iOS 核心动画高级技巧 - 1

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1. 图层树

图层的树状结构

巨妖有图层,洋葱也有图层,你有吗?我们都有图层 -- 史莱克

Core Animation其实是一个令人误解的命名。你可能认为它只是用来做动画的,但实际上它是从一个叫做Layer Kit这么一个不怎么和动画有关的名字演变而来,所以做动画这只是Core Animation特性的冰山一角。

Core Animation是一个复合引擎,它的职责就是尽可能快地组合屏幕上不同的可视内容,这个内容是被分解成独立的图层,存储在一个叫做图层树的体系之中。于是这个树形成了UIKit以及在iOS应用程序当中你所能在屏幕上看见的一切的基础。

在我们讨论动画之前,我们将从图层树开始,涉及一下Core Animation的静态组合以及布局特性。

1.1 图层与视图

图层与视图

如果你曾经在iOS或者Mac OS平台上写过应用程序,你可能会对视图的概念比较熟悉。一个视图就是在屏幕上显示的一个矩形块(比如图片,文字或者视频),它能够拦截类似于鼠标点击或者触摸手势等用户输入。视图在层级关系中可以互相嵌套,一个视图可以管理它的所有子视图的位置。图1.1显示了一种典型的视图层级关系

1.2 图层的能力

图层的能力

如果说CALayer是UIView内部实现细节,那我们为什么要全面地了解它呢?苹果当然为我们提供了优美简洁的UIView接口,那么我们是否就没必要直接去处理Core Animation的细节了呢?

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某种意义上说的确是这样,对一些简单的需求来说,我们确实没必要处理CALayer,因为苹果已经通过UIView的高级API间接地使得动画变得很简单。

但是这种简单会不可避免地带来一些灵活上的缺陷。如果你略微想在底层做一些改变,或者使用一些苹果没有在UIView上实现的接口功能,这时除了介入Core Animation底层之外别无选择。

我们已经证实了图层不能像视图那样处理触摸事件,那么他能做哪些视图不能做的呢?这里有一些UIView没有暴露出来的CALayer的功能:

  • 阴影,圆角,带颜色的边框
  • 3D变换
  • 非矩形范围
  • 透明遮罩
  • 多级非线性动画

我们将会在后续章节中探索这些功能,首先我们要关注一下在应用程序当中CALayer是怎样被利用起来的。

1.3 使用图层

使用图层

首先我们来创建一个简单的项目,来操纵一些layer的属性。打开Xcode,使用Single View Application模板创建一个工程。

在屏幕中央创建一个小视图(大约200 X 200的尺寸),当然你可以手工编码,或者使用Interface Builder(随你方便)。确保你的视图控制器要添加一个视图的属性以便可以直接访问它。我们把它称作layerView。

运行项目,应该能在浅灰色屏幕背景中看见一个白色方块,如果没看见,可能需要调整一下背景window或者view的颜色

之后就可以在代码中直接引用CALayer的属性和方法。在清单1.1中,我们用创建了一个CALayer,设置了它的backgroundColor属性,然后添加到layerView背后相关图层的子图层(这段代码的前提是通过IB创建了layerView并做好了连接),图1.5显示了结果。

清单1.1 给视图添加一个蓝色子图层

#import "ViewController.h"
#import 
@interface ViewController ()

@property (nonatomic, weak) IBOutlet UIView *layerView;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    //create sublayer
    CALayer *blueLayer = [CALayer layer];
    blueLayer.frame = CGRectMake(50.0f, 50.0f, 100.0f, 100.0f);
    blueLayer.backgroundColor = [UIColor blueColor].CGColor;
    //add it to our view
    [self.layerView.layer addSublayer:blueLayer];
}
@end

1.4 总结

总结

这一章阐述了图层的树状结构,说明了如何在iOS中由UIView的层级关系形成的一种平行的CALayer层级关系,在后面的实验中,我们创建了自己的CALayer,并把它添加到图层树中。

在第二章,“图层关联的图片”,我们将要研究一下CALayer关联的图片,以及Core Animation提供的操作显示的一些特性。

2. 寄宿图

寄宿图

图片胜过千言万语,界面抵得上千图片 ——Ben Shneiderman

我们在第一章『图层树』中介绍了CALayer类并创建了一个简单的有蓝色背景的图层。背景颜色还好啦,但是如果它仅仅是展现了一个单调的颜色未免也太无聊了。事实上CALayer类能够包含一张你喜欢的图片,这一章节我们将来探索CALayer的寄宿图(即图层中包含的图)。

2.1 contents属性

contents属性

CALayer 有一个属性叫做contents,这个属性的类型被定义为id,意味着它可以是任何类型的对象。在这种情况下,你可以给contents属性赋任何值,你的app仍然能够编译通过。但是,在实践中,如果你给contents赋的不是CGImage,那么你得到的图层将是空白的。

contents这个奇怪的表现是由Mac OS的历史原因造成的。它之所以被定义为id类型,是因为在Mac OS系统上,这个属性对CGImage和NSImage类型的值都起作用。如果你试图在iOS平台上将UIImage的值赋给它,只能得到一个空白的图层。一些初识Core Animation的iOS开发者可能会对这个感到困惑。

头疼的不仅仅是我们刚才提到的这个问题。事实上,你真正要赋值的类型应该是CGImageRef,它是一个指向CGImage结构的指针。UIImage有一个CGImage属性,它返回一个"CGImageRef",如果你想把这个值直接赋值给CALayer的contents,那你将会得到一个编译错误。因为CGImageRef并不是一个真正的Cocoa对象,而是一个Core Foundation类型。

尽管Core Foundation类型跟Cocoa对象在运行时貌似很像(被称作toll-free bridging),他们并不是类型兼容的,不过你可以通过bridged关键字转换。如果要给图层的寄宿图赋值,你可以按照以下这个方法:

layer.contents = (__bridge id)image.CGImage;

如果你没有使用ARC(自动引用计数),你就不需要 __bridge 这部分。但是,你干嘛不用ARC?!

让我们来继续修改我们在第一章新建的工程,以便能够展示一张图片而不仅仅是一个背景色。我们已经用代码的方式建立一个图层,那我们就不需要额外的图层了。那么我们就直接把layerView的宿主图层的contents属性设置成图片。

清单2.1 更新后的代码。

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
  [super viewDidLoad]; //load an image
  UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"Snowman.png"];

  //add it directly to our view's layer
  self.layerView.layer.contents = (__bridge id)image.CGImage;
}
@end

图表2.1 在UIView的宿主图层中显示一张图片

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我们用这些简单的代码做了一件很有趣的事情:我们利用CALayer在一个普通的UIView中显示了一张图片。这不是一个UIImageView,它不是我们通常用来展示图片的方法。通过直接操作图层,我们使用了一些新的函数,使得UIView更加有趣了。

contentGravity

你可能已经注意到了我们的雪人看起来有点。。。胖 ==! 我们加载的图片并不刚好是一个方的,为了适应这个视图,它有一点点被拉伸了。在使用UIImageView的时候遇到过同样的问题,解决方法就是把contentMode属性设置成更合适的值,像这样:

view.contentMode = UIViewContentModeScaleAspectFit;

这个方法基本和我们遇到的情况的解决方法已经接近了(你可以试一下 :) ),不过UIView大多数视觉相关的属性比如contentMode,对这些属性的操作其实是对对应图层的操作。

CALayer与contentMode对应的属性叫做contentsGravity,但是它是一个NSString类型,而不是像对应的UIKit部分,那里面的值是枚举。contentsGravity可选的常量值有以下一些:

  • kCAGravityCenter
  • kCAGravityTop
  • kCAGravityBottom
  • kCAGravityLeft
  • kCAGravityRight
  • kCAGravityTopLeft
  • kCAGravityTopRight
  • kCAGravityBottomLeft
  • kCAGravityBottomRight
  • kCAGravityResize
  • kCAGravityResizeAspect
  • kCAGravityResizeAspectFill

cotentMode一样,contentsGravity的目的是为了决定内容在图层的边界中怎么对齐,我们将使用kCAGravityResizeAspect,它的效果等同于UIViewContentModeScaleAspectFit, 同时它还能在图层中等比例拉伸以适应图层的边界。

self.layerView.layer.contentsGravity = kCAGravityResizeAspect;

图2.2 可以看到结果

图2.3 用错误的contentsScale属性显示Retina图片

如你所见,我们的雪人不仅有点大还有点像素的颗粒感。那是因为和UIImage不同,CGImage没有拉伸的概念。当我们使用UIImage类去读取我们的雪人图片的时候,他读取了高质量的Retina版本的图片。但是当我们用CGImage来设置我们的图层的内容时,拉伸这个因素在转换的时候就丢失了。不过我们可以通过手动设置contentsScale来修复这个问题(如2.2清单),图2.4是结果

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
  [super viewDidLoad]; //load an image
  UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"Snowman.png"]; //add it directly to our view's layer
  self.layerView.layer.contents = (__bridge id)image.CGImage; //center the image
  self.layerView.layer.contentsGravity = kCAGravityCenter;

  //set the contentsScale to match image
  self.layerView.layer.contentsScale = image.scale;
}

@end

图2.5 使用masksToBounds来修建图层内容

contentsRect

CALayer的contentsRect属性允许我们在图层边框里显示寄宿图的一个子域。这涉及到图片是如何显示和拉伸的,所以要比contentsGravity灵活多了和boundsframe不同,contentsRect不是按点来计算的,它使用了单位坐标,单位坐标指定在0到1之间,是一个相对值(像素和点就是绝对值)。所以他们是相对与寄宿图的尺寸的。iOS使用了以下的坐标系统:

  • 点 —— 在iOS和Mac OS中最常见的坐标体系。点就像是虚拟的像素,也被称作逻辑像素。在标准设备上,一个点就是一个像素,但是在Retina设备上,一个点等于2*2个像素。iOS用点作为屏幕的坐标测算体系就是为了在Retina设备和普通设备上能有一致的视觉效果。
  • 像素 —— 物理像素坐标并不会用来屏幕布局,但是仍然与图片有相对关系。UIImage是一个屏幕分辨率解决方案,所以指定点来度量大小。但是一些底层的图片表示如CGImage就会使用像素,所以你要清楚在Retina设备和普通设备上,他们表现出来了不同的大小。
  • 单位 —— 对于与图片大小或是图层边界相关的显示,单位坐标是一个方便的度量方式, 当大小改变的时候,也不需要再次调整。单位坐标在OpenGL这种纹理坐标系统中用得很多,Core Animation中也用到了单位坐标。

默认的contentsRect是{0, 0, 1, 1},这意味着整个寄宿图默认都是可见的,如果我们指定一个小一点的矩形,图片就会被裁剪(如图2.6)

2.2 Custom Drawing

Custom Drawing

contents赋CGImage的值不是唯一的设置寄宿图的方法。我们也可以直接用Core Graphics直接绘制寄宿图。能够通过继承UIView并实现-drawRect:方法来自定义绘制。

-drawRect: 方法没有默认的实现,因为对UIView来说,寄宿图并不是必须的,它不在意那到底是单调的颜色还是有一个图片的实例。如果UIView检测到-drawRect:方法被调用了,它就会为视图分配一个寄宿图,这个寄宿图的像素尺寸等于视图大小乘以 contentsScale的值。

如果你不需要寄宿图,那就不要创建这个方法了,这会造成CPU资源和内存的浪费,这也是为什么苹果建议:如果没有自定义绘制的任务就不要在子类中写一个空的-drawRect:方法。

当视图在屏幕上出现的时候 -drawRect:方法就会被自动调用。-drawRect:方法里面的代码利用Core Graphics去绘制一个寄宿图,然后内容就会被缓存起来直到它需要被更新(通常是因为开发者调用了-setNeedsDisplay方法,尽管影响到表现效果的属性值被更改时,一些视图类型会被自动重绘,如bounds属性)。虽然-drawRect:方法是一个UIView方法,事实上都是底层的CALayer安排了重绘工作和保存了因此产生的图片。

CALayer有一个可选的delegate属性,实现了CALayerDelegate协议,当CALayer需要一个内容特定的信息时,就会从协议中请求。CALayerDelegate是一个非正式协议,其实就是说没有CALayerDelegate @protocol可以让你在类里面引用啦。你只需要调用你想调用的方法,CALayer会帮你做剩下的。(delegate属性被声明为id类型,所有的代理方法都是可选的)。

当需要被重绘时,CALayer会请求它的代理给他一个寄宿图来显示。它通过调用下面这个方法做到的:

(void)displayLayer:(CALayerCALayer *)layer;

趁着这个机会,如果代理想直接设置contents属性的话,它就可以这么做,不然没有别的方法可以调用了。如果代理不实现-displayLayer:方法,CALayer就会转而尝试调用下面这个方法:

 - (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx;

在调用这个方法之前,CALayer创建了一个合适尺寸的空寄宿图(尺寸由boundscontentsScale决定)和一个Core Graphics的绘制上下文环境,为绘制寄宿图做准备,他作为ctx参数传入。

让我们来继续第一章的项目让它实现CALayerDelegate并做一些绘图工作吧(见清单2.5).图2.12是他的结果

清单2.5 实现CALayerDelegate

@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad
{
  [super viewDidLoad];
  
  //create sublayer
  CALayer *blueLayer = [CALayer layer];
  blueLayer.frame = CGRectMake(50.0f, 50.0f, 100.0f, 100.0f);
  blueLayer.backgroundColor = [UIColor blueColor].CGColor;

  //set controller as layer delegate
  blueLayer.delegate = self;

  //ensure that layer backing image uses correct scale
  blueLayer.contentsScale = [UIScreen mainScreen].scale; //add layer to our view
  [self.layerView.layer addSublayer:blueLayer];

  //force layer to redraw
  [blueLayer display];
}

- (void)drawLayer:(CALayer *)layer inContext:(CGContextRef)ctx
{
  //draw a thick red circle
  CGContextSetLineWidth(ctx, 10.0f);
  CGContextSetStrokeColorWithColor(ctx, [UIColor redColor].CGColor);
  CGContextStrokeEllipseInRect(ctx, layer.bounds);
}
@end

2.3 总结

总结

本章介绍了寄宿图和一些相关的属性。你学到了如何显示和放置图片, 使用拼合技术来显示, 以及用CALayerDelegate和Core Graphics来绘制图层内容。

另外,如果你想一起进阶,不妨添加一下交流群1012951431,选择加入一起交流,一起学习。期待你的加入!

在第三章,"图层几何学"中,我们将会探讨一下图层的几何,观察他们是如何放置和改变相互的尺寸的

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