FastImageCache是Path團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)源庫(kù)，用于提升圖片的加載和渲染速度，讓基于圖片的列表滑動(dòng)起來(lái)更順暢，來(lái)看看它是怎么做的。

優(yōu)化點(diǎn)

iOS從磁盤加載一張圖片，使用UIImageVIew顯示在屏幕上，需要經(jīng)過(guò)以下步驟：

從磁盤拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)

從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制數(shù)據(jù)到用戶空間

生成UIImageView，把圖像數(shù)據(jù)賦值給UIImageView

如果圖像數(shù)據(jù)為未解碼的PNG/JPG，解碼為位圖數(shù)據(jù)

CATransaction捕獲到UIImageView layer樹(shù)的變化

主線程Runloop提交CATransaction，開(kāi)始進(jìn)行圖像渲染

? ?6.1 如果數(shù)據(jù)沒(méi)有字節(jié)對(duì)齊，Core Animation會(huì)再拷貝一份數(shù)據(jù)，進(jìn)行字節(jié)對(duì)齊。

? ?6.2 GPU處理位圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行渲染。

FastImageCache分別優(yōu)化了2,4,6.1三個(gè)步驟：

使用mmap內(nèi)存映射，省去了上述第2步數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間的操作。

緩存解碼后的位圖數(shù)據(jù)到磁盤，下次從磁盤讀取時(shí)省去第4步解碼的操作。

生成字節(jié)對(duì)齊的數(shù)據(jù)，防止上述第6.1步CoreAnimation在渲染時(shí)再拷貝一份數(shù)據(jù)。

接下來(lái)具體介紹這三個(gè)優(yōu)化點(diǎn)以及它的實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)存映射

平常我們讀取磁盤上的一個(gè)文件，上層API調(diào)用到最后會(huì)使用系統(tǒng)方法read()讀取數(shù)據(jù)，內(nèi)核把磁盤數(shù)據(jù)讀入內(nèi)核緩沖區(qū)，用戶再?gòu)膬?nèi)核緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶內(nèi)存空間，這里有一次內(nèi)存拷貝的時(shí)間消耗，并且讀取后整個(gè)文件數(shù)據(jù)就已經(jīng)存在于用戶內(nèi)存中，占用了進(jìn)程的內(nèi)存空間。

FastImageCache采用了另一種讀寫文件的方法，就是用mmap把文件映射到用戶空間里的虛擬內(nèi)存，文件中的位置在虛擬內(nèi)存中有了對(duì)應(yīng)的地址，可以像操作內(nèi)存一樣操作這個(gè)文件，相當(dāng)于已經(jīng)把整個(gè)文件放入內(nèi)存，但在真正使用到這些數(shù)據(jù)前卻不會(huì)消耗物理內(nèi)存，也不會(huì)有讀寫磁盤的操作，只有真正使用這些數(shù)據(jù)時(shí)，也就是圖像準(zhǔn)備渲染在屏幕上時(shí)，虛擬內(nèi)存管理系統(tǒng)VMS才根據(jù)缺頁(yè)加載的機(jī)制從磁盤加載對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊到物理內(nèi)存，再進(jìn)行渲染。這樣的文件讀寫文件方式少了數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存到用戶空間的拷貝，效率很高。

解碼圖像

一般我們使用的圖像是JPG/PNG，這些圖像數(shù)據(jù)不是位圖，而是是經(jīng)過(guò)編碼壓縮后的數(shù)據(jù)，使用它渲染到屏幕之前需要進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)成位圖數(shù)據(jù)，這個(gè)解碼操作是比較耗時(shí)的，并且沒(méi)有GPU硬解碼，只能通過(guò)CPU，iOS默認(rèn)會(huì)在主線程對(duì)圖像進(jìn)行解碼。很多庫(kù)都解決了圖像解碼的問(wèn)題，不過(guò)由于解碼后的圖像太大，一般不會(huì)緩存到磁盤，SDWebImage的做法是把解碼操作從主線程移到子線程，讓耗時(shí)的解碼操作不占用主線程的時(shí)間。

FastImageCache也是在子線程解碼圖像，不同的是它會(huì)緩存解碼后的圖像到磁盤。因?yàn)榻獯a后的圖像體積很大，F(xiàn)astImageCache對(duì)這些圖像數(shù)據(jù)做了系列緩存管理，詳見(jiàn)下文實(shí)現(xiàn)部分。另外緩存的圖像體積大也是使用內(nèi)存映射讀取文件的原因，小文件使用內(nèi)存映射無(wú)優(yōu)勢(shì)，內(nèi)存拷貝的量少，拷貝后占用用戶內(nèi)存也不高，文件越大內(nèi)存映射優(yōu)勢(shì)越大。

字節(jié)對(duì)齊

Core Animation在圖像數(shù)據(jù)非字節(jié)對(duì)齊的情況下渲染前會(huì)先拷貝一份圖像數(shù)據(jù)，官方文檔沒(méi)有對(duì)這次拷貝行為作說(shuō)明，模擬器和Instrument里有高亮顯示“copied images”的功能，但似乎它有bug，即使某張圖片沒(méi)有被高亮顯示出渲染時(shí)被copy，從調(diào)用堆棧上也還是能看到調(diào)用了CA::Render::copy_image方法：

fastImageCache1.png

那什么是字節(jié)對(duì)齊呢，按我的理解，為了性能，底層渲染圖像時(shí)不是一個(gè)像素一個(gè)像素渲染，而是一塊一塊渲染，數(shù)據(jù)是一塊塊地取，就可能遇到這一塊連續(xù)的內(nèi)存數(shù)據(jù)里結(jié)尾的數(shù)據(jù)不是圖像的內(nèi)容，是內(nèi)存里其他的數(shù)據(jù)，可能越界讀取導(dǎo)致一些奇怪的東西混入，所以在渲染之前CoreAnimation要把數(shù)據(jù)拷貝一份進(jìn)行處理，確保每一塊都是圖像數(shù)據(jù)，對(duì)于不足一塊的數(shù)據(jù)置空。大致圖示：(pixel是圖像像素?cái)?shù)據(jù)，data是內(nèi)存里其他數(shù)據(jù))

fastImageCache2.png

塊的大小應(yīng)該是跟CPU cache line有關(guān)，ARMv7是32byte，A9是64byte，在A9下CoreAnimation應(yīng)該是按64byte作為一塊數(shù)據(jù)去讀取和渲染，讓圖像數(shù)據(jù)對(duì)齊64byte就可以避免CoreAnimation再拷貝一份數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)。FastImageCache做的字節(jié)對(duì)齊就是這個(gè)事情。

實(shí)現(xiàn)

FastImageCache把同個(gè)類型和尺寸的圖像都放在一個(gè)文件里，根據(jù)文件偏移取單張圖片，類似web的css雪碧圖，這里稱為ImageTable。這樣做主要是為了方便統(tǒng)一管理圖片緩存，控制緩存的大小，整個(gè)FastImageCache就是在管理一個(gè)個(gè)ImageTable的數(shù)據(jù)。整體實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖：

fastImageCache3.png

一些補(bǔ)充和說(shuō)明：

ImageTable

一個(gè)ImageFormat對(duì)應(yīng)一個(gè)ImageTable，ImageFormat指定了ImageTable里圖像渲染格式/大小等信息，ImageTable里的圖像數(shù)據(jù)都由ImageFormat規(guī)定了統(tǒng)一的尺寸，每張圖像大小都是一樣的。

一個(gè)ImageTable一個(gè)實(shí)體文件，并有另一個(gè)文件保存這個(gè)ImageTable的meta信息。

圖像使用entityUUID作為唯一標(biāo)示符，由用戶定義，通常是圖像url的hash值。ImageTable Meta的indexMap記錄了entityUUID->entryIndex的映射，通過(guò)indexMap就可以用圖像的entityUUID找到緩存數(shù)據(jù)在ImageTable對(duì)應(yīng)的位置。

ImageTableEntry

ImageTable的實(shí)體數(shù)據(jù)是ImageTableEntry，每個(gè)entry有兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，一部分是對(duì)齊后的圖像數(shù)據(jù)，另一部分是meta信息，meta保存這張圖像的UUID和原圖UUID，用于校驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)的正確性。

Entry數(shù)據(jù)是按內(nèi)存分頁(yè)大小對(duì)齊的，數(shù)據(jù)大小是內(nèi)存分頁(yè)大小的整數(shù)倍，這樣可以保證虛擬內(nèi)存缺頁(yè)加載時(shí)使用最少的內(nèi)存頁(yè)加載一張圖像。

圖像數(shù)據(jù)做了字節(jié)對(duì)齊處理，CoreAnimation使用時(shí)無(wú)需再處理拷貝。具體做法是CGBitmapContextCreate創(chuàng)建位圖畫布時(shí)bytesPerRow參數(shù)傳64倍數(shù)。

Chunk

ImageTable和實(shí)體數(shù)據(jù)Entry間多了層Chunk，Chunk是邏輯上的數(shù)據(jù)劃分，N個(gè)Entry作為一個(gè)Chunk，內(nèi)存映射mmap操作是以chunk為單位的，每一個(gè)chunk執(zhí)行一次mmap把這個(gè)chunk的內(nèi)容映射到虛擬內(nèi)存。為什么要多一層chunk呢，按我的理解，這樣做是為了靈活控制mmap的大小和調(diào)用次數(shù)，若對(duì)整個(gè)ImageTable執(zhí)行mmap，載入虛擬內(nèi)存的文件過(guò)大，若對(duì)每個(gè)Entry做mmap，調(diào)用次數(shù)會(huì)太多。

緩存管理

用戶可以定義整個(gè)ImageTable里最大緩存的圖像數(shù)量，在有新圖像需要緩存時(shí)，如果緩存沒(méi)有超過(guò)限制，會(huì)以chunk為單位擴(kuò)展文件大小，順序?qū)懴氯ァＨ绻殉^(guò)最大緩存限制，會(huì)把最少使用的緩存替換掉，實(shí)現(xiàn)方法是每次使用圖像都會(huì)把UUID插入到MRUEntries數(shù)組的開(kāi)頭，MRUEntries按最近使用順序排列了圖像UUID，數(shù)組里最后一個(gè)圖像就是最少使用的。被替換掉的圖片下次需要再使用時(shí)，再走一次取原圖—解壓—存儲(chǔ)的流程。

使用

FastImageCache適合用于tableView里緩存每個(gè)cell上同樣規(guī)格的圖像，優(yōu)點(diǎn)是能極大加快第一次從磁盤加載這些圖像的速度。但它有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：一是占空間大。因?yàn)榫彺媪私獯a后的位圖到磁盤，位圖是很大的，寬高100*100的圖像在2x的高清屏設(shè)備下就需要200*200*4byte/pixel=156KB，這也是為什么FastImageCache要大費(fèi)周章限制緩存大小。二是接口不友好，需預(yù)定義好緩存的圖像尺寸。FastImageCache無(wú)法像SDWebImage那樣無(wú)縫接入U(xiǎn)IImageView，使用它需要配置ImageTable，定義好尺寸，手動(dòng)提供的原圖，每種實(shí)體圖像要定義一個(gè)FICEntity模型，使邏輯變復(fù)雜。

FastImageCache已經(jīng)屬于極限優(yōu)化，做圖像加載/渲染優(yōu)化時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮一些低代價(jià)高回報(bào)的優(yōu)化點(diǎn)，例如CALayer代替UIImageVIew，減少GPU計(jì)算（去透明/像素對(duì)齊），圖像子線程解碼，避免Offscreen-Render等。在其他優(yōu)化都做到位，圖像的渲染還是有性能問(wèn)題的前提下才考慮使用FastImageCache進(jìn)一步提升首次加載的性能，不過(guò)字節(jié)對(duì)齊的優(yōu)化倒是可以脫離FastImageCache直接運(yùn)用在項(xiàng)目上，只需要在解碼圖像時(shí)bitmap畫布的bytesPerRow設(shè)為64的倍數(shù)即可。

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