GPU和CPU (iOS)

CPU和GPU的区别

CUP和GPU之所以大不相同,是由于其设计目的的不同,它们分别针对了两种不同的应用场景。CPU需要很强的通用性来处理各种不同的类型数据,同时又要逻辑判断又会引入大量的分支跳转和中断处理。这些都使得CPU的内部结构异常复杂。而GPU面对的则是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断纯净的计算环境。

关于绘图和动画有两种处理方法:CPU(中央处理器)和GPU(图形处理器)。在现代iOS设备中,都有可以运行不同软件的可编程芯片,但是由于历史原因,我们可以说CPU所做的工作都在软件层面,而GPU在硬件层面。

总的来说,我们可以用软件(使用CPU)做任何事情,但是对于图像处理,通常用硬件会更快,因为GPU使用图像对高度并行浮点运算做了优化。由于这些原因,我们想尽可能把屏幕渲染的工作交给硬件去处理。问题在于GPU并没有无限制处理性能,而且一旦资源用完的话,性能就会开始下降了(即使CPU并没有完全占用)

大多数动画性能优化都是关于智能利用GPU和CPU,使得它们都不会超出负荷。于是我们首先需要知道Core Animation是如何在两个处理器之间分配工作的。

动画的舞台

Core Animation 处在iOS的核心地位:应用内和应用间都会用到它。一个简单的动画可能同步显示多个APP的内容,例如当在iPad上多个应用程序之间使用手势切换,会使得多个程序同时显示在屏幕上。在一个特定的应用中用代码实现它是没有意义的,因为在iOS中不可能实现这种效果 (APP都是被沙盒管理,不能访问别的APP)。

动画和屏幕上组合的图层实际上被一个单独的进程管理,而不是你的应用程序。这个进程就是所谓的 渲染服务
当运行一段动画的时候,这个过程会被四个分离的阶段

  • ** 布局 ** 这是准备你的视图、图层的层级关系,以及设置图层属性 (位置、背景色、边框等等)的阶段。

  • ** 显示** 这是图层的寄宿图片被绘制的阶段。绘制很有可能涉及你的 -drawRect:-drawlayer: inCpntext:的调用路径。

  • ** 准备 ** 这是Core Animation准备发送动画数据到渲染服务的阶段。这同时也是Core Animation将要执行一些别的事务,例如解码动画过程中将要显示的图片和时间点。

  • ** 提交 ** 这是最后的阶段,Core Animation打包所有图层和动画属性,然后通过IPC (内部处理通信)发到渲染服务进行显示。

但是这些阶段仅仅发生在你的应用程序之内,在动画在屏幕上显示之前仍然有更多的工作。一旦打包的图层和动画到达渲染服务进程,他们会被反序列化来形成另一个叫做渲染树的图层树。使用这个树状结构,渲染服务对动画的每一帧做出如下工作:

  • 对所有的图层属性计算中间值,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

所以一共有六个阶段;最后两个阶段在动画过程中不停地重复。前五个阶段都在软件层面处理(通过CPU),只有最后一个被GPU执行。而且,你真正只能控制前两个阶段:布局和显示。Core Animation框架在内部处理剩下的事务,你也控制不了它。

这并不是个问题,因为在布局和显示阶段,你可以决定哪些由CPU执行,哪些交给GPU去做。那么改如何判断呢?

GPU相关的操作

GPU为一个具体的任务做了优化:它用来采集图片和形状(三角形),运行变换,应用纹理和混合然后把它们输送到屏幕上。现代iOS设备上可编程的GPU在这些操作的执行上又很大的灵活性,但是Core Animation并没有暴露出直接的接口。除非你想绕开Core Animation并编写你自己的OpenGL着色器,从根本上解决硬件加速的问题,那么剩下的所有都还是需要在CPU的软件层面上完成。

宽泛的说,大多数 CALayer的属性都是用GPU来绘制。比如如果你设置图层背景或者边框的颜色,那么这些可以通过着色的三角板实时绘制出来。如果对一个contents属性设置一张图片,然后裁剪它 - 它就会被纹理的三角形绘制出来,而不需要软件层面做任何绘制。

但是有一些事情会降低(基于GPU)图层绘制,比如:

  • 太多的几何结构 - 这发生在需要太多的三角板来做变换,以应对处理器的栅格化的时候。现代iOS设备的图形芯片可以处理几百万个三角板,所以在Core Animation中几何结构并不是GPU的瓶颈所在。但由于图层在显示之前通过IPC发送到渲染服务器的时候(图层实际上是由很多小物体组成的特别重量级的对象),太多的图层就会引起CPU的瓶颈。这就限制了一次展示的图层个数。

  • 重绘 - 主要由重叠的半透明图层引起。GPU的填充比率(用颜色填充像素的比率)是有限的,所以需要避免重绘(每一帧用相同的像素填充多次)的发生。在现代iOS设备上,GPU都会应对重绘;即使是iPhone 3GS都可以处理高达2.5的重绘比率,并仍然保持60帧率的渲染(这意味着你可以绘制一个半的整屏的冗余信息,而不影响性能),并且新设备可以处理更多。

  • 离屏绘制 -GPU在当前屏幕缓冲区以外新开辟一个缓冲区进行渲染操作。 这发生在当不能直接在屏幕上绘制,并且必须绘制到离屏图片的上下文中的时候。离屏绘制发生在基于CPU或者是GPU的渲染,或者是为离屏图片分配额外内存,以及切换绘制上下文,这些都会降低GPU性能。对于特定图层效果的使用,比如圆角,图层遮罩,阴影或者是图层光栅化都会强制Core Animation提前渲染图层的离屏绘制。但这不意味着你需要避免使用这些效果,只是要明白这会带来性能的负面影响。

  • 过大的图片 - 如果视图绘制超出GPU支持的2048x2048或者4096x4096尺寸的纹理,就必须要用CPU在图层每次显示之前对图片预处理,同样也会降低性能。

CPU相关的操作

大多数工作在Core Animation的CPU都发生在动画开始之前。这意味着它不会影响到帧率,所以很好,但是他会延迟动画开始的时间,让你的界面看起来会比较迟钝。

以下CPU的操作都会延迟动画的开始时间:

  • 布局计算 - 如果你的视图层级过于复杂,当视图呈现或者修改的时候,计算图层帧率就会消耗一部分时间。特别是使用iOS6的自动布局机制尤为明显,它应该是比老版的自动调整逻辑加强了CPU的工作。

  • 视图惰性加载 - iOS只会当视图控制器的视图显示到屏幕上时才会加载它。这对内存使用和程序启动时间很有好处,但是当呈现到屏幕上之前,按下按钮导致的许多工作都会不能被及时响应。比如控制器从数据库中获取数据,或者视图从一个nib文件中加载,或者涉及IO的图片显示,都会比CPU正常操作慢得多。

  • Core Graphics绘制 - 如果对视图实现了-drawRect:方法,或者CALayerDelegate的-drawLayer:inContext:方法,那么在绘制任何东西之前都会产生一个巨大的性能开销。为了支持对图层内容的任意绘制,Core Animation必须创建一个内存中等大小的寄宿图片。然后一旦绘制结束之后,必须把图片数据通过IPC传到渲染服务器。在此基础上,Core Graphics绘制就会变得十分缓慢,所以在一个对性能十分挑剔的场景下这样做十分不好。

  • 解压图片 - PNG或者JPEG压缩之后的图片文件会比同质量的位图小得多。但是在图片绘制到屏幕上之前,必须把它扩展成完整的未压缩的尺寸(通常等同于图片宽 x 长 x 4个字节)。为了节省内存,iOS通常直到真正绘制的时候才去解码图片)。根据你加载图片的方式,第一次对图层内容赋值的时候(直接或者间接使用UIImageView)或者把它绘制到Core Graphics中,都需要对它解压,这样的话,对于一个较大的图片,都会占用一定的时间。

当图层被成功打包,发送到渲染服务器之后,CPU仍然要做如下操作:为了显示屏幕上的图层,Core Animation必须对渲染树中的每个可见图层通过OpenGL循环转换成纹理三角板。由于GPU并不知晓Core Animation图层的任何结构,所以必须要由CPU做这些事情。这里CPU涉及的工作和图层个数成正比,所以如果在你的层级关系中有太多的图层,就会导致CPU每一帧的渲染,即使这些事情不是你的应用程序可控的。

IO相关操作

还有一项涉及的就是IO相关工作。上下文中的IO(输入/输出)指的是例如闪存或者是网络接口的硬件访问。一些动画可能需要从闪存(甚至是远程URL)来加载。一个典型的例子就是两个视图控制器的过渡效果,这就需要从一个nib文件或者是它的内容中懒加载,或者一个旋转的图片,可能在内存中尺寸太大,需要动态滚动来加载。

IO比内存访问更慢,所以如果动画涉及到IO,就是一个大问题。总的来说,这就需要使用聪敏但尴尬的技术,也就是多线程,缓存和投机加载(提前加载当前不需要的资源,但是之后可能需要用到)。

测量,而不是猜测

于是现在你知道有哪些点可能会影响动画性能,那该如何修复呢?好吧,其实不需要。有很多种诡计来优化动画,但如果盲目使用的话,可能会造成更多性能上的问题,而不是修复。

如何正确的测量而不是猜测这点很重要。根据性能相关的知识写出代码不同于仓促的优化。前者很好,后者实际上就是在浪费时间。

那该如何测量呢?第一步就是确保在真实环境下测试你的程序。

真机测试,而不是模拟器

一定要真机测试!
一定要真机测试!!
一定要真机测试!!!

模拟器运行在你的Mac上,然而Mac上的CPU往往比iOS设备要快。相反,Mac上的GPU和iOS设备的完全不一样,模拟器不得已要在软件层面(CPU)模拟设备的GPU,这意味着GPU相关的操作在模拟器上运行的更慢,尤其是使用CAEAGLLayer来写一些OpenGL的代码时候。

这就是说在模拟器上的测试出的性能会高度失真。如果动画在模拟器上运行流畅,可能在真机上十分糟糕。如果在模拟器上运行的很卡,也可能在真机上很平滑。你无法确定。

另一件重要的事情就是性能测试一定要用发布配置,而不是调试模式。因为当用发布环境打包的时候,编译器会引入一系列提高性能的优化,例如去掉调试符号或者移除并重新组织代码。你也可以自己做到这些,例如在发布环境禁用NSLog语句。你只关心发布性能,那才是你需要测试的点。

最后,最好在你支持的设备中性能最差的设备上测试:如果基于iOS6开发,这意味着最好在iPhone 3GS或者iPad2上测试。如果可能的话,测试不同的设备和iOS版本,因为苹果在不同的iOS版本和设备中做了一些改变,这也可能影响到一些性能。例如iPad3明显要在动画渲染上比iPad2慢很多,因为渲染4倍多的像素点(为了支持视网膜显示)。

保持一致的帧率

为了做到动画的平滑,你需要以60FPS(帧每秒)的速度运行,以同步屏幕刷新速率。通过基于NSTimer
或者CADisplayLink的动画你可以降低到30FPS,而且效果还不错,但是没办法通过Core Animation做到这点。如果不保持60FPS的速率,就可能随机丢帧,影响到体验。
你可以在使用的过程中明显感到有没有丢帧,但没办法通过肉眼来得到具体的数据,也没法知道你的做法有没有真的提高性能。你需要的是一系列精确的数据。
你可以在程序中用CADisplayLink来测量帧率,然后在屏幕上显示出来,但应用内的FPS显示并不能够完全真实测量出Core Animation性能,因为它仅仅测出应用内的帧率。我们知道很多动画都在应用之外发生(在渲染服务器进程中处理),但同时应用内FPS计数的确可以对某些性能问题提供参考,一旦找出一个问题的地方,你就需要得到更多精确详细的数据来定位到问题所在。苹果提供了一个强大的Instruments工具集来帮我们做到这些。

Instruments

Instruments是Xcode套件中没有被充分利用的一个工具。很多iOS开发者从没用过Instruments,或者只是用Leaks工具检测循环引用。实际上有很多Instruments工具,包括为动画性能调优的东西。

你可以通过在菜单中选择Profile选项来打开Instruments(在这之前,记住要把目标设置成iOS设备,而不是模拟器)。然后将会显示出图1(如果没有看到所有选项,你可能设置成了模拟器选项)

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图1 Instuments工具选项窗口

就像之前提到的那样,你应该始终将程序设置成发布选项。幸运的是,配置文件默认就是发布选项,所以你不需要在分析的时候调整编译策略。

我们将讨论如下几个工具:

  • ** 时间分析器 **- 用来测量被方法/函数打断的CPU使用情况。

  • ** Core Animation** - 用来调试各种Core Animation性能问题。

  • ** OpenGL ES驱动 **- 用来调试GPU性能问题。这个工具在编写Open GL代码的时候很有用,但有时也用来处理Core Animation的工作。

Instruments的一个很棒的功能在于它可以创建我们自定义的工具集。除了你初始选择的工具之外,如果在Instruments中打开Library窗口,你可以拖拽别的工具到左侧边栏。我们将创建以上我们提到的三个工具,然后就可以并行使用了

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图2 添加额外的工具到Instrumennts侧边栏

时间分析器

时间分析器工具用来检测CPU的使用情况。它可以告诉我们程序中的哪个方法正在消耗大量的CPU时间。使用大量的CPU并不一定是个问题 - 你可能期望动画路径对CPU非常依赖,因为动画往往是iOS设备中最苛刻的任务。

但是如果你有性能问题,查看CPU时间对于判断性能是不是和CPU相关,以及定位到函数都很有帮助(见图3)。

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时间分析器有一些选项来帮助我们定位到我们关心的的方法。可以使用左侧的复选框来打开。其中最有用的是如下几点:

  • 通过线程分离 - 这可以通过执行的线程进行分组。如果代码被多线程分离的话,那么就可以判断到底是哪个线程造成了问题。

  • 隐藏系统库 - 可以隐藏所有苹果的框架代码,来帮助我们寻找哪一段代码造成了性能瓶颈。由于我们不能优化框架方法,所以这对定位到我们能实际修复的代码很有用。

  • 反转响应树 - 把调用层级最深的方法显示在最上面,更容易找到最耗时的操作。

Core Animation

Core Animation工具用来监测Core Animation性能。它给我们提供了周期性的FPS,并且考虑到了发生在程序之外的动画(见图4)

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图4 使用可视化调试选项的Core Animation 工具

Core Animation工具也提供了一系列复选框选项来帮助调试渲染瓶颈:

  • Color Blended Layer -这个选项基于渲染程度对屏幕中的混合区域进行绿到红的高亮(也就是多个半透明图层的叠加)。由于重绘原因,混合对GPU性能会有影响,同时也是滑动或者是动画帧率下降的罪魁祸首之一。

  • ColorHitsGreenandMissesRed -当使用 shouldRasterizep 属性的时候,耗时的图层绘制会被缓存,然后当做一个简单的扁平图片呈现。当缓存再生的时候这个选项就用红色栅格化图层进行了高亮。如果缓存频繁再生,就意味着栅格化可能会有负面的性能影响了。

  • Color Copied Images -有时候寄宿图片的生成意味着Core Animation被强制生成一些图片,然后发送到渲染服务器,而不是简单的指向原始指针。这些选项把这些图片渲染成蓝色。复制图片对内存和CPU来说是一项非常昂贵的操作,所以应该尽可能的避免。

  • Color Immediately -通常Core Animation Instuments 以每毫秒10次的频率更新图层调试颜色。对某些效果来说,这显然太慢啦。这个选项就可以用来设置每帧都更新(可能会影响到渲染性能,而且会导致帧率测试不准,所以不要一直都设置它)。

  • Color Misaligned Images -这里会高亮那些被缩放或者拉伸以及没有正确对齐到像素边缘的图片(也就是非整齐坐标)。这些中的大多数通常都会导致图片的不正常缩放,如果把一张大图当缩略图显示,或者是不正确的模糊图像,那么这个选项会帮你识别出问题所在。

  • Color Offscreen-Rendered Yellow -这里会把那些需要离屏渲染的图层高亮成黄色。这些图层很可能需要用 shadowPath 或者 shouldRasterize 来优化。

  • Color OpenGL Fast Path Blue -这个选项会对任何直接使用OpenGL绘制的图层进行高亮。如果仅仅使用UIKit或者Core Animation的API,那么不会有任何效果。如果使用`GLKView`或者`CAEAGLLayer `,那如果不显示蓝色块的话就意味着你正在强制CPU渲染额外的纹理,而不是绘制到屏幕。

  • Flash Updated Regions - 这个选项会对重绘的内容高亮成黄色(也就是任何在软件层面使用Core Graphics绘制的图层)。这种绘图的速度很慢。如果频繁发生这种情况的话,这意味着有一个隐藏的bug或者说通过增加缓存或者使用替代方案会有提升性能的空间。

这些高亮图层的选项同样在iOS模拟器的调试菜单也可用(图5)。我们之前说过用模拟器测试性能并不好,但如果你能通过这些高亮选项识别出性能问题出在什么地方的话,那么使用iOS模拟器来验证问题是否解决也是比真机测试更有效的。

图5 iOS模拟器中Core Animation可视化调试选项

OpenGL ES驱动

OpenGL ES驱动工具可以帮你测量GPU的利用率,同样也是一个很好的来判断和GPU相关动画性能的指示器。它同样也提供了类似Core Animation那样显示FPS的工具(图6)。

图6 OpenGL ES驱动工具

侧栏的右边是一系列有用的工具。其中和Core Animation性能最相关的是如下几点:

  • Renderer Utilization - 如果这个值超过了~50%,就意味着你的动画可能对帧率有所限制,很可能因为离屏渲染或者是重绘导致的过度混合。

  • Tiler Utilization - 如果这个值超过了~50%,就意味着你的动画可能限制于几何结构方面,也就是在屏幕上有太多的图层占用了。

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