如何在iOS中高效的加载图片详解

前言

在iOS开发中，图片(UIImage)是我们在开发中，占用手机内存比较大的对象，如果在运行过程中，内存占用过大，对电池寿命会造成影响，如果超过了内存占用的最大值，会造成App的crash。这篇文章从图片的加载原理和SDWebImage的源码实现的角度来介绍图片加载。

图片的渲染流程

在iOS中使用 UIImage和UIImageView来记载图片，他俩遵守经典的MVC架构，UIImage相当于Model，UIImageView相当于View:

UIImage负责加载图片，UIImageView负责渲染图片。

图片的渲染流程分为3个阶段:加载(Load)，解码（Decoder)和渲染(Render)

在每个阶段都会有相对应的缓冲区:数据缓冲区(DataBuffer)，图像缓冲区(imageBuffer)和帧缓冲区(framebuffer)。

我们以加载一个图片的尺寸为:2048 px * 1536 px，在磁盘上的大小为:590kb的图片为例，来分析前两个阶段的缓冲区。

DataBuffer

DataBuffer只是一种包含一系列字节的缓冲区。通常以某些元数据开头,元数据描述了存储在数据缓冲区中的图像大小，包含图形数据本身，图像数据以某种形式编码如 JPEG压缩或PNG，这意味着，该字节并不直接描述图像中像素的任何内容。此时的 DataBuffer大小为 590kb。

SD源码分析

在SDWebImage中，图片加载完成后，在 sd_imageFormatForImageData的方法中，是通过DataBuffer的第一个字节来判断图片的格式的。

    uint8_t c;
    [data getBytes:&c length:1];
    switch (c) {
        case 0xFF:
            return SDImageFormatJPEG;
        case 0x89:
            return SDImageFormatPNG;
        case 0x47:
            retur SDImageFormatGIF;
        case 0x49:
        case 0x4D:
            return SDImageFormatTIFF;
        
        ......
   }

ImageBuffer

在图片加载完后，需要将Data Buffer的JPEG，PNG或其他编码的数据，转换为每个像素的图像信息，这个过程，称为Decoder(解码)，将像素信息存放在ImageBuffer。

占用内存大小

图片占用的内存大小与图像的尺寸有关，与它的文件大小无关，在iOSSRGB显示格式中(4byte空间显示一个像素)，如果解析所有的像素，需要 2048 px * 1536 px * 4 byte/px = 10MB的空间，此时的 ImageBuffer的大小为10MB。

在ImageBuffer解析完后，提交给frameBuffer进行渲染显示。

总的来说，图片加载过程和消耗的内存如下图所示：

Xcode测试

在Xcode工程中，当push新页面的时候，只加载一个图片。

加载前内存值:

加载后内存值：

大多数情况下，我们并不需要如此高精度的显示图片，占用了这么多的内存，能否减少加载图片时占用的内存值呢?

如何减少图像占用内存

向下采样

在苹果官方文档中，建议我们使用向下采样（Downsampleing)的技术，来加载图片，减少ImageBuffer的大小。

方法如下：

func downsample(imageAt imageURL: URL, to pointSize:CGSize, scale:CGFloat) ->UIImage {
    let imageSourcesOptions = [kCGImageSourceShouldCache: false] as CFDictionary

    let imageSource = CGImageSourceCreateWithURL(imageURL as CFURL, imageSourcesOptions)!
    let maxDimensionInPixels = max(pointSize.width, pointSize.height) * scale
    let downsampleOptions = [
            kCGImageSourceCreateThumbnailFromImageAlways: true,
            kCGImageSourceShouldCacheImmediately: true,
            kCGImageSourceCreateThumbnailWithTransform: true,
            kCGImageSourceThumbnailMaxPixelSize:maxDimensionInPixels
        ] as CFDictionary
    let downsampledImage = CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex(imageSource, 0, downsampleOptions)!
    
    return UIImage(cgImage: downsampledImage)
 }

我们来测试一下:

   let imageStr = Bundle.main.path(forResource: "view_site.jpeg", ofType: nil)
   let imageURL =  URL(string: "file://" + (imageStr ?? ""))
   guard let imgURL = imageURL else {
       return
   }
   imageView.image = downsample(imageAt:imgURL , to: CGSize(width: 200, height: 200), scale: UIScreen.main.scale)

加载之前时是13M，加载之后是 17M，效果是很明显的，节省了大约 5M的内存空间。

在对图片进行压缩时，我们应首选向下采样技术。

SD源码分析解码过程

在SDWebIamge中，一共有3种类型的解码器：SDImageIOCoder, SDImageGIFCoder, SDImageAPNGCoder，根据DataBuffer的编码类型，使用相对应的编码器。

在 -(UIImage *)decodedImageWithData:(NSData *)data方法中，配置解码参数，开始进行解码操作。

在 + (UIImage *)createFrameAtIndex:(NSUInteger)index source:(CGImageSourceRef)source scale:(CGFloat)scale preserveAspectRatio:(BOOL)preserveAspectRatio thumbnailSize:(CGSize)thumbnailSize options:(NSDictionary )options 中，完成图像解码

选择正确的图片渲染格式

渲染格式

在 iOS中，渲染图片格式有4种

Alpha 8 Format:1字节显示1像素，擅长显示单色调的图片。
Luminance and alpha 8 format: 亮度和 alpha 8 格式，2字节显示1像素，擅长显示有透明度的单色调图片。
SRGB Format: 4个字节显示1像素。
Wide Format: 广色域格式，8个字节显示1像素。适用于高精度图片，

如何正确的选择渲染格式

正确的思路是：不选择渲染格式，让渲染格式选择你。

使用 UIGraphicsImageRender来替换UIGraphicsBeginImageContextWithOptions，前者在iOS12以后，会自动选择渲染格式，后者默认都会选择SRGB Format。

func render() -> UIImage{
   let bounds = CGRect(x: 0, y: 0, width: 300, height: 100)
   let render = UIGraphicsImageRenderer(size: bounds.size)
   let image = render.image { context in
       UIColor.blue.setFill()
           let path = UIBezierPath(roundedRect: bounds, byRoundingCorners: UIRectCorner.allCorners, cornerRadii: CGSize(width: 20, height: 20))
       path.addClip()
       UIRectFill(bounds)
    }
    return image
}

此时，系统为自动选择Alpha 8 Format格式，内容空间占用，将会减少75%。

减少后备存储器的使用

减少或者不使用 draw(rect:) 方法

在需要绘制带有子视图的View时，不使用 draw(rect:)方法，使用系统的View属性或者添加子视图的方式，将绘制工作交给系统来处理。

背景色直接通过UIView.backgroundColor设置，而非使用draw(rect:)

如何在列表中加载图片

我们在开发中，一般会对图片进行子线程异步加载，在后台进行解码和下采样。在列表中，有时会加载很多图片，此时应该注意线程爆炸问题。

线程爆炸

当我们要求系统去做比CPU能够做的工作更多的工作时就会发生这种情况，比如我们要显示8张图片，但我们只有两个CPU，就不能一次完成所有这些工作，无法在不存在的CPU上进行并行处理，为了避免向一个全局队列中异步的分配任务时发生死锁，GCD将创建新线程来捕捉我们要求它所做的工作，然后CPU将花费大量时间，在这些线程之间进行切换，尝试在所有工作上取得我们要求操作系统为我们做的渐进式进展，在这些线程之间不停切换，实际上是相当大的开销，现在不是简单地将工作分派到全局异步队列之一，而是创建一个串行队列，在预取的方法中，异步的将工作分派到该队列，它的确意味着单个图像的加载，可能要比以前晚才能开始取得进展，但CPU将花费更少的时间，在它可以做的小任务之间来回切换。

在SDWebImage中，解码的队列 _coderQueue.maxConcurrentOperationCount = 1就是一个串行队列。这样就很好的解决了多图片异步解码时，线程爆炸问题。

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