说到图像渲染，那么先提一下CPU和GPU
- CPU（Central Processing Unit）：现代计算机的三大核心部分之一，作为整个系统的运算和控制单元。CPU 内部的流水线结构使其拥有一定程度的并行计算能力。
- GPU（Graphics Processing Unit）：一种可进行绘图运算工作的专用微处理器。GPU 能够生成 2D/3D 的图形图像和视频，从而能够支持基于窗口的操作系统、图形用户界面、视频游戏、可视化图像应用和视频播放。GPU 具有非常强的并行计算能力。
使用 GPU 渲染图形的根本原因就是：速度。GPU 的并行计算能力使其能够快速将图形结果计算出来并在屏幕的所有像素中进行显示。
iOS 图形渲染技术栈
下图所示为 iOS App 的图形渲染技术栈，App 使用 Core Graphics、Core Animation、Core Image 等框架来绘制可视化内容，这些软件框架相互之间也有着依赖关系。这些框架都需要通过 OpenGL 来调用 GPU 进行绘制，最终将内容显示到屏幕之上。
iOS渲染过程.jpg
通常来说，计算机系统中 CPU、GPU、显示器是以上面这种方式协同工作的。CPU 计算好显示内容提交到 GPU，GPU 渲染完成后将渲染结果放入帧缓冲区，随后视频控制器会按照 VSync 信号如下图所示，逐行读取帧缓冲区的数据，经过可能的数模转换传递给显示器显示。
在 VSync 信号到来后，系统图形服务会通过 CADisplayLink 等机制通知 App，App 主线程开始在 CPU 中计算显示内容，比如视图的创建、布局计算、图片解码、文本绘制等。随后 CPU 会将计算好的内容提交到 GPU 去，由 GPU 进行变换、合成、渲染。随后 GPU 会把渲染结果提交到帧缓冲区去，等待下一次 VSync 信号到来时显示到屏幕上。由于垂直同步的机制，如果在一个 VSync 时间内，CPU 或者 GPU 没有完成内容提交，则那一帧就会被丢弃，等待下一次机会再显示，而这时显示屏会保留之前的内容不变。这就是界面卡顿的原因。从上图中可以看到，CPU 和 GPU 不论哪个阻碍了显示流程，都会造成掉帧现象。所以开发时，也需要分别对 CPU 和 GPU 压力进行评估和优化。
垂直同步到图像.jpg
iOS 的显示系统是由 VSync 信号驱动的，VSync 信号由硬件时钟生成，每秒钟发出 60 次（这个值取决设备硬件，比如 iPhone 真机上通常是 59.97）。iOS 图形服务接收到 VSync 信号后，会通过 IPC 通知到 App 内。App 的 Runloop 在启动后会注册对应的 CFRunLoopSource 通过 mach_port 接收传过来的时钟信号通知，随后 Source 的回调会驱动整个 App 的动画与显示。
Core Animation 在 RunLoop 中注册了一个 Observer，监听了 BeforeWaiting 和 Exit 事件。当一个触摸事件到来时，RunLoop 被唤醒，App 中的代码会执行一些操作，比如创建和调整视图层级、设置 UIView 的 frame、修改 CALayer 的透明度、为视图添加一个动画；这些操作最终都会被 CALayer 标记，并通过 CATransaction 提交到一个中间状态去。当上面所有操作结束后，RunLoop 即将进入休眠（或者退出）时，关注该事件的 Observer 都会得到通知。这时 Core Animation 注册的那个 Observer 就会在回调中，把所有的中间状态合并提交到 GPU 去显示；如果此处有动画，通过 DisplayLink 稳定的刷新机制会不断的唤醒runloop，使得不断的有机会触发observer回调，从而根据时间来不断更新这个动画的属性值并绘制出来。
为了不阻塞主线程，Core Animation 的核心是 OpenGL ES 的一个抽象物，所以大部分的渲染是直接提交给GPU来处理。 而Core Graphics/Quartz 2D的大部分绘制操作都是在主线程和CPU上同步完成的，比如自定义UIView的drawRect里用CGContext来画图。
渲染时机
上面已经提到过：Core Animation 在 RunLoop 中注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting(即将进入休眠) 和 Exit (即将退出Loop) 事件 。当在操作 UI 时，比如改变了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的层次时，或者手动调用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法后，这个 UIView/CALayer 就被标记为待处理，并被提交到一个全局的容器去。当Oberver监听的事件到来时，回调执行函数中会遍历所有待处理的UIView/CAlayer 以执行实际的绘制和调整，并更新 UI 界面。
GPU 图形渲染流水线
GPU 图形渲染流水线的主要工作可以被划分为两个部分：
- 把 3D 坐标转换为 2D 坐标
- 把 2D 坐标转变为实际的有颜色的像素
第一阶段，顶点着色器。该阶段的输入是 顶点数据（Vertex Data） 数据，比如以数组的形式传递 3 个 3D 坐标用来表示一个三角形。顶点数据是一系列顶点的集合。顶点着色器主要的目的是把 3D 坐标转为另一种 3D 坐标，同时顶点着色器可以对顶点属性进行一些基本处理。
第二阶段，形状（图元）装配。该阶段将顶点着色器输出的所有顶点作为输入，并将所有的点装配成指定图元的形状。图中则是一个三角形。图元（Primitive） 用于表示如何渲染顶点数据，如：点、线、三角形。
第三阶段，几何着色器。该阶段把图元形式的一系列顶点的集合作为输入，它可以通过产生新顶点构造出新的（或是其它的）图元来生成其他形状。例子中，它生成了另一个三角形。
第四阶段，光栅化。该阶段会把图元映射为最终屏幕上相应的像素，生成片段。片段（Fragment） 是渲染一个像素所需要的所有数据。
第五阶段，片段着色器。该阶段首先会对输入的片段进行 裁切（Clipping）。裁切会丢弃超出视图以外的所有像素，用来提升执行效率。
第六阶段，测试与混合。该阶段会检测片段的对应的深度值（z 坐标），判断这个像素位于其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。此外，该阶段还会检查 alpha 值（ alpha 值定义了一个物体的透明度），从而对物体进行混合。因此，即使在片段着色器中计算出来了一个像素输出的颜色，在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同。
