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Objective-C中的复杂动画实现与性能优化

2021-05-237.9k 阅读

Objective-C 中的复杂动画实现

基于 Core Animation 的复杂动画基础

Core Animation 是 iOS 和 macOS 开发中强大的动画框架，Objective-C 开发者通过它能够创建出极为复杂的动画效果。在 Core Animation 中，CALayer 是核心概念，几乎所有的视图都基于 CALayer 来呈现和处理动画。

首先，要创建一个简单的基于 CALayer 的动画，比如让一个视图在屏幕上做平移运动，可以这样写代码：

// 创建一个 CALayer
CALayer *myLayer = [CALayer layer];
myLayer.frame = CGRectMake(100, 100, 100, 100);
myLayer.backgroundColor = [UIColor redColor].CGColor;
[self.view.layer addSublayer:myLayer];

// 创建一个平移动画
CABasicAnimation *translationAnimation = [CABasicAnimation animationWithKeyPath:@"position"];
translationAnimation.toValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(300, 300)];
translationAnimation.duration = 2.0;
translationAnimation.autoreverses = YES;
translationAnimation.repeatCount = HUGE_VALF;

[myLayer addAnimation:translationAnimation forKey:@"translationAnimation"];

在上述代码中，我们首先创建了一个红色的正方形 CALayer，并将其添加到视图的 layer 上。然后，通过 CABasicAnimation 创建了一个平移动画，指定 position 作为关键路径，表示我们要改变的是 layer 的位置。toValue 设定了动画结束时的位置，duration 定义了动画时长，autoreverses 让动画结束后反向播放，repeatCount 设置为极大值表示无限循环。

关键帧动画实现复杂路径

当需要实现更加复杂的动画路径时，关键帧动画（CAKeyframeAnimation）就派上用场了。假设我们要让一个视图沿着一个不规则的路径移动，比如一个心形路径。

首先，我们需要定义心形路径。可以使用 UIBezierPath 来创建路径，然后将其应用到关键帧动画中：

// 创建一个 CALayer
CALayer *heartLayer = [CALayer layer];
heartLayer.frame = CGRectMake(100, 100, 50, 50);
heartLayer.backgroundColor = [UIColor blueColor].CGColor;
[self.view.layer addSublayer:heartLayer];

// 创建心形路径
UIBezierPath *heartPath = [UIBezierPath bezierPath];
CGFloat x = self.view.center.x;
CGFloat y = self.view.center.y;
[heartPath moveToPoint:CGPointMake(x, y - 50)];
[heartPath addQuadCurveToPoint:CGPointMake(x + 50, y) controlPoint:CGPointMake(x + 25, y - 75)];
[heartPath addQuadCurveToPoint:CGPointMake(x, y + 50) controlPoint:CGPointMake(x + 75, y)];
[heartPath addQuadCurveToPoint:CGPointMake(x - 50, y) controlPoint:CGPointMake(x, y + 75)];
[heartPath addQuadCurveToPoint:CGPointMake(x, y - 50) controlPoint:CGPointMake(x - 75, y)];

// 创建关键帧动画
CAKeyframeAnimation *pathAnimation = [CAKeyframeAnimation animationWithKeyPath:@"position"];
pathAnimation.path = heartPath.CGPath;
pathAnimation.duration = 5.0;
pathAnimation.autoreverses = YES;
pathAnimation.repeatCount = HUGE_VALF;

[heartLayer addAnimation:pathAnimation forKey:@"pathAnimation"];

在这段代码中，我们首先创建了一个蓝色的小方块 CALayer。接着，通过 UIBezierPath 构建了一个心形路径。然后，使用 CAKeyframeAnimation 创建动画，将心形路径设置为 path 属性。这样，蓝色方块就会沿着心形路径做往复运动。

组动画实现多动画协同

在实际应用中，常常需要多个动画协同工作，这就用到了组动画（CAAnimationGroup）。比如，我们想让一个视图在平移的同时进行旋转和缩放。

// 创建一个 CALayer
CALayer *groupLayer = [CALayer layer];
groupLayer.frame = CGRectMake(100, 100, 80, 80);
groupLayer.backgroundColor = [UIColor greenColor].CGColor;
[self.view.layer addSublayer:groupLayer];

// 创建平移动画
CABasicAnimation *translationGroupAnimation = [CABasicAnimation animationWithKeyPath:@"position"];
translationGroupAnimation.toValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(300, 300)];
translationGroupAnimation.duration = 3.0;

// 创建旋转动画
CABasicAnimation *rotationGroupAnimation = [CABasicAnimation animationWithKeyPath:@"transform.rotation.z"];
rotationGroupAnimation.toValue = @(M_PI * 2);
rotationGroupAnimation.duration = 3.0;

// 创建缩放动画
CABasicAnimation *scaleGroupAnimation = [CABasicAnimation animationWithKeyPath:@"transform.scale"];
scaleGroupAnimation.toValue = @(1.5);
scaleGroupAnimation.duration = 3.0;

// 创建组动画
CAAnimationGroup *groupAnimation = [CAAnimationGroup animation];
groupAnimation.animations = @[translationGroupAnimation, rotationGroupAnimation, scaleGroupAnimation];
groupAnimation.duration = 3.0;
groupAnimation.autoreverses = YES;
groupAnimation.repeatCount = HUGE_VALF;

[groupLayer addAnimation:groupAnimation forKey:@"groupAnimation"];

在上述代码中，我们创建了一个绿色的 CALayer。然后分别创建了平移、旋转和缩放动画。最后，将这三个动画添加到 CAAnimationGroup 中，使得绿色视图在移动的同时进行旋转和缩放，并且动画会自动反向播放和无限循环。

过渡动画的复杂应用

过渡动画在界面切换等场景中非常有用。在 Core Animation 中，可以通过 CATransition 来实现过渡动画。比如，我们要实现一个从一个视图切换到另一个视图的翻页效果。

// 创建两个视图
UIView *fromView = [[UIView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
fromView.backgroundColor = [UIColor yellowColor];
[self.view addSubview:fromView];

UIView *toView = [[UIView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
toView.backgroundColor = [UIColor purpleColor];

// 创建过渡动画
CATransition *transition = [CATransition animation];
transition.type = kCATransitionReveal;
transition.subtype = kCATransitionFromBottom;
transition.duration = 1.0;

[fromView.layer addAnimation:transition forKey:nil];
[UIView transitionFromView:fromView toView:toView duration:1.0 options:UIViewAnimationOptionTransitionNone completion:^(BOOL finished) {
    if (finished) {
        [fromView removeFromSuperview];
    }
}];

在这段代码中，我们首先创建了两个背景颜色不同的视图，黄色的 fromView 和紫色的 toView。然后，通过 CATransition 创建了一个从底部向上翻页的过渡动画。最后，使用 UIView 的 transitionFromView:toView:duration:options:completion: 方法来执行过渡动画，并在动画完成后将 fromView 从父视图中移除。

Objective-C 中复杂动画的性能优化

减少视图层级和透明视图

在复杂动画场景中，视图层级过多会严重影响性能。每一个视图及其 subviews 都会占用一定的内存和计算资源。例如，如果有一个多层嵌套的视图结构，其中包含大量透明视图，这会导致渲染时的合成操作变得非常复杂。

假设我们有一个视图结构如下：

UIView *parentView = [[UIView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
[self.view addSubview:parentView];

UIView *childView1 = [[UIView alloc] initWithFrame:CGRectMake(50, 50, 200, 200)];
childView1.backgroundColor = [UIColor clearColor];
[parentView addSubview:childView1];

UIView *childView2 = [[UIView alloc] initWithFrame:CGRectMake(100, 100, 100, 100)];
childView2.backgroundColor = [UIColor redColor];
[childView1 addSubview:childView2];

在这个例子中，childView1 是一个透明视图，它作为 childView2 的父视图。由于 childView1 是透明的，它在渲染时并没有实际的视觉贡献，但却增加了视图层级。这种情况下，可以直接将 childView2 添加到 parentView 上，减少一层视图层级。

UIView *parentView = [[UIView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
[self.view addSubview:parentView];

UIView *childView2 = [[UIView alloc] initWithFrame:CGRectMake(100, 100, 100, 100)];
childView2.backgroundColor = [UIColor redColor];
[parentView addSubview:childView2];

这样，不仅减少了内存占用，也降低了渲染时的复杂度，从而提升动画性能。

合理使用离屏渲染

离屏渲染是指在当前屏幕缓冲区之外开辟一个新的缓冲区进行渲染。在某些情况下，如使用圆角、阴影、遮罩等效果时，Core Animation 可能会自动触发离屏渲染。虽然离屏渲染可以实现一些特殊的视觉效果，但它对性能有较大影响。

以设置圆角为例，如果直接在视图上设置圆角：

UIView *roundedView = [[UIView alloc] initWithFrame:CGRectMake(100, 100, 150, 150)];
roundedView.backgroundColor = [UIColor blueColor];
roundedView.layer.cornerRadius = 75;
roundedView.layer.masksToBounds = YES;
[self.view addSubview:roundedView];

这种方式会触发离屏渲染，因为要对视图的边界进行裁剪以实现圆角效果。为了避免不必要的离屏渲染，可以通过使用贝塞尔路径来手动绘制圆角：

UIView *customRoundedView = [[UIView alloc] initWithFrame:CGRectMake(100, 100, 150, 150)];
customRoundedView.backgroundColor = [UIColor greenColor];
CAShapeLayer *maskLayer = [CAShapeLayer layer];
UIBezierPath *roundedPath = [UIBezierPath bezierPathWithRoundedRect:customRoundedView.bounds cornerRadius:75];
maskLayer.path = roundedPath.CGPath;
customRoundedView.layer.mask = maskLayer;
[self.view addSubview:customRoundedView];

通过这种方式，我们利用 CAShapeLayer 和 UIBezierPath 手动创建了一个遮罩，避免了直接设置 cornerRadius 和 masksToBounds 所带来的离屏渲染，从而提升性能。

优化动画帧率

动画帧率对于复杂动画的流畅度至关重要。在 iOS 中，屏幕的刷新率通常是 60Hz，即每秒 60 帧。如果动画帧率低于这个值，就会出现卡顿现象。

在 Objective-C 中，可以通过以下几种方式来优化动画帧率：

  1. 减少动画计算量：避免在动画过程中进行复杂的计算。例如，如果动画中需要实时计算某个视图的位置，尽量将计算结果提前缓存起来，而不是在每一帧都重新计算。
// 提前计算好位置数组
NSMutableArray<NSValue *> *positions = [NSMutableArray array];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    CGFloat x = self.view.center.x + i * 5;
    CGFloat y = self.view.center.y;
    [positions addObject:[NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(x, y)]];
}

// 创建关键帧动画
CAKeyframeAnimation *positionAnimation = [CAKeyframeAnimation animationWithKeyPath:@"position"];
positionAnimation.values = positions;
positionAnimation.duration = 5.0;
[myLayer addAnimation:positionAnimation forKey:@"positionAnimation"];

在这个例子中，我们提前计算好了一系列的位置，并将其存储在数组中，然后将这个数组作为关键帧动画的 values 属性，避免了在动画过程中实时计算位置，从而提高帧率。

  1. 使用 CADisplayLink：CADisplayLink 是一个能让我们以和屏幕刷新率同步的频率来执行任务的类。通过它，我们可以更精确地控制动画的更新频率。
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *displayLink;
@property (nonatomic, assign) CGFloat angle;
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    CALayer *rotatingLayer = [CALayer layer];
    rotatingLayer.frame = CGRectMake(100, 100, 80, 80);
    rotatingLayer.backgroundColor = [UIColor orangeColor].CGColor;
    [self.view.layer addSublayer:rotatingLayer];

    self.displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(updateRotation:)];
    [self.displayLink addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
    self.angle = 0;
}

- (void)updateRotation:(CADisplayLink *)displayLink {
    CALayer *layer = self.view.layer.sublayers[0];
    self.angle += M_PI / 180;
    layer.transform = CATransform3DMakeRotation(self.angle, 0, 0, 1);
}

@end

在上述代码中，我们通过 CADisplayLink 以屏幕刷新率的频率来更新视图的旋转角度，保证了动画的流畅性。

预渲染和缓存动画帧

对于一些复杂且固定的动画，可以采用预渲染和缓存动画帧的方式来提升性能。例如，制作一个复杂的精灵动画，我们可以提前将每一帧渲染出来并缓存，然后在动画播放时直接使用缓存的帧。

首先，需要将每一帧渲染为图片并保存到数组中：

NSMutableArray<UIImage *> *frames = [NSMutableArray array];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    UIView *frameView = [[UIView alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, 100, 100)];
    // 在 frameView 上绘制不同的内容，模拟不同帧
    UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(frameView.bounds.size, NO, 0.0);
    [frameView.layer renderInContext:UIGraphicsGetCurrentContext()];
    UIImage *frameImage = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
    UIGraphicsEndImageContext();
    [frames addObject:frameImage];
}

然后，在动画播放时使用这些缓存的帧：

UIImageView *animationImageView = [[UIImageView alloc] initWithFrame:CGRectMake(100, 100, 100, 100)];
animationImageView.animationImages = frames;
animationImageView.animationDuration = 2.0;
animationImageView.animationRepeatCount = HUGE_VALF;
[self.view addSubview:animationImageView];
[animationImageView startAnimating];

通过预渲染和缓存动画帧，减少了在动画播放过程中的实时渲染开销，提高了动画的性能和流畅度。

优化内存使用

在复杂动画中，内存管理不当会导致性能问题甚至应用崩溃。要注意及时释放不再使用的资源。例如，当一个动画结束后，如果相关的动画对象不再需要，应该及时释放。

// 动画结束时的代理方法
- (void)animationDidStop:(CAAnimation *)anim finished:(BOOL)flag {
    if (flag) {
        // 释放动画对象
        [anim removeFromLayer:self.view.layer];
        anim = nil;
    }
}

另外，在使用大量图片等资源进行动画时，要注意图片的加载和释放策略。可以采用按需加载的方式，只在需要显示某一帧图片时才加载，并且在图片不再显示时及时释放内存。

// 按需加载图片
- (UIImage *)loadImageAtIndex:(NSUInteger)index {
    NSString *imageName = [NSString stringWithFormat:@"frame_%lu", (unsigned long)index];
    UIImage *image = [UIImage imageNamed:imageName];
    return image;
}

// 释放不再使用的图片
- (void)releaseUnusedImages {
    // 这里可以根据实际情况实现图片的释放逻辑，比如通过 LRU 算法管理图片缓存
}

通过合理的内存管理，避免内存泄漏和过度占用，确保复杂动画在运行过程中的性能稳定。

利用 GPU 加速

现代移动设备的 GPU（图形处理器）在图形渲染方面具有强大的能力。在 Objective-C 开发中，可以通过一些方式来利用 GPU 加速动画。

Core Animation 本身就对 GPU 进行了很好的支持，例如，将一些复杂的渲染任务交给 CALayer 来处理，CALayer 会自动利用 GPU 进行加速。

// 创建一个复杂的图形 CALayer
CAShapeLayer *complexShapeLayer = [CAShapeLayer layer];
UIBezierPath *complexPath = [UIBezierPath bezierPath];
// 添加复杂的路径绘制逻辑
[complexPath moveToPoint:CGPointMake(100, 100)];
[complexPath addLineToPoint:CGPointMake(200, 150)];
[complexPath addCurveToPoint:CGPointMake(150, 200) controlPoint1:CGPointMake(180, 180) controlPoint2:CGPointMake(130, 180)];
complexShapeLayer.path = complexPath.CGPath;
complexShapeLayer.fillColor = [UIColor magentaColor].CGColor;
[self.view.layer addSublayer:complexShapeLayer];

在这个例子中，通过 CAShapeLayer 创建了一个复杂的图形，Core Animation 会利用 GPU 来加速这个图形的渲染和可能的动画效果，提升性能。

此外，对于一些自定义的图形渲染任务，可以使用 OpenGL ES 等图形库，直接与 GPU 进行交互，进一步提升动画性能。不过，使用 OpenGL ES 需要较高的图形编程知识和技巧。

// 简单的 OpenGL ES 初始化代码示例
EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES2];
if (!context) {
    NSLog(@"Failed to create ES context");
}
[EAGLContext setCurrentContext:context];

GLuint vertexArrayObject;
glGenVertexArraysOES(1, &vertexArrayObject);
glBindVertexArrayOES(vertexArrayObject);

通过 OpenGL ES，可以更精细地控制图形渲染过程，利用 GPU 的并行计算能力，为复杂动画提供更高效的渲染支持。但要注意，使用 OpenGL ES 会增加开发的复杂度，需要仔细处理内存管理、渲染状态等问题。

性能分析工具的使用

在优化复杂动画性能时，性能分析工具是必不可少的。Xcode 提供了强大的性能分析工具，如 Instruments。

  1. Time Profiler：可以用来分析应用程序的 CPU 使用情况。通过它可以找出哪些函数或方法在动画过程中占用了大量的 CPU 时间。

在 Xcode 中，选择 Product -> Profile，然后在 Instruments 中选择 Time Profiler。运行动画后，Time Profiler 会生成详细的 CPU 使用报告。可以在报告中查看各个函数的执行时间和调用次数，从而定位性能瓶颈。

  1. Core Animation Instrument：专门用于分析 Core Animation 的性能。它可以显示动画的帧率、离屏渲染情况、视图的合成过程等信息。

同样在 Instruments 中选择 Core Animation，运行动画后，可以从其界面中直观地看到动画帧率是否稳定，是否存在大量的离屏渲染等问题。根据这些信息，可以针对性地进行优化。

  1. Memory Profiler：用于分析应用程序的内存使用情况。在复杂动画中，内存泄漏和过度占用内存会严重影响性能。

通过 Memory Profiler，可以实时监控内存的使用量，查看对象的创建和销毁情况，找出内存泄漏的源头，并优化内存使用策略。

通过合理使用这些性能分析工具，能够更准确地发现复杂动画中的性能问题，并采取有效的优化措施，提升应用的整体性能和用户体验。