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.

• https://github.com/SDWebImage/SDWebImage （本地下载）
• https://github.com/ibireme/YYImage （本地下载）

总结