective-c
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// return image as PNG. May return nil if image has no CGImageRef or invalid bitmap format
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UIKIT_EXTERN NSData * __nullable UIImagePNGRepresentation(UIImage * __nonnull image);
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// return image as JPEG. May return nil if image has no CGImageRef or invalid bitmap format. compression is 0(most)..1(least)
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UIKIT_EXTERN NSData * __nullable UIImageJPEGRepresentation(UIImage * __nonnull image, CGFloat compressionQuality);
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```
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所以,在磁盘的图片渲染到屏幕之前,必须先得到图片的原始像素数据,才可以执行后续的操作。所以必须先解压缩。
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## 图片解压缩原理
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既然图片的解压缩不可避免,而我们也不想让它在主线程执行,影响 App 性能,那么是否有比较好的解决方案呢?
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我们前面已经提到了,当未解压缩的图片将要渲染到屏幕时,系统会在主线程对图片进行解压缩,而如果图片已经解压缩了,系统就不会再对图片进行解压缩。因此,也就有了业内的解决方案,在**子线程提前对图片进行强制解压缩**。
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而强制解压缩的原理就是**对图片进行重新绘制,得到一张新的解压缩后的位图**。其中,用到的最核心的函数是 `CGBitmapContextCreate`
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```objective-c
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CG_EXTERN CGContextRef __nullable CGBitmapContextCreate(void * __nullable data,
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size_t width, size_t height, size_t bitsPerComponent, size_t bytesPerRow,
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CGColorSpaceRef cg_nullable space, uint32_t bitmapInfo)
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CG_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_0, __IPHONE_2_0);
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```
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参数说明:
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- data:如果不为 `NULL` ,那么它应该指向一块大小至少为 `bytesPerRow * height` 字节的内存;如果 为 `NULL`,那么系统就会为我们自动分配和释放所需的内存,所以一般指定 `NULL` 即可;
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- width 和 height :位图的宽度和高度,分别赋值为图片的像素宽度和像素高度即可;
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- bitsPerComponent:像素的每个颜色分量使用的 bit 数,在 RGB 颜色空间下指定 8 即可;
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- bytesPerRow :位图的每一行使用的字节数,大小至少为 `width * bytes per pixel` 字节。当我们指定 0/NULL 时,系统不仅会为我们自动计算,而且还会进行 `cache line alignment` 的优化
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- space :就是我们前面提到的颜色空间,一般使用 RGB 即可;
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- bitmapInfo :位图的布局信息.`kCGImageAlphaPremultipliedFirst`
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参考 YYImage/SDWebImage 都有图片解压缩的实现
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```objective-c
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CGImageRef YYCGImageCreateDecodedCopy(CGImageRef imageRef, BOOL decodeForDisplay) {
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...
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if (decodeForDisplay) { // decode with redraw (may lose some precision)
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CGImageAlphaInfo alphaInfo = CGImageGetAlphaInfo(imageRef) & kCGBitmapAlphaInfoMask;
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BOOL hasAlpha = NO;
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if (alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedLast ||
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alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedFirst ||
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alphaInfo == kCGImageAlphaLast ||
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alphaInfo == kCGImageAlphaFirst) {
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hasAlpha = YES;
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}
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// BGRA8888 (premultiplied) or BGRX8888
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// same as UIGraphicsBeginImageContext() and -[UIView drawRect:]
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CGBitmapInfo bitmapInfo = kCGBitmapByteOrder32Host;
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bitmapInfo |= hasAlpha ? kCGImageAlphaPremultipliedFirst : kCGImageAlphaNoneSkipFirst;
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CGContextRef context = CGBitmapContextCreate(NULL, width, height, 8, 0, YYCGColorSpaceGetDeviceRGB(), bitmapInfo);
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if (!context) return NULL;
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CGContextDrawImage(context, CGRectMake(0, 0, width, height), imageRef); // decode
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CGImageRef newImage = CGBitmapContextCreateImage(context);
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CFRelease(context);
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return newImage;
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} else {
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||
...
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||
}
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||
}
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||
```
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自己也可以实现
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```objective-c
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- (void)setImage {
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SP_BEGIN_LOG(custome, gl_log, imageSet);
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[self decodeImage:[UIImage imageNamed:@"peacock"] completion:^(UIImage *image) {
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||
self.imageView.image = image;
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||
SP_END_LOG(imageSet);
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}];
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||
}
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||
- (void)decodeImage:(UIImage *)image completion:(void(^)(UIImage *image))completionHandler {
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||
if (!image) return;
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||
//在子线程执行解码操作
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||
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
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CGImageRef imageRef = image.CGImage;
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//获取像素宽和像素高
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size_t width = CGImageGetWidth(imageRef);
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size_t height = CGImageGetHeight(imageRef);
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if (width == 0 || height == 0) return ;
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CGImageAlphaInfo alphaInfo = CGImageGetAlphaInfo(imageRef) & kCGBitmapAlphaInfoMask;
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BOOL hasAlpha = NO;
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//判断颜色是否含有alpha通道
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if (alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedLast ||
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alphaInfo == kCGImageAlphaPremultipliedFirst ||
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alphaInfo == kCGImageAlphaLast ||
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alphaInfo == kCGImageAlphaFirst) {
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hasAlpha = YES;
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}
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//在iOS中,使用的是小端模式,在mac中使用的是大端模式,为了兼容,我们使用kCGBitmapByteOrder32Host,32位字节顺序,该宏在不同的平台上面会自动组装换成不同的模式。
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/*
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#ifdef __BIG_ENDIAN__
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# define kCGBitmapByteOrder16Host kCGBitmapByteOrder16Big
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# define kCGBitmapByteOrder32Host kCGBitmapByteOrder32Big
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#else //Little endian.
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# define kCGBitmapByteOrder16Host kCGBitmapByteOrder16Little
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# define kCGBitmapByteOrder32Host kCGBitmapByteOrder32Little
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#endif
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*/
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CGBitmapInfo bitmapInfo = kCGBitmapByteOrder32Host;
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//根据是否含有alpha通道,如果有则使用kCGImageAlphaPremultipliedFirst,ARGB否则使用kCGImageAlphaNoneSkipFirst,RGB
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bitmapInfo |= hasAlpha ? kCGImageAlphaPremultipliedFirst : kCGImageAlphaNoneSkipFirst;
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//创建一个位图上下文
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CGContextRef context = CGBitmapContextCreate(NULL, width, height, 8, 0, CGColorSpaceCreateDeviceRGB(), bitmapInfo);
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if (!context) return;
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//将原始图片绘制到上下文当中
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CGContextDrawImage(context, CGRectMake(0, 0, width, height), imageRef);
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//创建一张新的解压后的位图
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CGImageRef newImage = CGBitmapContextCreateImage(context);
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CFRelease(context);
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UIImage *originImage =[UIImage imageWithCGImage:newImage scale:[UIScreen mainScreen].scale orientation:image.imageOrientation];
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//回到主线程回调
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dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
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!completionHandler ?: completionHandler(originImage);
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});
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});
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}
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```
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