CADisplayLink前世今生

用最通俗的语言，描述最难懂的技术

前情描述

测试环境

• 编译环境：Xcode 13.1
• 运行设备：iPhone X，iOS 14.7.1，iPhone 13 Pro，iOS 15.5

前情描述

CADisplayLink接口

/* CoreAnimation - CADisplayLink.h

   Copyright (c) 2009-2021, Apple Inc.
   All rights reserved. */

#import <QuartzCore/CABase.h>
#import <QuartzCore/CAFrameRateRange.h>
#import <Foundation/NSObject.h>

@class NSString, NSRunLoop;

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

/** 与显示器的垂直同步信号（vsync：vertical synchronization）绑定的定时器的类. **/

API_AVAILABLE(ios(3.1), watchos(2.0), tvos(9.0)) API_UNAVAILABLE(macos)
@interface CADisplayLink : NSObject
{
@private
  void *_impl;
}

/* 为目的显示创建一个新的CADisplayLink的实例对象，它将在目标对象上调用一个名为sel的签名方法 */
+ (CADisplayLink *)displayLinkWithTarget:(id)target selector:(SEL)sel;

/* 将定时器添加到运行循环和某一模式下；除非暂停，直到移除前它会被垂直同步信号每一次触发
 * 也只能被添加到一个运行循环中；但是它可以被添加到多个模式中；当它被添加到一个运行循环
 * 时将隐式引用
 */
- (void)addToRunLoop:(NSRunLoop *)runloop forMode:(NSRunLoopMode)mode;

/* 将定时器从运行循环的某个模式下移除；当它被从最后一个注册的模式中移除的时候它会被
 * 隐式的释放
 */
- (void)removeFromRunLoop:(NSRunLoop *)runloop forMode:(NSRunLoopMode)mode;

/* 将定时器从所有的运行循环模式中移除（如果目标定时器被隐式引用将被殷式释放）
 * 紧接着释放目标对象 */
- (void)invalidate;

/* 获取上一次selector被执行的时间戳 */
@property(readonly, nonatomic) CFTimeInterval timestamp;
/* 获取当前设备的屏幕刷新时间间隔 */
@property(readonly, nonatomic) CFTimeInterval duration;

/* 即将渲染的下一帧的时间戳 */
@property(readonly, nonatomic) CFTimeInterval targetTimestamp
    API_AVAILABLE(ios(10.0), watchos(3.0), tvos(10.0));

/* 当为true时，该定时器被暂停触发，初始状态为false */
@property(getter=isPaused, nonatomic) BOOL paused;

/* 定义每次显示定时器触发时必须经过多少个显示帧；默认值时1，这意味着每一个显示帧都会触发
 * 目标对象的方法签名。将时间间隔设为2，就会导致每隔一帧触发一次目标对象的签名方法
 * 当设置小于1的时候就是未被定义
 */
@property(nonatomic) NSInteger frameInterval
  API_DEPRECATED("preferredFramesPerSecond", ios(3.1, 10.0), 
                 watchos(2.0, 3.0), tvos(9.0, 10.0));

/* 定义定时器回调所需的回调率，单位时帧/秒，如果设置为0，定时器将以硬件的刷新频率被触发
 * 定时器将在硬件的刷新频率下做最大能力的回调
 */

@property(nonatomic) NSInteger preferredFramesPerSecond
  API_DEPRECATED_WITH_REPLACEMENT ("preferredFrameRateRange",
                                   ios(10.0, API_TO_BE_DEPRECATED),
                                   watchos(3.0, API_TO_BE_DEPRECATED),
                                   tvos(10.0, API_TO_BE_DEPRECATED));

/* 定义定时器所需要的回调速率的范围，但是时帧/秒。如果该范围包含相同的最小和最大的帧率
该属性将与preferredFramesPerSecond相同，否则实际的回调将被动态的调整以适配动画源*/

@property(nonatomic) CAFrameRateRange preferredFrameRateRange
    API_AVAILABLE(ios(15.0), watchos(8.0), tvos(15.0));

@end

如何使用

//
//  ViewController.m
//  CADisplayLinkTest
//
//  Created by Augus on 2022/3/26.
//

#import "ViewController.h"


static CGFloat const kImageViewWidth = 100.0f;

@interface ViewController ()

@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *displayLink;
@property (nonatomic, strong) UIImageView *imageView;
@property (nonatomic, assign) CGFloat dynamicImageViewY;
@property (nonatomic, strong) UIButton *startButton;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
    
    self.view.backgroundColor = UIColor.lightGrayColor;
    _dynamicImageViewY = 0;
    [self createImageView];
    [self createAnimationButton];
    [self createDisplayLink];
    
}

- (void)createAnimationButton {
    
    _startButton = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
    _startButton.frame = CGRectMake(200, 200, 100, 100);
    [_startButton setTitle:@"start" forState:UIControlStateNormal];
    [_startButton addTarget:self action:@selector(pauseAnimation) forControlEvents:UIControlEventTouchUpInside];
    [self.view addSubview:_startButton];

}

- (void)createImageView {
    
    _imageView = [[UIImageView alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, kImageViewWidth, kImageViewWidth)];
    _imageView.image = [UIImage imageNamed:@"kobe0"];
    [self.view addSubview:_imageView];
}


/// 创建定时器实例
- (void)createDisplayLink {
    _displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(startAnimation:)];
    _displayLink.paused = YES;
    _displayLink.frameInterval = 2;
    NSLog(@"0--targetTimestamp:%f,timestamp:%f", _displayLink.targetTimestamp,_displayLink.timestamp);

    [_displayLink  addToRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop]
                      forMode:NSRunLoopCommonModes];
    NSLog(@"1--targetTimestamp:%f,timestamp:%f", _displayLink.targetTimestamp,_displayLink.timestamp);

    
    
}


/// 定时器的回调方法
/// @param sender 定时器的实例对象
- (void)startAnimation:(CADisplayLink *)sender {
    
    NSLog(@"2--targetTimestamp:%f,timestamp:%f", sender.targetTimestamp,sender.timestamp);
    _dynamicImageViewY++;
    if (_dynamicImageViewY == self.view.frame.size.height - kImageViewWidth) {
        _dynamicImageViewY = 0;
    }
    
    self.imageView.frame = CGRectMake(0, _dynamicImageViewY, kImageViewWidth, kImageViewWidth);
    
}


/// 暂停动画
- (void)pauseAnimation{
    
    _displayLink.paused = !self.displayLink.paused;
    if (_displayLink.paused) {
        [_startButton setTitle:@"start" forState:UIControlStateNormal];
    } else {
        [_startButton setTitle:@"pause" forState:UIControlStateNormal];
    }
}


/// 销毁计数器
- (void)stopDisplayLink {
    if (_displayLink) {
        [_displayLink invalidate];
        _displayLink = nil;
    }
}

@end

属性说明

timestamp

// 计算实际的帧率
double actualFramesPerSecond = 1 / (_displaylink.targetTimestamp - _displaylink.timestamp);

duration

举例说明

• CPU的空闲程度。如果CPU忙于其它计算，就没法保证以60HZ执行屏幕的绘制动作，导致跳过若干次调用回调方法的机会，跳过次数取决CPU的忙碌程度；
• 执行回调方法所用的时间。如果执行回调时间大于重绘每帧的间隔时间，就会导致跳过若干次回调调用机会，这取决于执行时间长短。

preferredFrameRateRange

<key>CADisableMinimumFrameDurationOnPhone</key><true/>

总结

优势

劣势

• 由于和屏幕的刷新频率绑定，如果CPU不堪重负影响了刷新频率，那么目标对象的selector也会受到影响；
• selector触发的时间间隔只能是duration的整数倍；
• selector事件如果大于其触发间隔就会造成掉帧现象；
• 不能被继承。

CADisplayLink低配版之NSTimer

/* NSTimer.h
 Copyright (c) 1994-2019, Apple Inc. All rights reserved.
*/

#import <Foundation/NSObject.h>
#import <Foundation/NSDate.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface NSTimer : NSObject

+ (NSTimer *)timerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti invocation:(NSInvocation *)invocation repeats:(BOOL)yesOrNo;
+ (NSTimer *)scheduledTimerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti invocation:(NSInvocation *)invocation repeats:(BOOL)yesOrNo;

+ (NSTimer *)timerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti target:(id)aTarget selector:(SEL)aSelector userInfo:(nullable id)userInfo repeats:(BOOL)yesOrNo;
+ (NSTimer *)scheduledTimerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti target:(id)aTarget selector:(SEL)aSelector userInfo:(nullable id)userInfo repeats:(BOOL)yesOrNo;


/// Creates and returns a new NSTimer object initialized with the specified block object. This timer needs to be scheduled on a run loop (via -[NSRunLoop addTimer:]) before it will fire.
/// - parameter:  timeInterval  The number of seconds between firings of the timer. If seconds is less than or equal to 0.0, this method chooses the nonnegative value of 0.1 milliseconds instead
/// - parameter:  repeats  If YES, the timer will repeatedly reschedule itself until invalidated. If NO, the timer will be invalidated after it fires.
/// - parameter:  block  The execution body of the timer; the timer itself is passed as the parameter to this block when executed to aid in avoiding cyclical references
+ (NSTimer *)timerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)interval repeats:(BOOL)repeats block:(void (^)(NSTimer *timer))block API_AVAILABLE(macosx(10.12), ios(10.0), watchos(3.0), tvos(10.0));

/// Creates and returns a new NSTimer object initialized with the specified block object and schedules it on the current run loop in the default mode.
/// - parameter:  ti    The number of seconds between firings of the timer. If seconds is less than or equal to 0.0, this method chooses the nonnegative value of 0.1 milliseconds instead
/// - parameter:  repeats  If YES, the timer will repeatedly reschedule itself until invalidated. If NO, the timer will be invalidated after it fires.
/// - parameter:  block  The execution body of the timer; the timer itself is passed as the parameter to this block when executed to aid in avoiding cyclical references
+ (NSTimer *)scheduledTimerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)interval repeats:(BOOL)repeats block:(void (^)(NSTimer *timer))block API_AVAILABLE(macosx(10.12), ios(10.0), watchos(3.0), tvos(10.0));

/// Initializes a new NSTimer object using the block as the main body of execution for the timer. This timer needs to be scheduled on a run loop (via -[NSRunLoop addTimer:]) before it will fire.
/// - parameter:  fireDate   The time at which the timer should first fire.
/// - parameter:  interval  The number of seconds between firings of the timer. If seconds is less than or equal to 0.0, this method chooses the nonnegative value of 0.1 milliseconds instead
/// - parameter:  repeats  If YES, the timer will repeatedly reschedule itself until invalidated. If NO, the timer will be invalidated after it fires.
/// - parameter:  block  The execution body of the timer; the timer itself is passed as the parameter to this block when executed to aid in avoiding cyclical references
- (instancetype)initWithFireDate:(NSDate *)date interval:(NSTimeInterval)interval repeats:(BOOL)repeats block:(void (^)(NSTimer *timer))block API_AVAILABLE(macosx(10.12), ios(10.0), watchos(3.0), tvos(10.0));

- (instancetype)initWithFireDate:(NSDate *)date interval:(NSTimeInterval)ti target:(id)t selector:(SEL)s userInfo:(nullable id)ui repeats:(BOOL)rep NS_DESIGNATED_INITIALIZER;

- (void)fire;

@property (copy) NSDate *fireDate;
@property (readonly) NSTimeInterval timeInterval;

// Setting a tolerance for a timer allows it to fire later than the scheduled fire date, improving the ability of the system to optimize for increased power savings and responsiveness. The timer may fire at any time between its scheduled fire date and the scheduled fire date plus the tolerance. The timer will not fire before the scheduled fire date. For repeating timers, the next fire date is calculated from the original fire date regardless of tolerance applied at individual fire times, to avoid drift. The default value is zero, which means no additional tolerance is applied. The system reserves the right to apply a small amount of tolerance to certain timers regardless of the value of this property.
// As the user of the timer, you will have the best idea of what an appropriate tolerance for a timer may be. A general rule of thumb, though, is to set the tolerance to at least 10% of the interval, for a repeating timer. Even a small amount of tolerance will have a significant positive impact on the power usage of your application. The system may put a maximum value of the tolerance.
@property NSTimeInterval tolerance API_AVAILABLE(macos(10.9), ios(7.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

- (void)invalidate;
@property (readonly, getter=isValid) BOOL valid;

@property (nullable, readonly, retain) id userInfo;

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

初始化

• 以timer开头的三个类方法；
• 以schedule的三个类方法；
• 以及一个init开头的指定构造初始化方法。

属性

fireDate

///暂停计时器
_timer.fireDate = [NSDate distantFuture];
///恢复计时器
_timer.fireDate = [NSDate distantPast];

timeInterval

tolerance

As the user of the timer, you will have the best idea of what an appropriate tolerance for a timer may be. A general rule of thumb, though, is to set the tolerance to at least 10% of the interval, for a repeating timer. Even a small amount of tolerance will have a significant positive impact on the power usage of your application. The system may put a maximum value of the tolerance.

valid

userInfo

实例方法

fire

You can use this method to fire a repeating timer without interrupting its regular firing schedule. If the timer is non-repeating, it is automatically invalidated after firing, even if its scheduled fire date has not arrived.

invalid

[_timer invalid];
_timer = nil;

共同的问题

@interface GTFourController ()

@property (nonatomic, strong) GTControllableCThread *augusThread;

@property (nonatomic, strong) NSTimer *augusTimer;
@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *augusDisplayLink;

@end

@implementation GTFourController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
    self.title = @"Four";
    self.view.backgroundColor = UIColor.whiteColor;
    
    self.augusTimer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1 target:self selector:@selector(testTimer) userInfo:nil repeats:YES];
    
    self.augusDisplayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(testLink)];
    [self.augusDisplayLink addToRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
   
}


- (void)testTimer {
    NSLog(@"%s",__func__);
}


- (void)testLink {
    NSLog(@"%s",__func__);
}


@end

问题分析

问题解决

代码实现

@interface GTProxyTarget : NSProxy

+ (instancetype)proxyWithTarget:(id)target;
@property (nonatomic, weak) id target;


@end
  
  
#import "GTProxyTarget.h"

@implementation GTProxyTarget

+ (instancetype)proxyWithTarget:(id)target {
    GTProxyTarget *proxy = [GTProxyTarget alloc];
    proxy.target = target;
    return proxy;
}


- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)sel {
    return [self.target methodSignatureForSelector:sel];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation {
    
    [invocation invokeWithTarget:self.target];
}

@end
  
  
// 然后控制器B代码修改为
 
self.augusTimer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1 target:[GTProxyTarget proxyWithTarget:self] selector:@selector(testTimer) userInfo:nil repeats:YES];

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
  
   // [self createNSTimerOfRunLoop];
  
    // [self createNSTimerOfRunLoopMode];
}


- (void)createNSTimerOfRunLoop {
  
    _timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        NSLog(@"timer run of runLoop");
    }];
    
    // 关于runLoop
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [runLoop addTimer:self->_timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
    });
}


- (void)createNSTimerOfRunLoopMode {
    _timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        NSLog(@"timer run of mode");
    }];
    
    // 关于runLoop mode
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [runLoop addTimer:self->_timer forMode:UITrackingRunLoopMode];
        [runLoop run];
    });
}

• 其一，子线程的运行循环是默认关闭的，需要手动开启；
• 其二，运行循环是通过不同的mode来处理不同的输入源。

关于RunLoop

RunLoop

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopSourceRef

• source0:只包含一个回调函数指针，并不能主动触发事件，你要先调用CFRunLoopSourceSignal(source)来将这个source标记为待处理，然后手动调用CFRunLoopWakeUp(runloop)来唤醒RunLoop，让其处理这个事件；
• source1:包含一个mach_port和一个回调函数指针，被用于通过内核和其他线程相互发送消息。能主动唤醒RunLoop线程。

CFRunLoopTimerRef

CFRunLoopObserverRef

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即将进入Loop
    kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1), // 即将处理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将处理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6), // 刚从休眠中唤醒
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即将退出Loop
};

NSTimer & CADisplayLink

#if DEPLOYMENT_TARGET_MACOSX
#define USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS 1
#define USE_MK_TIMER_TOO 1
#else
#define USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS 0
#define USE_MK_TIMER_TOO 1
#endif

CFRunLoopMode

PerformSelecter

现在的CADiplayLink有什么不同？

DisplayLink驱动方式的变化

• 在iPhone 7 iOS 14上，CADisplayLink是通过source 1 mach_port直接接受VSync信号驱动的：

• 在iPhone 13 Pro iOS 15上，CADisplayLink是由一个UIKit的Source0驱动：
• 在iOS 15上，CADisplayLink第一次创建并添加到RunLoop的时候，会注册一个source1信号，这和iOS 14保持一致：

• 其中callout回调对应符号同样为IODispatchCalloutFromCFMessage：

源码验证

如何解决

NSInteger currentFPS = (NSInteger)ceil(1.0 / _displayLink.duration);
// CAFrameRateRange.minimum 传最小值10.0，preferred 传0.0，让该CADisplayLink只用于监控当前的系统帧率，而不影响帧率的动态选择
_displayLink.preferredFrameRateRange = CAFrameRateRangeMake(10.0, currentFPS, 0.0);

参考文档

• https://developer.apple.com/documentation/quartzcore/cadisplaylink?language=objc
  
• https://blog.ibireme.com/2015/05/18/runloop/
• https://developer.apple.com/documentation/quartzcore/optimizing_promotion_refresh_rates_for_iphone_13_pro_and_ipad_pro?language=objc
• https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/Multithreading/RunLoopManagement/RunLoopManagement.html
• https://blog.csdn.net/ByteDanceTech/article/details/123437098