Core Animation 高级理论知识汇总

注：本节理论知识，通过学习文章 iOS-Core-Animation-Advanced-Techniques 总结所得。

一、 基本概念

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。和UIView最大的不同是CALayer不处理用户的交互；CALayer并不清楚具体的响应链（iOS通过视图层级关系用来传送触摸事件的机制），于是它并不能够响应事件。每一个UIView都有一个CALayer实例的图层属性，也就是所谓的backing layer[一个视图只有一个相关联的图层（自动创建），同时它也可以支持添加无数多个子图层]，视图的职责就是创建并管理这个图层，以确保当子视图在层级关系中添加或者被移除的时候，他们关联的图层也同样对应在层级关系树当中有相同的操作。除了视图层级和图层树之外，还存在呈现树和渲染树，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）

二、 矩阵变换

先来观察平面变换中的矩阵结构：

struct CGAffineTransform
{
  CGFloat a, b, c, d;
  CGFloat tx, ty;
};

为了把二维图形的变化统一在一个坐标系里，引入了齐次坐标的概念，即把一个图形用一个三维矩阵表示，其中第三列总是(0,0,1)，用来作为坐标系的标准。所以所有的变化都由前两列完成。
以上参数在矩阵中的表示为：
 |a    b    0|
 |c    d    0|
 |tx   ty   1|

运算原理：原坐标设为（X,Y,1）;
                            |a    b    0|
   [X，Y,  1]        |c    d    0|     =     [aX + cY + tx   bX + dY + ty  1] ;
                            |tx    ty  1|

通过矩阵运算后的坐标[aX + cY + tx   bX + dY + ty  1]，我们对比一下可知：
第一种：设a=d=1, b=c=0.  
[aX + cY + tx   bX + dY + ty  1] = [X  + tx  Y + ty  1];
可见，这个时候，坐标是按照向量（tx，ty）进行平移，其实这也就是函数
CGAffineTransform CGAffineMakeTranslation(CGFloat tx,CGFloat ty)的计算原理。
第二种：设b=c=tx=ty=0.  
[aX + cY + tx   bX + dY + ty  1] = [aX    dY   1];
可见，这个时候，坐标X按照a进行缩放，Y按照d进行缩放，a，d就是X，Y的比例系数，其实这也就是函数
CGAffineTransform CGAffineTransformMakeScale(CGFloat sx, CGFloat sy)的计算原理。a对应于sx，d对应于sy。
第三种：设tx=ty=0，a=cosɵ，b=sinɵ，c=-sinɵ，d=cosɵ。
[aX + cY + tx   bX + dY + ty  1] = [Xcosɵ - Ysinɵ    Xsinɵ + Ycosɵ  1] ;
可见，这个时候，ɵ就是旋转的角度，逆时针为正，顺时针为负。其实这也就是函数
CGAffineTransform CGAffineTransformMakeRotation(CGFloat angle)的计算原理。angle即ɵ的弧度表示。

CGAffineTransform中的“仿射”的意思是无论变换矩阵用什么值，图层中平行的两条线在变换之后任然保持平行，在真实世界中，当物体远离我们的时候，由于视角的原因看起来会变小，理论上说远离我们的视图的边要比靠近视角的边跟短，但实际上并没有发生，而我们当前的视角是等距离的，也就是在3D变换中任然保持平行，和之前提到的仿射变换类似。CATransform3D的透视效果通过一个矩阵中一个很简单的元素来控制：m34。m34的默认值是0，我们可以通过设置m34为-1.0 / d来应用透视效果，d代表了想象中视角相机和屏幕之间的距离，以像素为单位，那应该如何计算这个距离呢？实际上并不需要，大概估算一个就好了（关于m34的使用，我在后面章节中，会举例说明）。

三、 视觉效果

圆角：CALayer有一个叫做conrnerRadius的属性控制着图层角的曲率。它是一个浮点数，默认为0（为0的时候就是直角），但是你可以把它设置成任意值。默认情况下，这个曲率值只影响背景颜色而不影响背景图片或是子图层。不过，如果把masksToBounds设置成YES的话，图层里面的所有东西都会被截取。
边框：CALayer另外两个非常有用属性就是borderWidth和borderColor。二者共同定义了图层边的绘制样式。这条线（也被称作stroke）沿着图层的bounds绘制，同时也包含图层的角。borderWidth是以点为单位的定义边框粗细的浮点数，默认为0.borderColor定义了边框的颜色，默认为黑色。borderColor是CGColorRef类型，而不是UIColor，所以它不是Cocoa的内置对象。不过呢，你肯定也清楚图层引用了borderColor，虽然属性声明并不能证明这一点。CGColorRef在引用/释放时候的行为表现得与NSObject极其相似。但是Objective-C语法并不支持这一做法，所以CGColorRef属性即便是强引用也只能通过assign关键字来声明。
阴影：shadowOffset属性控制着阴影的方向和距离。它是一个CGSize的值，宽度控制这阴影横向的位移，高度控制着纵向的位移。shadowOffset的默认值是 {0, -3}，意即阴影相对于Y轴有3个点的向上位移。

四、 专用图层

CAShapeLayer （可以单独设置几个角的圆角）
CAShapeLayer是一个通过矢量图形而不是bitmap来绘制的图层子类。你指定诸如颜色和线宽等属性，用CGPath来定义想要绘制的图形，最后CAShapeLayer就自动渲染出来了。当然，你也可以用Core Graphics直接向原始的CALyer的内容中绘制一个路径，相比直下，使用CAShapeLayer有以下一些优点：
渲染快速，CAShapeLayer使用了硬件加速，绘制同一图形会比用Core Graphics快很多。
高效使用内存，一个CAShapeLayer不需要像普通CALayer一样创建一个寄宿图形，所以无论有多大，都不会占用太多的内存。
不会被图层边界剪裁掉，一个CAShapeLayer可以在边界之外绘制。你的图层路径不会像在使用Core Graphics的普通CALayer一样被剪裁掉（如我们在第二章所见）。
不会出现像素化，当你给CAShapeLayer做3D变换时，它不像一个有寄宿图的普通图层一样变得像素化。

五、 动画类型

1. 隐式动画

之所以叫隐式是因为我们并没有指定任何动画的类型。我们仅仅改变了一个属性，然后Core Animation来决定如何并且何时去做动画。当你改变一个属性，Core Animation是如何判断动画类型和持续时间的呢？实际上动画执行的时间取决于当前事务的设置，动画类型取决于图层行为。事务实际上是Core Animation用来包含一系列属性动画集合的机制，任何用指定事务去改变可以做动画的图层属性都不会立刻发生变化，而是当事务一旦提交的时候开始用一个动画过渡到新值。CATransaction没有属性或者实例方法，并且也不能用+alloc和-init方法创建它。但是可以用+begin和+commit分别来入栈或者出栈。任何可以做动画的图层属性都会被添加到栈顶的事务，你可以通过+setAnimationDuration:方法设置当前事务的动画时间，或者通过+animationDuration方法来获取值（默认0.25秒）。
Core Animation在每个run loop周期中自动开始一次新的事务（run loop是iOS负责收集用户输入，处理定时器或者网络事件并且重新绘制屏幕的东西），即使你不显式的用[CATransaction begin]开始一次事务，任何在一次run loop循环中属性的改变都会被集中起来，然后做一次0.25秒的动画。

我们知道Core Animation通常对CALayer的所有属性（可动画的属性）做动画，但是UIView把它关联的图层的这个特性关闭了。为了更好说明这一点，我们需要知道隐式动画是如何实现的。每个UIView对它关联的图层都扮演了一个委托，并且提供了-actionForLayer:forKey的实现方法。当不在一个动画块的实现中，UIView对所有图层行为返回nil，但是在动画block范围之内，它就返回了一个非空值。

CALayer的属性行为其实很不正常，因为改变一个图层的属性并没有立刻生效，而是通过一段时间渐变更新。这是怎么做到的呢？
当你改变一个图层的属性，属性值的确是立刻更新的（如果你读取它的数据，你会发现它的值在你设置它的那一刻就已经生效了），但是屏幕上并没有马上发生改变。这是因为你设置的属性并没有直接调整图层的外观，相反，他只是定义了图层动画结束之后将要变化的外观。
当设置CALayer的属性，实际上是在定义当前事务结束之后图层如何显示的模型。Core Animation扮演了一个控制器的角色，并且负责根据图层行为和事务设置去不断更新视图的这些属性在屏幕上的状态。
duration和repeatCount默认都是0。但这不意味着动画时长为0秒，或者0次，这里的0仅仅代表了“默认”，也就是0.25秒和1次，

在iOS中，屏幕每秒钟重绘60次。如果动画时长比60分之一秒要长，Core Animation就需要在设置一次新值和新值生效之间，对屏幕上的图层进行重新组织。这意味着CALayer除了“真实”值（就是你设置的值）之外，必须要知道当前显示在屏幕上的属性值的记录。

每个图层属性的显示值都被存储在一个叫做呈现图层的独立图层当中，他可以通过-presentationLayer方法来访问。这个呈现图层实际上是模型图层的复制，但是它的属性值代表了在任何指定时刻当前外观效果。换句话说，你可以通过呈现图层的值来获取当前屏幕上真正显示出来的值。


我们在第一章中提到除了图层树，另外还有呈现树。呈现树通过图层树中所有图层的呈现图层所形成。注意呈现图层仅仅当图层首次被提交（就是首次第一次在屏幕上显示）的时候创建，所以在那之前调用-presentationLayer将会返回nil。你可能注意到有一个叫做–modelLayer的方法。在呈现图层上调用–modelLayer将会返回它正在呈现所依赖的CALayer。通常在一个图层上调用-modelLayer会返回–self（实际上我们已经创建的原始图层就是一种数据模型）。

一个移动的图层是如何通过数据模型呈现的

大多数情况下，你不需要直接访问呈现图层，你可以通过和模型图层的交互，来让Core Animation更新显示。两种情况下呈现图层会变得很有用，一个是同步动画，一个是处理用户交互。

举例说明：当你给一个Text Field做动画，你看到正在动画的内容其实并不是Text Field本身。而是这个Text Field的缓存版本(呈现图层)。当动画结束的时候，呈现图层会从屏幕中移除掉。而原来的图层会再次显示出来。换句话说，当一个动画开始的时候，其实是呈现图层在做动画，而Text Field自己被隐藏了。在做动画的过程中，你点击“Text Field”，它不会响应任何事件及行动，因为它不是真正的Text Field。当动画结束后，呈现图层会被移除掉，Text Field又被显示出来，那问题来了。Text Field本身还在动画的起始位置，所以在执行图层动画的时候，会出现动画结束后，突然又回到原点的现象（其实它是假象，只是移除了呈现图层，显示原来的Text Field）。产生这一现象的根源是CABasicAnimation的一个属性removedOnCompletion的默认值是YES。所以为了解决这个问题：

1. 刚开始的时候，即动画执行之前，就确定UI对象的图层的相关属性最终值为动画执行完毕后的值，也就是更新图层树。

2. 设置removedOnCompletion的值为NO，即动画执行完毕，不移除动画。这个属性一般和fillMode属性组合使用。fillMode有四个值可选（kCAFillModeRemoved,kCAFillModeBackwards,kCAFillModeForwards,kCAFillModeBoth）。

kCAFillModeRemoved即不填充，所以动画还是会被移除掉。

kCAFillModeBackwards用动画最初始的值填充。

kCAFillModeBackwards用动画最后的值填充。

kCAFillModeBackwards均填充。

使用这种方式，的确可以使动画最终保留在界面上，但会存在内存泄露问题。因为它一直驻留在内存中，所以当它的载体销毁时，动画自己也应该被移除掉。

[self.layer removeAnimationForKey:@"opacityAnimation"];

如果你在实现一个基于定时器的动画（见第11章“基于定时器的动画”），而不仅仅是基于事务的动画，这个时候准确地知道在某一时刻图层显示在什么位置就会对正确摆放图层很有用了。
如果你想让你做动画的图层响应用户输入，你可以使用-hitTest:方法（见第三章“图层几何学”）来判断指定图层是否被触摸，这时候对呈现图层而不是模型图层调用-hitTest:会显得更有意义，因为呈现图层代表了用户当前看到的图层位置，而不是当前动画结束之后的位置。

2. 显式动画
1. 属性动画
首先我们来探讨一下属性动画。属性动画作用于图层的某个单一属性，并指定了它的一个目标值，或者一连串将要做动画的值。属性动画分为两种：基础和关键帧。

I) 基础动画
动画其实就是一段时间内发生的改变，最简单的形式就是从一个值改变到另一个值，这也是CABasicAnimation最主要的功能。CABasicAnimation是CAPropertyAnimation的一个子类，而CAPropertyAnimation的父类是CAAnimation，CAAnimation同时也是Core Animation所有动画类型的抽象基类。作为一个抽象类，CAAnimation本身并没有做多少工作，它提供了一个计时函数（见第十章“缓冲”），一个委托（用于反馈动画状态）以及一个removedOnCompletion，用于标识动画是否该在结束后自动释放（默认YES，为了防止内存泄露）。CAAnimation同时实现了一些协议，包括CAAction（允许CAAnimation的子类可以提供图层行为）。
CAPropertyAnimation通过指定动画的keyPath作用于一个单一属性，CAAnimation通常应用于一个指定的CALayer，于是这里指的也就是一个图层的keyPath了。实际上它是一个关键路径（一些用点表示法可以在层级关系中指向任意嵌套的对象），而不仅仅是一个属性的名称，因为这意味着动画不仅可以作用于图层本身的属性，而且还包含了它的子成员的属性，甚至是一些虚拟的属性。
CABasicAnimation继承于CAPropertyAnimation，并添加了如下属性：
id fromValue 
id toValue 
id byValue

II) 关键帧动画
CABasicAnimation揭示了大多数隐式动画背后依赖的机制，这的确很有趣，但是显式地给图层添加CABasicAnimation相较于隐式动画而言，只能说费力不讨好。
CAKeyframeAnimation是另一种UIKit没有暴露出来但功能强大的类。和CABasicAnimation类似，CAKeyframeAnimation同样是CAPropertyAnimation的一个子类，它依然作用于单一的一个属性，但是和CABasicAnimation不一样的是，它不限制于设置一个起始和结束的值，而是可以根据一连串随意的值来做动画。

2. 动画组
CABasicAnimation和CAKeyframeAnimation仅仅作用于单独的属性，而CAAnimationGroup可以把这些动画组合在一起。CAAnimationGroup是另一个继承于CAAnimation的子类，它添加了一个animations数组的属性，用来组合别的动画。我们把清单8.6那种关键帧动画和调整图层背景色的基础动画组合起来

3. 过渡
过渡并不像属性动画那样平滑地在两个值之间做动画，而是影响到整个图层的变化。过渡动画首先展示之前的图层外观，然后通过一个交换过渡到新的外观。为了创建一个过渡动画，我们将使用CATransition，同样是另一个CAAnimation的子类，和别的子类不同，CATransition有一个type和subtype来标识变换效果。
在动画过程中取消动画，可以用-addAnimation:forKey:方法中的key参数来在添加动画之后检索一个动画，使用如下方法：- (CAAnimation *)animationForKey:(NSString *)key; 但并不支持在动画运行过程中修改动画，所以这个方法主要用来检测动画的属性，或者判断它是否被添加到当前图层中。为了终止一个指定的动画，你可以用如下方法把它从图层移除掉：
- (void)removeAnimationForKey:(NSString *)key;
或者移除所有动画：
- (void)removeAllAnimations;
动画一旦被移除，图层的外观就立刻更新到当前的模型图层的值。一般说来，动画在结束之后被自动移除，除非设置removedOnCompletion为NO，如果你设置动画在结束之后不被自动移除，那么当它不需要的时候你要手动移除它；否则它会一直存在于内存中，直到图层被销毁。

六、 缓冲

CAMediaTimingFunction

那么该如何使用缓冲方程式呢？首先需要设置CAAnimation的timingFunction属性，是CAMediaTimingFunction类的一个对象。如果想改变隐式动画的计时函数，同样也可以使用CATransaction的+setAnimationTimingFunction:方法。
这里有一些方式来创建CAMediaTimingFunction，最简单的方式是调用+timingFunctionWithName:的构造方法。这里传入如下几个常量之一：

kCAMediaTimingFunctionLinear 
kCAMediaTimingFunctionEaseIn 
kCAMediaTimingFunctionEaseOut 
kCAMediaTimingFunctionEaseInEaseOut
kCAMediaTimingFunctionDefault

七、 定时器

当你设置一个NSTimer，他会被插入到当前任务列表中，然后直到指定时间过去之后才会被执行。但是何时启动定时器并没有一个时间上限，而且它只会在列表中上一个任务完成之后开始执行。这通常会导致有几毫秒的延迟，但是如果上一个任务过了很久才完成就会导致延迟很长一段时间。
用CADisplayLink而不是NSTimer，会保证帧率足够连续，使得动画看起来更加平滑，但即使CADisplayLink也不能保证每一帧都按计划执行，一些失去控制的离散的任务或者事件（例如资源紧张的后台程序）可能会导致动画偶尔地丢帧。当使用NSTimer的时候，一旦有机会计时器就会开启，但是CADisplayLink却不一样：如果它丢失了帧，就会直接忽略它们，然后在下一次更新的时候接着运行。

当运行一段动画时候，这个过程会被四个分离的阶段被打破：
布局 - 这是准备你的视图/图层的层级关系，以及设置图层属性（位置，背景色，边框等等）的阶段。
显示 - 这是图层的寄宿图片被绘制的阶段。绘制有可能涉及你的-drawRect:和-drawLayer:inContext:方法的调用路径。
准备 - 这是Core Animation准备发送动画数据到渲染服务的阶段。这同时也是Core Animation将要执行一些别的事务例如解码动画过程中将要显示的图片的时间点。
提交 - 这是最后的阶段，Core Animation打包所有图层和动画属性，然后通过IPC（内部处理通信）发送到渲染服务进行显示。
GPU为一个具体的任务做了优化：它用来采集图片和形状（三角形），运行变换，应用纹理和混合然后把它们输送到屏幕上。宽泛的说，大多数CALayer的属性都是用GPU来绘制。

八、 贝塞尔曲线

Bézier curve(贝塞尔曲线)是应用于二维图形应用程序的数学曲线。 曲线定义：起始点、终止点（也称锚点）、控制点。通过调整控制点，贝塞尔曲线的形状会发生变化。 1962年，法国数学家Pierre Bézier第一个研究了这种矢量绘制曲线的方法，并给出了详细的计算公式，因此按照这样的公式绘制出来的曲线就用他的姓氏来命名，称为贝塞尔曲线。

以下公式中：B(t)为t时间下 点的坐标；

 P₀为起点,P_n为终点,P_i为控制点

一阶贝塞尔曲线(线段)：

意义：由 P0 至 P1 的连续点， 描述的一条线段

二阶贝塞尔曲线(抛物线)：

原理：由 P0 至 P1 的连续点 Q0，描述一条线段。 
      由 P1 至 P2 的连续点 Q1，描述一条线段。 
      由 Q0 至 Q1 的连续点 B(t)，描述一条二次贝塞尔曲线。

经验：P1-P0为曲线在P0处的切线。

 

三阶贝塞尔曲线：

 

通用公式：

 

高阶贝塞尔曲线：

4阶曲线：

5阶曲线：

 

总结： 本节内容大致的讲解了与Core Animation相关的概念；下一节，我将举例说明有关动画的使用。