从CoreAnimation到Pop

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pop是Facebook在开源的一款动画引擎,看下其官方的介绍:

Pop是一款在iOS、tvOS和OS X平台通用的可扩展动画引擎。它在基本静态动画的基础上,增加了弹性以及衰减动画,这在创建真实有物里性的交互很有用。其API能够快速的整合进已有的Objective-C工程,可以对任意对象的任意属性做动画。这是一个成熟且经过测试的框架,在Paper这款优秀的app中有广泛的应用。(iOS7之后苹果也提供了Spring动画(不过CASpringAnimation iOS9才提供)以及UIDynamic物理引擎(比如碰撞以及重力等物理效果不错,有兴趣可以玩玩))

那Pop动画引擎跟CoreAnimation有啥区别?我们先来简单了解一下苹果的CoreAnimation:

CoreAnimation

先看下CoreAnimation在框架中所处的位置:

CoreAnimation.png

可以看出视图的渲染以及动画都是基于CoreAnimation框架(看名字容易以为只是动画相关),其地位还是相当重要。我们来看下iOS在视图的渲染以及动画的各个阶段都发生了虾米,这其中涉及到应用内部以及应用外部:

应用内部4个阶段:

  • 布局
    这个阶段是用户在程序内部设置组织视图或图层的关系,比如设置view的backgroundColor、frame等属性;

  • 显示
    这是图层的寄宿图片被绘制的阶段,比如实现了-drawRect:或-drawLayer:inContext:方法,这些方法会这这个阶段执行,这些绘制方法是由CPU在应用内部同步地完成,属于离屏渲染。

  • 准备
    这个阶段,CoreAnimation框架会将渲染视图的各种属性以及动画的参数等数据准备好;同时这个阶段还会解压需要渲染的image。

  • 提交
    这是在应用内部发生的最后阶段,CoreAnimation打包准备好的所有视图/图层以及动画的属性,然后通过IPC(进程间通信)发送到render server进行显示,可以看到其实视图的渲染以及动画是在另外一个进程处理的。在iOS5和之前的版本是SpringBoard进程(同时管理着iOS的主屏),在iOS6之后的版本中叫做BackBoard。

应用外部2个阶段:
一旦这些打包好的数据到达render server,这些数据会被反序列化成另一个叫做渲染树的图层树,根据这个树状结构,render server做如下工作:

  • 根据layer的属性值,如果图层包含动画,则计算其属性的中间插值,然后设置OpenGL几何形状(纹理化的三角形)来执行渲染
  • 在屏幕上渲染可见的三角形

所以整个阶段包含六个阶段,如果有动画,最后两个阶段会重复的执行。前五个阶段都是通过CPU处理的,只有最后一个阶段使用GPU。而且你能控制的只有前面两个阶段:布局和显示,剩下都是CoreAnimation框架在内部进行处理。

简单了解完CoreAnimaton的工作方式之后,我们在来看看pop实现动画的方式。

pop

CADisplayLink是一个和屏幕刷新率(每秒60帧)相同的定时器,pop实现的动画就是基于该定时器,它在每一帧计根据指定的time function计算出动画的中间值,然后将计算好的值赋给视图或图层(可以是任意对象)的属性(比如透明度、frame等),当属性发生变化之后,我们知道Core Animation会通过IPC把这些变化通知render server进行渲染,因此整个动画过程变成是你的应用内部驱动的,render server则被动接受数据进行渲染,跟上面提到的Core Animation动画方式有所不同;另一个不同是pop在动画过程中改变的是model layer的状态,不像Core Animation作用的是渲染树的图层树,Core Animation动画会在动画结束后回到起始位置, model layer, presentation layer 和 render layer的区别有兴趣可以去了解。

core_animation_basics_sublayer_hierarchies.png
Animate View

pop提供了几种动画,包括basic、Spring(弹簧)、Deacy(衰减)以及自定义的动画


pop animation

其API跟Core Animation提供的API类似,我们来看看如何使用pop,包括以下几个步骤:

// 1 选择动画类型 (POPBasicAnimation  POPSpringAnimation POPDecayAnimation)
POPSpringAnimation *springAnimation = [POPSpringAnimation animation];
springAnimation.springBounciness=16;
springAnimation.springSpeed=6;

// 2 选择要对视图或者图层的属性做动画,比如我们想要缩放动画,我们可以选择:kPOPViewScaleXY。
//pop提供了一些属性,包括视图属性:kPOPViewAlpha kPOPViewBackgroundColor kPOPViewBounds kPOPViewCenter kPOPViewFrame等,
//图层属性:kPOPLayerBackgroundColor kPOPLayerBounds kPOPLayerScaleXY kPOPLayerSize kPOPLayerOpacity kPOPLayerPosition等,具体可以查看POPAnimatableProperty.m文件
springAnimation.property = [POPAnimatableProperty propertyWithName:kPOPViewScaleXY];

// 3 设置动画的终点值
springAnimation.toValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(1.3, 1.3)];

// 4 为动画指定代理POPAnimatorDelegate(可选),
springAnimation.delegate = self;

// 5 将动画添加到视图或图层中,开始做动画
[_testView pop_addAnimation:springAnimation forKey:@"springAnimation"];

可以看到API与Core Animation的基本类似,熟悉的同学应该能很快使用上,具体的使用方式可以尝试,比如Spring动画的几个参数的效果,实践出真知~

Animate NSObject

pop除了可以对view或着layer做动画之外,还可以对任意NSObject对象的属性做动画,其实动画本质上也是离散的,当每秒内离散的数据足够多的时候对于人眼来说就是连续的。因此对NSObject对象属性做动画本质上也是计算出一系列的离散值,比如对下面的对象做动画,然后我们可以根据这些离散值来观察pop的动画曲线:

@interface AnimatableObject : NSObject
@property (nonatomic,assign) CGFloat propertyValue;
@end

@implementation AnimatableObject

- (void)setPropertyValue:(CGFloat)newValue{
    _propertyValue = newValue;
}

@end

上面的对象包含一个float类型的属性,由于这个对象的属性并不是pop提供的内建属性(POPAnimatableProperty.mm中定义的),因此我们需要创建一个新的动画属性POPAnimatableProperty:

POPAnimatableProperty *valueProperty = [POPAnimatableProperty propertyWithName:@"value" initializer:^(POPMutableAnimatableProperty *prop) {
    prop.writeBlock=^(id obj, const CGFloat values[]) {
        [obj setPropertyValue:values[0]];
        [_values addObject:@(values[0])]; //收集值用于后面绘制观察曲线
    };
    prop.readBlock = ^(id obj, CGFloat values[]) {
        values[0] = [obj propertyValue];
    };
}];

我们需要为这个动画属性提供名称以及writeBlock跟readBlock,block里面定义如何将数值与对象属性关联,现在我们对这个对象做动画并绘制相关的动画曲线。
我们对object做basic动画,采用easeInOut的时间函数:

POPBasicAnimation *animation = [POPBasicAnimation animation];
animation.property = valueProperty;
animation.fromValue = [NSNumber numberWithFloat:0];
animation.toValue = [NSNumber numberWithFloat:100];
animation.timingFunction = [CAMediaTimingFunction functionWithName:kCAMediaTimingFunctionEaseInEaseOut];
animation.duration = 1.5;
animation.completionBlock = ^(POPAnimation *anim, BOOL finished){
    [self drawCurl:_values];
};
_animateObject = [[AnimatableObject alloc] init];
[_animateObject pop_addAnimation:animation forKey:@"easeInEaseOut"];

//根据获取到的值来绘制曲线
-(void)drawCurl:(NSArray*)values
{
    UIBezierPath *path = [UIBezierPath bezierPath];
    [path moveToPoint:CGPointMake(100, 350)];
    
    for (int i=0; i<[values count]; i++) {
        NSNumber *value = values[i];
        CGPoint point = CGPointZero;
        point.x = 100+i*(100/values.count);
        point.y = 350 - [value floatValue];
        [path addLineToPoint:point];
    }
    
    _layer.path = path.CGPath;
    [self.view.layer addSublayer:_layer];
}

可以看到绘制出如下的曲线:

easeInEaseOut

假如使用PopSpringAnimation做动画:

POPSpringAnimation *springAni = [POPSpringAnimation animation];
springAni.property = valueProperty;
springAni.fromValue = [NSNumber numberWithFloat:0];
springAni.toValue = [NSNumber numberWithFloat:100];
springAni.dynamicsMass = 5;
springAni.completionBlock = ^(POPAnimation *anim, BOOL finished){
    [self drawCurl:_values];
};
_animateObject = [[AnimatableObject alloc] init];
[_animateObject pop_addAnimation:springAni forKey:@"springAnimation"];

可以看到是如下曲线,有兴趣可以自己是试试其它曲线。

spring

实现原理

简单了解完pop的使用方式,我们来继续聊一聊pop的实现方式,为了方便说明简单分析下面的pop动画,移动view的x位置:

POPBasicAnimation *basicAnimation = [POPBasicAnimation animation];
basicAnimation.property = [POPAnimatableProperty propertyWithName:kPOPLayerPositionX];
basicAnimation.toValue = @(200);
[_testView pop_addAnimation:basicAnimation forKey:nil];
  • pop内建属性

kPOPLayerPositionX是pop内建的属性,pop内置了常见的属性动画,保存在全局的静态数组_staticStates[]中,对每个属性定义好了读取属性值readBlock以及写入属性值的writeBlock(如果是自定义的属性,则需要自己实现readBlock和writeBlock,如之前所示),

static POPStaticAnimatablePropertyState _staticStates[] =
{
    ...
    {kPOPLayerPositionX,
        ^(CALayer *obj, CGFloat values[]) {
          values[0] = [(CALayer *)obj position].x;
        },
        ^(CALayer *obj, const CGFloat values[]) {
          CGPoint p = [(CALayer *)obj position];
          p.x = values[0];
          [obj setPosition:p];
        },
        kPOPThresholdPoint
    },
    ...
 }
  • POPAnimator
    pop的动画都是交给POPAnimator执行的,POPAnimator是一个负责执行动画单例对象,这个对象会开启一个CADisplayLink定时器,该定时器会在每帧执行动画:
//POPAnimator.mm
- (id)init
{
    ...
    _displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(render)];
    _displayLink.paused = YES;
    [_displayLink addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
    ...
}

可以发现定时器是加到runloop的NSRunLoopCommonModes模式中的,这样即便是UI滑动的时候也不会影响动画的执行。

当我们使用pop_addAnimation把定义好的动画加到POPAnimator对象时:

- (void)addAnimation:(POPAnimation *)anim forObject:(id)obj key:(NSString *)key
{
  ...
  //POPAnimator会先判断该动画对象是否存在(所有动画会保存在内部的一个字典对象中)了,如果存在就不重复添加执行动画
  NSMutableDictionary *keyAnimationDict = (__bridge id)CFDictionaryGetValue(_dict, (__bridge void *)obj);
  if (nil == keyAnimationDict) {
    keyAnimationDict = [NSMutableDictionary dictionary];
    CFDictionarySetValue(_dict, (__bridge void *)obj, (__bridge void *)keyAnimationDict);
  } else {
    POPAnimation *existingAnim = keyAnimationDict[key];
    if (existingAnim) {
      if (existingAnim == anim) {
        return;
      }
      [self removeAnimationForObject:obj key:key cleanupDict:NO];
    }
  }
  keyAnimationDict[key] = anim

  // 将动画保存在_pendingList数组中
  _pendingList.push_back(item);

  // 开启CADisplayLink定时器
  updateDisplayLink(self);

  //执行_pendingList数组中的动画
  [self _scheduleProcessPendingList];
}

  • 基于NSRunLoop的动画更新机制
    当我们有动画需要被执行时,pop会在主线层的runloop中添加观察者,监听kCFAllocatorDefault、kCFRunLoopBeforeWaiting和kCFRunLoopExit事件,并在回调的时候处理执行_pendingList里的动画
- (void)_scheduleProcessPendingList
{
  ...

  if (!_pendingListObserver) {
    __weak POPAnimator *weakSelf = self;
    _pendingListObserver = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopBeforeWaiting | kCFRunLoopExit, false, POPAnimationApplyRunLoopOrder, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
      ...
      //在回调中执行_pendingList中的动画
      CFTimeInterval time = [self _currentRenderTime];
      [self _renderTime:(0 != _beginTime) ? _beginTime : time items:_pendingList];
      ...
    });

    if (_pendingListObserver) {
      CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), _pendingListObserver,  kCFRunLoopCommonModes);
    }
  }
  ...
}
  • 渲染 pending 动画
    当runloop观察者的回调被执行时,POPAnimator会根据当前时间(需要这个时间去做插值)一个一个执行_pendingList里的动画:
- (void)_renderTime:(CFTimeInterval)time item:(POPAnimatorItemRef)item
{
    ...
    // 只执行有效的动画
    if (state->active && !state->paused) {
      
      //根据当前时间执行动画
      applyAnimationTime(obj, state, time);

      //如果动画执行完毕
      if (state->isDone()) {

        //将计算好的值设给视图或图层对象
        applyAnimationToValue(obj, state);
        }
    }
    ...
}

static void applyAnimationTime(id obj, POPAnimationState *state, CFTimeInterval time)
{
    //根据当前时间计算推倒出新的值大小
    if (!state->advanceTime(time, obj)) {
        return;
    }
    POPPropertyAnimationState *ps = dynamic_cast<POPPropertyAnimationState*>(state);
    if (NULL != ps) {

        //将推倒出的新值作用到视图或图层对象
        updateAnimatable(obj, ps);
    }
}

pop会根据动画类型做不同的插值算法,如下所示可以看到有四种不同的插值方式

bool advanceTime(CFTimeInterval time, id obj) {
    ...
    switch (type) {
      case kPOPAnimationSpring:
        advanced = advance(time, dt, obj);
        break;
      case kPOPAnimationDecay:
        advanced = advance(time, dt, obj);
        break;
      case kPOPAnimationBasic: {
        advanced = advance(time, dt, obj);
        computedProgress = true;
        break;
      }
      case kPOPAnimationCustom: {
        customFinished = [self _advance:obj currentTime:time elapsedTime:dt] ? false : true;
        advanced = true;
        break;
      }
     ...
}

我们以kPOPAnimationBasic方式为例,

bool advance(CFTimeInterval time, CFTimeInterval dt, id obj) {
    
    //默认采用kCAMediaTimingFunctionDefault时间函数
    ((POPBasicAnimation *)self).timingFunction = [CAMediaTimingFunction functionWithName:kCAMediaTimingFunctionDefault];

    // 将时间归一化到[0-1]
    CGFloat p = 1.0f;
    if (duration > 0.0f) {
        // cap local time to duration
        CFTimeInterval t = MIN(time - startTime, duration) / duration;
        p = POPTimingFunctionSolve(timingControlPoints, t, SOLVE_EPS(duration));
        timeProgress = t;
    } else {
        timeProgress = 1.;
    }

    //根据当前的时间,以及from和to的值计算出新的当前值
    interpolate(valueType, valueCount, fromVec->data(), toVec->data(), currentVec->data(), p);
    progress = p;

 }

计算出新的值后,便可以通过内建属性定义好的writeBlock将新的值付给UI对象:

static void updateAnimatable(id obj, POPPropertyAnimationState *anim, bool shouldAvoidExtraneousWrite = false)
{
    pop_animatable_write_block write = anim->property.writeBlock;
     if (NULL == write)
        return;
    write(obj, currentVec->data());
}

pop动画的过程大体上如上所示,也就是在每一帧将通过不同的曲线函数计算出新的插值并赋给UI对象,以此来实现动画

custom animation

下面我们来看看如何通过pop来实现一个自定义的动画,pop对自定义动画的支持感觉比较单一,可以认为就是一个定时器的功能而已。。。
想要自定义动画我们就需要有一个自定义的函数曲线,比如我们要实现一个弹簧动画(跟spring动画类似),我们使用如下的时间函数,输出为[0-1](更多的缓动函数可以去这查看:http://easings.net/zh-cn):

float ElasticEaseOut(float p)
{
    return sin(-13 * M_PI_2 * (p + 1)) * pow(2, -6 * p) + 1;
}

当有了定义好的缓动曲线后,我们就可以通过POPCustomAnimation来实现自定义动画,POPCustomAnimation会在每次CADisplayLink定时器触发时回调我们定义好的函数,同时给我们传递相关的时间参数:

POPCustomAnimation *customAni = [POPCustomAnimation animationWithBlock:^BOOL(id target, POPCustomAnimation *animation) {
        
        //动画开始的时间,我们可以记录下来作为基准时间
        if(_baseTime == 0){
            _baseTime = animation.currentTime;
        }

        //根据当前时间,计算出当前的时间进度,并根据动画周期归一化到[0-1]
        double progress = (animation.currentTime - _baseTime)/_duration;

        //使用ElasticEaseOut自定义曲线根据当前进度计算出新的值,该值大小也为[0-1]
        double caculateValue = ElasticEaseOut(progress);

        //根据缓动函数的输出,计算新的值,并赋给UI对象
        CGPoint current = CGPointZero;
        current.x = _from.x + (_to.x - _from.x) * caculateValue;
        current.y = _from.y + (_to.y - _from.y) * caculateValue;
        _testView.frame = CGRectMake(current.x, current.y, 20, 20);
        
        //如果当前进度小于1,则继续动画
        if(progress < 1.0){
            return YES;
        }
        return NO;
    }];
    [_testView pop_addAnimation:layCus forKey:@"custom"];

可以看到如下的弹簧效果,与spring效果类似:

ElasticEaseOut
总结

通过上面的介绍我们大概也了解了pop动画引擎了,pop相比iOS的coreanimation的优势在于提供了spring以及decay动画效果,iOS7的spring动画效果较弱,CASpringAnimation能够提供的效果较好,不过需要iOS9或以上的版本,除此之外pop还允许你自定义动画,所以pop还是有一定的吸引力。不过我们也可以发现pop动画是在主线层执行的,因此如果主线层做耗时操作的话,动画就不那么流畅了,有兴趣可以试一试。。。

参考:

ios核心动画高级技巧
pop
缓动函数

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