UIKit

UIKit是iOS開發最常用的框架，可以通過設定UIKit元件的佈局以及相關屬性來繪製介面。
事實上，UIKit自身並不具備在螢幕成像的能力，其主要負責對使用者操作事件的響應（UIView繼承自UIResponder），事件響應的傳遞大體是經過逐層的檢視樹遍歷實現的。

Core Animation

Core Animation源自於Layer Kit，動畫只是Core Animation的冰山一角。 Core Animation是一個複合引擎，其職責是儘可能快地組合螢幕上不同的可視內容，這些可視內容可被分解成獨立的圖層（即CALayer），這些圖層會被儲存在一個叫做圖層樹的體系之中

Core Graphics

Core Graphics基於Quartz高階繪圖引擎，主要用於執行時繪製圖像。開發者可以使用此框架來處理基於路徑的繪圖，轉換，顏色管理，離屏渲染，圖案，漸變和陰影，影象資料管理，影象建立和影象遮罩以及PDF文件建立，顯示和分析。

當開發者需要在執行時建立影象時，可以使用Core Graphics去繪製。與之相對的是執行前建立影象，例如用Photoshop提前做好圖片素材直接匯入應用。相比之下，我們更需要Core Graphics去在執行時實時計算、繪製一系列影象幀來實現動畫。

Core Image

Core Image與Core Graphics恰恰相反，Core Graphics用於在執行時建立影象，而Core Image用於處理執行前建立的影象。Core Image框架擁有一系列現成的影象過濾器，能對一寸照的影象進行高效的處理。
大部分情況下，Core Image會在GPU中完成工作，如果GPU忙，會使用CPU進行處理。

OpenGL ES

OpenGL ES是OpenGL的子集。在圖形渲染原理一文中提到過OpenGL是一套第三方標準，函式的內部實現由對應的GPU廠商開發實現。

UIView與CALayer的關係

CALayer事實上是使用者所能在螢幕上看見的一切的基礎。為什麼UIKit

其中，檢視的職責是建立並管理圖層，以確保當子檢視在層級關係中新增或被移除時，其關聯的圖層在圖層樹中也有相同的操作，即保證檢視樹和圖層樹在結構上的一致性。

為什麼iOS要基於UIView和CALayer提供兩個平行的層級關係呢？

其原因在於要做職責分離，這樣也能避免很多重複程式碼。在iOS和Mac OSX兩個平臺上，事件和使用者互動有很多地方的不同，基於多點觸控的使用者介面和基於滑鼠鍵盤的互動有著本質的區別，這就是為什麼iOS有UIKit和UIView，對應Mac OSX有AppKit和NSView的原因。它們在功能上很相似，但是在實現上有著顯著的區別。

實際上，這裡並不是兩個層級關係，而是四個。每一個都扮演著不同的角色。除了檢視樹和圖層樹，還有呈現樹和渲染樹。

CALayer
那麼為什麼CALayer可以呈現視覺化內容呢？因為CALayer基本等同於一個紋理。紋理是GPU進行影象渲染的重要依據。

在圖形渲染原理中提到紋理本質上就是一張圖片，因此CALayer也包含一個contents屬性指向一塊快取區，稱為backing store，可以存放點陣圖(Bitmap)。iOS中將該快取區儲存的圖片稱為寄宿圖。

圖形渲染流水線支援從頂點開始進行繪製（在流水線中，頂點會被處理生成紋理），也支援直接使用紋理（圖片）進行渲染。相應地，在實際開發中，繪製介面也有兩種方式： 一種是手動繪製；另一種是使用圖片。

對此，iOS中也有兩種相應的實現方式：

• 使用圖片：contents image
• 手動繪製：custom drawing

Contents Image
Contents Image是指通過CALayer的contents屬性來配置圖片。然而，contents屬性的型別為id，在這種情況下，可以給contents屬性賦予任何值，app仍可以編譯通過。但是在實踐中，如果contents的值不是CGImage，得到的圖層將是空白的。

既然如此，為什麼要將contents的屬性型別定義為id而非CGImage。因為在Mac OS系統中，該屬性對CGImage和NSImage型別的值都起作用，而在iOS系統中，該屬性只對CGImage起作用。

本質上，contents屬性指向的一塊快取區域，稱為backing store，可以存放bitmap資料。

Custom Drawing
Custom Drawing是指使用Core Graphics直接繪製寄宿圖。實際開發中，一般通過繼承UIView並實現-drawRect:方法來自定義繪製。

雖然-drawRect:是一個UIView方法，但事實上都是底層的CALayer完成了重繪工作並儲存了產生的圖片。 下圖所示為drawRect：繪製定義寄宿圖的基本原理

• UIView有一個關聯圖層，即CALayer。
• CALayer有一個可選的delegate屬性，實現了CALayerDelegate協議。UIView作為CALayer的代理實現了CALayerDelegate協議。
• 當需要重繪時，即呼叫-drawRect:，CALayer請求其代理給予一個寄宿圖來顯示。
• CALayer首先會嘗試呼叫-displayLayer:方法，此時代理可以直接設定contents屬性。

- (void)displayLayer:(CALayer *)layer;
複製程式碼

• 如果代理沒有實現-displayLayer:方法，CALayer則會嘗試呼叫-drawLayer:inContext:方法。在呼叫該方法前，CALayer會建立一個空的寄宿圖（尺寸由bounds和contentScale決定）和一個Core Graphics的繪製上下文，為繪製寄宿圖做準備，作為ctx引數傳入。

- (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx;
複製程式碼

• 最後，有Core Graphics繪製生成的寄宿圖會存入backing store。

Core Animation 流水線

介紹一下Core Animation流水線的工作原理：

App通過IPC將渲染任務及相關資料提交給Render Server。Render Server處理完資料後，再傳遞至GPU。最後由GPU呼叫iOS的影象裝置進行顯示。

Core Animation流水線的詳細過程如下：

• 首先，由app處理事件（Handle Events），如：使用者點選操作，在此過程中app可能需要更新檢視樹，相應地，圖層樹也會被更新。
• 其次，app通過CPU完成對顯示內容的計算，如：檢視的建立、佈局計算、圖片解碼、文字繪製等。在完成對現實內容的計算之後，app對圖層進行打包，並在下一次RunLoop時將其傳送至Render Server，即完成了一次commit Transaction操作。
• Render Server主要執行OpenGL、Core Graphics相關程式，並呼叫GPU。
• GPU則在物理層上完成了對影象的渲染。
• 最終，GPU通過Frame Buffer、視訊控制器等相關部件，將影象顯示在螢幕上。

對上述步驟進行串聯，他們執行所消耗的時間圓圓超過16.67ms，因此為了滿足對螢幕的60FPS重新整理率的支援，需要將這些步驟進行分解，通過流水線的方式並行執行，如下圖：

Commit Transaction

在Core Animation流水線中，app呼叫Render Server前的最後一步Commit Transaction其實可以細分為4個步驟：

• Layout
• Display
• Prepare
• Commit

Layout

Layout階段主要進行檢視構建，包括：LayoutSubviews方法的過載，addSubview:方法填充子檢視等。

Display

Display階段主要進行檢視繪製，這裡僅僅是設定成像的圖元資料。過載檢視的drawRect:方法可以自定義UIView的顯示，其原理是在drawRect:方法內部繪製寄宿圖，該過程使用GPU和記憶體。

Prepare

Prepare階段屬於附加步驟，一般處理影象的解碼和轉碼等操作。

Commit

commit階段主要將圖層進行打包，並將它們傳送至Render Server。該過程會遞迴執行，因為圖層和檢視都是以樹形結構存在。

動畫渲染原理

iOS動畫的渲染也是基於上述Core Animation流水線完成的。這裡我們重點關注app與Render Server的執行流程。

日常開發中，如果不是特別的複雜動畫，一般使用UIView Animation實現，iOS將其處理過程分為如下三部階段：

• Step1：呼叫animationWithDuration:animations:方法
• Step2：在Animation Block中進行Layout，Display，Prepare，Commit等步驟。
• Step3：Render Server根據Animation逐幀進行渲染。

參考部落格 iOS影象渲染原理