iOS中图片的解压缩到渲染过程详解
前言
在移动app开发过程中，图片往往是不可或缺的资源。从磁盘上加载一张图片，到显示到屏幕上，中间经过了一些复杂的过程，其中非常重要的一步就是对图片的解压缩。下面来一起看看详细的介绍吧
一.图像从文件到屏幕过程
通常计算机在显示是cpu与gpu协同合作完成一次渲染.接下来我们了解一下cpu/gpu等在这样一次渲染过程中,具体的分工是什么?
- cpu: 计算视图frame，图片解码，需要绘制纹理图片通过数据总线交给gpu
- gpu: 纹理混合，顶点变换与计算,像素点的填充计算，渲染到帧缓冲区。
- 时钟信号：垂直同步信号v-sync / 水平同步信号h-sync。
- ios设备双缓冲机制：显示系统通常会引入两个帧缓冲区，双缓冲机制
图片显示到屏幕上是cpu与gpu的协作完成
对应应用来说，图片是最占用手机内存的资源，将一张图片从磁盘中加载出来，并最终显示到屏幕上，中间其实经过了一系列复杂的处理过程。
二.图片加载的工作流程
1、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；
2、然后将生成的 uiimage 赋值给 uiimageview ；
3、接着一个隐式的 catransaction 捕获到了 uiimageview 图层树的变化；
4、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：
- 分配内存缓冲区用于管理文件 io 和解压缩操作；
- 将文件数据从磁盘读到内存中；
- 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；
- 最后 core animation 中calayer使用未压缩的位图数据渲染 uiimageview 的图层。
- 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
5、渲染流程
- gpu获取获取图片的坐标
- 将坐标交给顶点着色器(顶点计算)
- 将图片光栅化(获取图片对应屏幕上的像素点)
- 片元着色器计算(计算每个像素点的最终显示的颜色值)
- 从帧缓存区中渲染到屏幕上
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。
三.为什么要解压缩图片
既然图片的解压缩需要消耗大量的 cpu 时间，那么我们为什么还要对图片进行解压缩呢？是否可以不经过解压缩，而直接将图片显示到屏幕上呢？答案是否定的。要想弄明白这个问题，我们首先需要知道什么是位图
其实，位图就是一个像素数组，数组中的每个像素就代表着图片中的一个点。我们在应用中经常用到的 jpeg 和 png 图片就是位图
大家可以尝试
uiimage *image = [uiimage imagenamed:@"text.png"]; cfdataref rawdata = cgdataprovidercopydata(cgimagegetdataprovider(image.cgimage));
打印rawdata,这里就是图片的原始数据.
事实上，不管是 jpeg 还是 png 图片，都是一种压缩的位图图形格式。只不过 png 图片是无损压缩，并且支持 alpha 通道，而 jpeg 图片则是有损压缩，可以指定 0-100% 的压缩比。值得一提的是，在苹果的 sdk 中专门提供了两个函数用来生成 png 和 jpeg 图片：
// 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);
因此，在将磁盘中的图片渲染到屏幕之前，必须先要得到图片的原始像素数据，才能执行后续的绘制操作，这就是为什么需要对图片解压缩的原因。
四.解压缩原理
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，影响我们应用的响应性，那么是否有比较好的解决方案呢？
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。
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 ：
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 ：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；
- 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；
- 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；
- 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
- space ：就是我们前面提到的颜色空间，一般使用 rgb 即可；
- bitmapinfo ：位图的布局信息.kcgimagealphapremultipliedfirst
五.yyimage\sdwebimage开源框架实现
用于解压缩图片的函数 yycgimagecreatedecodedcopy 存在于 yyimagecoder 类中，核心代码如下
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 {
...
}
}
它接受一个原始的位图参数 imageref ，最终返回一个新的解压缩后的位图 newimage ，中间主要经过了以下三个步骤：
- 使用 cgbitmapcontextcreate 函数创建一个位图上下文；
- 使用 cgcontextdrawimage 函数将原始位图绘制到上下文中；
- 使用 cgbitmapcontextcreateimage 函数创建一张新的解压缩后的位图。
事实上，sdwebimage 中对图片的解压缩过程与上述完全一致，只是传递给 cgbitmapcontextcreate 函数的部分参数存在细微的差别
性能对比:
- 在解压png图片,sdwebimage>yyimage
- 在解压jpeg图片,sdwebimage<yyimage
总结
1、图片文件只有在确认要显示时,cpu才会对齐进行解压缩.因为解压是非常消耗性能的事情.解压过的图片就不会重复解压,会缓存起来.
2、图片渲染到屏幕的过程: 读取文件->计算frame->图片解码->解码后纹理图片位图数据通过数据总线交给gpu->gpu获取图片frame->顶点变换计算->光栅化->根据纹理坐标获取每个像素点的颜色值(如果出现透明值需要将每个像素点的颜色*透明度值)->渲染到帧缓存区->渲染到屏幕
3、面试中如果能按照这个逻辑阐述,应该没有大的问题.不过,如果细问到离屏渲染和渲染中的细节处理.就需要掌握opengl es/metal 这个2个图形处理api. 面试过程可能会遇到不在自己技术能力范围问题,尽量知之为知之不知为不知.
总结
以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，谢谢大家对的支持。