iOS 核心動(dòng)畫(huà)的性能調(diào)優(yōu)

在第10章“緩沖”中，我們研究了CAMediaTimingFunction，它是一個(gè)通過(guò)控制動(dòng)畫(huà)緩沖來(lái)模擬物理效果例如加速或者減速來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感的東西，那么如果想更加真實(shí)地模擬物理交互或者實(shí)時(shí)根據(jù)用戶(hù)輸入修改動(dòng)畫(huà)改怎么辦呢？在這一章中，我們將繼續(xù)探索一種能夠允許我們精確地控制一幀一幀展示的基于定時(shí)器的動(dòng)畫(huà)。

定時(shí)幀

動(dòng)畫(huà)看起來(lái)是用來(lái)顯示一段連續(xù)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但實(shí)際上當(dāng)在固定位置上展示像素的時(shí)候并不能做到這一點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)這種顯示都無(wú)法做到連續(xù)的移動(dòng)，能做的僅僅是足夠快地展示一系列靜態(tài)圖片，只是看起來(lái)像是做了運(yùn)動(dòng)。

我們之前提到過(guò)iOS按照每秒60次刷新屏幕，然后CAAnimation計(jì)算出需要展示的新的幀，然后在每次屏幕更新的時(shí)候同步繪制上去，CAAnimation最機(jī)智的地方在于每次刷新需要展示的時(shí)候去計(jì)算插值和緩沖。

在第10章中，我們解決了如何自定義緩沖函數(shù)，然后根據(jù)需要展示的幀的數(shù)組來(lái)告訴CAKeyframeAnimation的實(shí)例如何去繪制。所有的Core Animation實(shí)際上都是按照一定的序列來(lái)顯示這些幀，那么我們可以自己做到這些么？

NSTimer

實(shí)際上，我們?cè)诘谌隆皥D層幾何學(xué)”中已經(jīng)做過(guò)類(lèi)似的東西，就是時(shí)鐘那個(gè)例子，我們用了NSTimer來(lái)對(duì)鐘表的指針做定時(shí)動(dòng)畫(huà)，一秒鐘更新一次，但是如果我們把頻率調(diào)整成一秒鐘更新60次的話(huà)，原理是完全相同的。

我們來(lái)試著用NSTimer來(lái)修改第十章中彈性球的例子。由于現(xiàn)在我們?cè)诙〞r(shí)器啟動(dòng)之后連續(xù)計(jì)算動(dòng)畫(huà)幀，我們需要在類(lèi)中添加一些額外的屬性來(lái)存儲(chǔ)動(dòng)畫(huà)的fromValue，toValue，duration和當(dāng)前的timeOffset（見(jiàn)清單11.1）。

清單11.1 使用NSTimer實(shí)現(xiàn)彈性球動(dòng)畫(huà)

@interface ViewController ()
@property (nonatomic, weak) IBOutlet UIView *containerView;
@property (nonatomic, strong) UIImageView *ballView;
@property (nonatomic, strong) NSTimer *timer;
@property (nonatomic, assign) NSTimeInterval duration;
@property (nonatomic, assign) NSTimeInterval timeOffset;
@property (nonatomic, strong) id fromValue;
@property (nonatomic, strong) id toValue;

@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    //add ball image view
    UIImage *ballImage = [UIImage imageNamed:@"Ball.png"];
    self.ballView = [[UIImageView alloc] initWithImage:ballImage];
    [self.containerView addSubview:self.ballView];
    //animate
    [self animate];
}
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    //replay animation on tap
    [self animate];
}
float interpolate(float from, float to, float time)
{
    return (to - from) * time + from;
}
- (id)interpolateFromValue:(id)fromValue toValue:(id)toValue time:(float)time
{
    if ([fromValue isKindOfClass:[NSValue class]]) {
        //get type
        const char *type = [(NSValue *)fromValue objCType];
        if (strcmp(type, @encode(CGPoint)) == 0) {
            CGPoint from = [fromValue CGPointValue];
            CGPoint to = [toValue CGPointValue];
            CGPoint result = CGPointMake(interpolate(from.x, to.x, time), interpolate(from.y, to.y, time));
            return [NSValue valueWithCGPoint:result];
        }
    }
    //provide safe default implementation
    return (time < 0.5)? fromValue: toValue;
}
float bounceEaseOut(float t)
{
    if (t < 4/11.0) {
        return (121 * t * t)/16.0;
    } else if (t < 8/11.0) {
        return (363/40.0 * t * t) - (99/10.0 * t) + 17/5.0;
    } else if (t < 9/10.0) {
        return (4356/361.0 * t * t) - (35442/1805.0 * t) + 16061/1805.0;
    }
    return (54/5.0 * t * t) - (513/25.0 * t) + 268/25.0;
}

- (void)animate
{
    //reset ball to top of screen
    self.ballView.center = CGPointMake(150, 32);
    //configure the animation
    self.duration = 1.0;
    self.timeOffset = 0.0;
    self.fromValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 32)];
    self.toValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 268)];
    //stop the timer if it's already running
    [self.timer invalidate];
    //start the timer
    self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1/60.0
                                                  target:self
                                                selector:@selector(step:)
                                                userInfo:nil
                                                 repeats:YES];
}
- (void)step:(NSTimer *)step
{
    //update time offset
    self.timeOffset = MIN(self.timeOffset + 1/60.0, self.duration);
    //get normalized time offset (in range 0 - 1)
    float time = self.timeOffset / self.duration;
    //apply easing
    time = bounceEaseOut(time);
    //interpolate position
    id position = [self interpolateFromValue:self.fromValue
                                     toValue:self.toValue
                                  time:time];
    //move ball view to new position
    self.ballView.center = [position CGPointValue];
    //stop the timer if we've reached the end of the animation
    if (self.timeOffset >= self.duration) {
        [self.timer invalidate];
        self.timer = nil;
    }
}
@end

很贊，而且和基于關(guān)鍵幀例子的代碼一樣很多，但是如果想一次性在屏幕上對(duì)很多東西做動(dòng)畫(huà)，很明顯就會(huì)有很多問(wèn)題。

NSTimer并不是最佳方案，為了理解這點(diǎn)，我們需要確切地知道NSTimer是如何工作的。iOS上的每個(gè)線(xiàn)程都管理了一個(gè)NSRunloop，字面上看就是通過(guò)一個(gè)循環(huán)來(lái)完成一些任務(wù)列表。但是對(duì)主線(xiàn)程，這些任務(wù)包含如下幾項(xiàng)：

• 處理觸摸事件
• 發(fā)送和接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包
• 執(zhí)行使用gcd的代碼
• 處理計(jì)時(shí)器行為
• 屏幕重繪

當(dāng)你設(shè)置一個(gè)NSTimer，他會(huì)被插入到當(dāng)前任務(wù)列表中，然后直到指定時(shí)間過(guò)去之后才會(huì)被執(zhí)行。但是何時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器并沒(méi)有一個(gè)時(shí)間上限，而且它只會(huì)在列表中上一個(gè)任務(wù)完成之后開(kāi)始執(zhí)行。這通常會(huì)導(dǎo)致有幾毫秒的延遲，但是如果上一個(gè)任務(wù)過(guò)了很久才完成就會(huì)導(dǎo)致延遲很長(zhǎng)一段時(shí)間。

屏幕重繪的頻率是一秒鐘六十次，但是和定時(shí)器行為一樣，如果列表中上一個(gè)執(zhí)行了很長(zhǎng)時(shí)間，它也會(huì)延遲。這些延遲都是一個(gè)隨機(jī)值，于是就不能保證定時(shí)器精準(zhǔn)地一秒鐘執(zhí)行六十次。有時(shí)候發(fā)生在屏幕重繪之后，這就會(huì)使得更新屏幕會(huì)有個(gè)延遲，看起來(lái)就是動(dòng)畫(huà)卡殼了。有時(shí)候定時(shí)器會(huì)在屏幕更新的時(shí)候執(zhí)行兩次，于是動(dòng)畫(huà)看起來(lái)就跳動(dòng)了。

我們可以通過(guò)一些途徑來(lái)優(yōu)化：

• 我們可以用CADisplayLink讓更新頻率嚴(yán)格控制在每次屏幕刷新之后。
• 基于真實(shí)幀的持續(xù)時(shí)間而不是假設(shè)的更新頻率來(lái)做動(dòng)畫(huà)。
• 調(diào)整動(dòng)畫(huà)計(jì)時(shí)器的run loop模式，這樣就不會(huì)被別的事件干擾。

CADisplayLink

CADisplayLink是CoreAnimation提供的另一個(gè)類(lèi)似于NSTimer的類(lèi)，它總是在屏幕完成一次更新之前啟動(dòng)，它的接口設(shè)計(jì)的和NSTimer很類(lèi)似，所以它實(shí)際上就是一個(gè)內(nèi)置實(shí)現(xiàn)的替代，但是和timeInterval以秒為單位不同，CADisplayLink有一個(gè)整型的frameInterval屬性，指定了間隔多少幀之后才執(zhí)行。默認(rèn)值是1，意味著每次屏幕更新之前都會(huì)執(zhí)行一次。但是如果動(dòng)畫(huà)的代碼執(zhí)行起來(lái)超過(guò)了六十分之一秒，你可以指定frameInterval為2，就是說(shuō)動(dòng)畫(huà)每隔一幀執(zhí)行一次（一秒鐘30幀）或者3，也就是一秒鐘20次，等等。

用CADisplayLink而不是NSTimer，會(huì)保證幀率足夠連續(xù)，使得動(dòng)畫(huà)看起來(lái)更加平滑，但即使CADisplayLink也不能保證每一幀都按計(jì)劃執(zhí)行，一些失去控制的離散的任務(wù)或者事件（例如資源緊張的后臺(tái)程序）可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)畫(huà)偶爾地丟幀。當(dāng)使用NSTimer的時(shí)候，一旦有機(jī)會(huì)計(jì)時(shí)器就會(huì)開(kāi)啟，但是CADisplayLink卻不一樣：如果它丟失了幀，就會(huì)直接忽略它們，然后在下一次更新的時(shí)候接著運(yùn)行。

計(jì)算幀的持續(xù)時(shí)間

無(wú)論是使用NSTimer還是CADisplayLink，我們?nèi)匀恍枰幚硪粠臅r(shí)間超出了預(yù)期的六十分之一秒。由于我們不能夠計(jì)算出一幀真實(shí)的持續(xù)時(shí)間，所以需要手動(dòng)測(cè)量。我們可以在每幀開(kāi)始刷新的時(shí)候用CACurrentMediaTime()記錄當(dāng)前時(shí)間，然后和上一幀記錄的時(shí)間去比較。

通過(guò)比較這些時(shí)間，我們就可以得到真實(shí)的每幀持續(xù)的時(shí)間，然后代替硬編碼的六十分之一秒。我們來(lái)更新一下上個(gè)例子（見(jiàn)清單11.2）。

清單11.2 通過(guò)測(cè)量沒(méi)幀持續(xù)的時(shí)間來(lái)使得動(dòng)畫(huà)更加平滑

@interface ViewController ()
@property (nonatomic, weak) IBOutlet UIView *containerView;
@property (nonatomic, strong) UIImageView *ballView;
@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *timer;
@property (nonatomic, assign) CFTimeInterval duration;
@property (nonatomic, assign) CFTimeInterval timeOffset;
@property (nonatomic, assign) CFTimeInterval lastStep;
@property (nonatomic, strong) id fromValue;
@property (nonatomic, strong) id toValue;
@end
@implementation ViewController

...
- (void)animate
{
    //reset ball to top of screen
    self.ballView.center = CGPointMake(150, 32);
    //configure the animation
    self.duration = 1.0;
    self.timeOffset = 0.0;
    self.fromValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 32)];
    self.toValue = [NSValue valueWithCGPoint:CGPointMake(150, 268)];
    //stop the timer if it's already running
    [self.timer invalidate];
    //start the timer
    self.lastStep = CACurrentMediaTime();
    self.timer = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self
                                             selector:@selector(step:)];
    [self.timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop]
                     forMode:NSDefaultRunLoopMode];
}
- (void)step:(CADisplayLink *)timer
{
    //calculate time delta
    CFTimeInterval thisStep = CACurrentMediaTime();
    CFTimeInterval stepDuration = thisStep - self.lastStep;
    self.lastStep = thisStep;
    //update time offset
    self.timeOffset = MIN(self.timeOffset + stepDuration, self.duration);
    //get normalized time offset (in range 0 - 1)
    float time = self.timeOffset / self.duration;
    //apply easing
    time = bounceEaseOut(time);
    //interpolate position
    id position = [self interpolateFromValue:self.fromValue toValue:self.toValue
                                        time:time];
    //move ball view to new position
    self.ballView.center = [position CGPointValue];
    //stop the timer if we've reached the end of the animation
    if (self.timeOffset >= self.duration) {
        [self.timer invalidate];
        self.timer = nil;
    }
}
@end

Run Loop 模式

注意到當(dāng)創(chuàng)建CADisplayLink的時(shí)候，我們需要指定一個(gè)run loop和run loop mode，對(duì)于run loop來(lái)說(shuō)，我們就使用了主線(xiàn)程的run loop，因?yàn)槿魏斡脩?hù)界面的更新都需要在主線(xiàn)程執(zhí)行，但是模式的選擇就并不那么清楚了，每個(gè)添加到run loop的任務(wù)都有一個(gè)指定了優(yōu)先級(jí)的模式，為了保證用戶(hù)界面保持平滑，iOS會(huì)提供和用戶(hù)界面相關(guān)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，而且當(dāng)UI很活躍的時(shí)候的確會(huì)暫停一些別的任務(wù)。 一個(gè)典型的例子就是當(dāng)是用UIScrollview滑動(dòng)的時(shí)候，重繪滾動(dòng)視圖的內(nèi)容會(huì)比別的任務(wù)優(yōu)先級(jí)更高，所以標(biāo)準(zhǔn)的NSTimer和網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求就不會(huì)啟動(dòng)，一些常見(jiàn)的run loop模式如下：

• NSDefaultRunLoopMode - 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)
• NSRunLoopCommonModes - 高優(yōu)先級(jí)
• UITrackingRunLoopMode - 用于UIScrollView和別的控件的動(dòng)畫(huà)

在我們的例子中，我們是用了NSDefaultRunLoopMode，但是不能保證動(dòng)畫(huà)平滑的運(yùn)行，所以就可以用NSRunLoopCommonModes來(lái)替代。但是要小心，因?yàn)槿绻麆?dòng)畫(huà)在一個(gè)高幀率情況下運(yùn)行，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些別的類(lèi)似于定時(shí)器的任務(wù)或者類(lèi)似于滑動(dòng)的其他iOS動(dòng)畫(huà)會(huì)暫停，直到動(dòng)畫(huà)結(jié)束。

同樣可以同時(shí)對(duì)CADisplayLink指定多個(gè)run loop模式，于是我們可以同時(shí)加入NSDefaultRunLoopMode和UITrackingRunLoopMode來(lái)保證它不會(huì)被滑動(dòng)打斷，也不會(huì)被其他UIKit控件動(dòng)畫(huà)影響性能，像這樣：

self.timer = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(step:)];
[self.timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
[self.timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:UITrackingRunLoopMode];

和CADisplayLink類(lèi)似，NSTimer同樣也可以使用不同的run loop模式配置，通過(guò)別的函數(shù)，而不是+scheduledTimerWithTimeInterval:構(gòu)造器 self.timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1/60.0 target:self selector:@selector(step:) userInfo:nil repeats:YES]; [[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:self.timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

物理模擬

即使使用了基于定時(shí)器的動(dòng)畫(huà)來(lái)復(fù)制第10章中關(guān)鍵幀的行為，但還是會(huì)有一些本質(zhì)上的區(qū)別：在關(guān)鍵幀的實(shí)現(xiàn)中，我們提前計(jì)算了所有幀，但是在新的解決方案中，我們實(shí)際上實(shí)在按需要在計(jì)算。意義在于我們可以根據(jù)用戶(hù)輸入實(shí)時(shí)修改動(dòng)畫(huà)的邏輯，或者和別的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)例如物理引擎進(jìn)行整合。

Chipmunk

我們來(lái)基于物理學(xué)創(chuàng)建一個(gè)真實(shí)的重力模擬效果來(lái)取代當(dāng)前基于緩沖的彈性動(dòng)畫(huà)，但即使模擬2D的物理效果就已近極其復(fù)雜了，所以就不要嘗試去實(shí)現(xiàn)它了，直接用開(kāi)源的物理引擎庫(kù)好了。

我們將要使用的物理引擎叫做Chipmunk。另外的2D物理引擎也同樣可以（例如Box2D），但是Chipmunk使用純C寫(xiě)的，而不是C++，好處在于更容易和Objective-C項(xiàng)目整合。Chipmunk有很多版本，包括一個(gè)和Objective-C綁定的“indie”版本。C語(yǔ)言的版本是免費(fèi)的，所以我們就用它好了。在本書(shū)寫(xiě)作的時(shí)候6.1.4是最新的版本；你可以從http://chipmunk-physics.net下載它。 Chipmunk完整的物理引擎相當(dāng)巨大復(fù)雜，但是我們只會(huì)使用如下幾個(gè)類(lèi)：

• cpSpace - 這是所有的物理結(jié)構(gòu)體的容器。它有一個(gè)大小和一個(gè)可選的重力矢量
• cpBody - 它是一個(gè)固態(tài)無(wú)彈力的剛體。它有一個(gè)坐標(biāo)，以及其他物理屬性，例如質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)和摩擦系數(shù)等等。
• cpShape - 它是一個(gè)抽象的幾何形狀，用來(lái)檢測(cè)碰撞?？梢越o結(jié)構(gòu)體添加一個(gè)多邊形，而且cpShape有各種子類(lèi)來(lái)代表不同形狀的類(lèi)型。 在例子中，我們來(lái)對(duì)一個(gè)木箱建模，然后在重力的影響下下落。我們來(lái)創(chuàng)建一個(gè)Crate類(lèi)，包含屏幕上的可視效果（一個(gè)UIImageView）和一個(gè)物理模型（一個(gè)cpBody和一個(gè)cpPolyShape，一個(gè)cpShape的多邊形子類(lèi)來(lái)代表矩形木箱）。

用C版本的Chipmunk會(huì)帶來(lái)一些挑戰(zhàn)，因?yàn)樗F(xiàn)在并不支持Objective-C的引用計(jì)數(shù)模型，所以我們需要準(zhǔn)確的創(chuàng)建和釋放對(duì)象。為了簡(jiǎn)化，我們把cpShape和cpBody的生命周期和Crate類(lèi)進(jìn)行綁定，然后在木箱的-init方法中創(chuàng)建，在-dealloc中釋放。木箱物理屬性的配置很復(fù)雜，所以閱讀了Chipmunk文檔會(huì)很有意義。

視圖控制器用來(lái)管理cpSpace，還有和之前一樣的計(jì)時(shí)器邏輯。在每一步中，我們更新cpSpace（用來(lái)進(jìn)行物理計(jì)算和所有結(jié)構(gòu)體的重新擺放）然后迭代對(duì)象，然后再更新我們的木箱視圖的位置來(lái)匹配木箱的模型（在這里，實(shí)際上只有一個(gè)結(jié)構(gòu)體，但是之后我們將要添加更多）。

Chipmunk使用了一個(gè)和UIKit顛倒的坐標(biāo)系（Y軸向上為正方向）。為了使得物理模型和視圖之間的同步更簡(jiǎn)單，我們需要通過(guò)使用geometryFlipped屬性翻轉(zhuǎn)容器視圖的集合坐標(biāo)（第3章中有提到），于是模型和視圖都共享一個(gè)相同的坐標(biāo)系。 具體的代碼見(jiàn)清單11.3。注意到我們并沒(méi)有在任何地方釋放cpSpace對(duì)象。在這個(gè)例子中，內(nèi)存空間將會(huì)在整個(gè)app的生命周期中一直存在，所以這沒(méi)有問(wèn)題。但是在現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)景中，我們需要像創(chuàng)建木箱結(jié)構(gòu)體和形狀一樣去管理我們的空間，封裝在標(biāo)準(zhǔn)的Cocoa對(duì)象中，然后來(lái)管理Chipmunk對(duì)象的生命周期。圖11.1展示了掉落的木箱。 清單11.3 使用物理學(xué)來(lái)對(duì)掉落的木箱建模

#import "ViewController.h" 
#import <QuartzCore/QuartzCore.h>
#import "chipmunk.h"
@interface Crate : UIImageView
@property (nonatomic, assign) cpBody *body;
@property (nonatomic, assign) cpShape *shape;

@end
@implementation Crate
#define MASS 100
- (id)initWithFrame:(CGRect)frame
{
    if ((self = [super initWithFrame:frame])) {
        //set image
        self.image = [UIImage imageNamed:@"Crate.png"];
        self.contentMode = UIViewContentModeScaleAspectFill;
        //create the body
        self.body = cpBodyNew(MASS, cpMomentForBox(MASS, frame.size.width, frame.size.height));
        //create the shape
        cpVect corners[] = {
            cpv(0, 0),
            cpv(0, frame.size.height),
            cpv(frame.size.width, frame.size.height),
            cpv(frame.size.width, 0),
        };
        self.shape = cpPolyShapeNew(self.body, 4, corners, cpv(-frame.size.width/2, -frame.size.height/2));
        //set shape friction & elasticity
        cpShapeSetFriction(self.shape, 0.5);
        cpShapeSetElasticity(self.shape, 0.8);
        //link the crate to the shape
        //so we can refer to crate from callback later on
        self.shape->data = (__bridge void *)self;
        //set the body position to match view
        cpBodySetPos(self.body, cpv(frame.origin.x + frame.size.width/2, 300 - frame.origin.y - frame.size.height/2));
    }
    return self;
}
- (void)dealloc
{
    //release shape and body
    cpShapeFree(_shape);
    cpBodyFree(_body);
}
@end
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, weak) IBOutlet UIView *containerView;
@property (nonatomic, assign) cpSpace *space;
@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *timer;
@property (nonatomic, assign) CFTimeInterval lastStep;
@end
@implementation ViewController

#define GRAVITY 1000
- (void)viewDidLoad
{
    //invert view coordinate system to match physics
    self.containerView.layer.geometryFlipped = YES;
    //set up physics space
    self.space = cpSpaceNew();
    cpSpaceSetGravity(self.space, cpv(0, -GRAVITY));
    //add a crate
    Crate *crate = [[Crate alloc] initWithFrame:CGRectMake(100, 0, 100, 100)];
    [self.containerView addSubview:crate];
    cpSpaceAddBody(self.space, crate.body);
    cpSpaceAddShape(self.space, crate.shape);
    //start the timer
    self.lastStep = CACurrentMediaTime();
    self.timer = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self
                                             selector:@selector(step:)];
    [self.timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop]
                     forMode:NSDefaultRunLoopMode];
}
void updateShape(cpShape *shape, void *unused)
{
    //get the crate object associated with the shape
    Crate *crate = (__bridge Crate *)shape->data;
    //update crate view position and angle to match physics shape
    cpBody *body = shape->body;
    crate.center = cpBodyGetPos(body);
    crate.transform = CGAffineTransformMakeRotation(cpBodyGetAngle(body));
}
- (void)step:(CADisplayLink *)timer
{
    //calculate step duration
    CFTimeInterval thisStep = CACurrentMediaTime();
    CFTimeInterval stepDuration = thisStep - self.lastStep;
    self.lastStep = thisStep;
    //update physics
    cpSpaceStep(self.space, stepDuration);
    //update all the shapes
    cpSpaceEachShape(self.space, &updateShape, NULL);
}
@end

圖11.1 一個(gè)木箱圖片，根據(jù)模擬的重力掉落

添加用戶(hù)交互

下一步就是在視圖周?chē)砑右坏啦豢梢?jiàn)的墻，這樣木箱就不會(huì)掉落出屏幕之外?；蛟S你會(huì)用另一個(gè)矩形的cpPolyShape來(lái)實(shí)現(xiàn)，就和之前創(chuàng)建木箱那樣，但是我們需要檢測(cè)的是木箱何時(shí)離開(kāi)視圖，而不是何時(shí)碰撞，所以我們需要一個(gè)空心而不是固體矩形。 我們可以通過(guò)給cpSpace添加四個(gè)cpSegmentShape對(duì)象（cpSegmentShape代表一條直線(xiàn)，所以四個(gè)拼起來(lái)就是一個(gè)矩形）。然后賦給空間的staticBody屬性（一個(gè)不被重力影響的結(jié)構(gòu)體）而不是像木箱那樣一個(gè)新的cpBody實(shí)例，因?yàn)槲覀儾幌胱屵@個(gè)邊框矩形滑出屏幕或者被一個(gè)下落的木箱擊中而消失。

同樣可以再添加一些木箱來(lái)做一些交互。最后再添加一個(gè)加速器，這樣可以通過(guò)傾斜手機(jī)來(lái)調(diào)整重力矢量（為了測(cè)試需要在一臺(tái)真實(shí)的設(shè)備上運(yùn)行程序，因?yàn)槟M器不支持加速器事件，即使旋轉(zhuǎn)屏幕）。清單11.4展示了更新后的代碼，運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖11.2。

由于示例只支持橫屏模式，所以交換加速計(jì)矢量的x和y值。如果在豎屏下運(yùn)行程序，請(qǐng)把他們換回來(lái)，不然重力方向就錯(cuò)亂了。試一下就知道了，木箱會(huì)沿著橫向移動(dòng)。

清單11.4 使用圍墻和多個(gè)木箱的更新后的代碼

- (void)addCrateWithFrame:(CGRect)frame
{
    Crate *crate = [[Crate alloc] initWithFrame:frame];
    [self.containerView addSubview:crate];
    cpSpaceAddBody(self.space, crate.body);
    cpSpaceAddShape(self.space, crate.shape);
}
- (void)addWallShapeWithStart:(cpVect)start end:(cpVect)end
{
    cpShape *wall = cpSegmentShapeNew(self.space->staticBody, start, end, 1);
    cpShapeSetCollisionType(wall, 2);
    cpShapeSetFriction(wall, 0.5);
    cpShapeSetElasticity(wall, 0.8);
    cpSpaceAddStaticShape(self.space, wall);
}
- (void)viewDidLoad
{
    //invert view coordinate system to match physics
    self.containerView.layer.geometryFlipped = YES;
    //set up physics space
    self.space = cpSpaceNew();
    cpSpaceSetGravity(self.space, cpv(0, -GRAVITY));
    //add wall around edge of view
    [self addWallShapeWithStart:cpv(0, 0) end:cpv(300, 0)];
    [self addWallShapeWithStart:cpv(300, 0) end:cpv(300, 300)];
    [self addWallShapeWithStart:cpv(300, 300) end:cpv(0, 300)];
    [self addWallShapeWithStart:cpv(0, 300) end:cpv(0, 0)];
    //add a crates
    [self addCrateWithFrame:CGRectMake(0, 0, 32, 32)];
    [self addCrateWithFrame:CGRectMake(32, 0, 32, 32)];
    [self addCrateWithFrame:CGRectMake(64, 0, 64, 64)];
    [self addCrateWithFrame:CGRectMake(128, 0, 32, 32)];
    [self addCrateWithFrame:CGRectMake(0, 32, 64, 64)];
    //start the timer
    self.lastStep = CACurrentMediaTime();
    self.timer = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self
                                             selector:@selector(step:)];
    [self.timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop]
                     forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    //update gravity using accelerometer
    [UIAccelerometer sharedAccelerometer].delegate = self;
    [UIAccelerometer sharedAccelerometer].updateInterval = 1/60.0;
}
- (void)accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration
{
    //update gravity
    cpSpaceSetGravity(self.space, cpv(acceleration.y * GRAVITY, -acceleration.x * GRAVITY));
}

圖11.1 真實(shí)引力場(chǎng)下的木箱交互

模擬時(shí)間以及固定的時(shí)間步長(zhǎng)

對(duì)于實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)的緩沖效果來(lái)說(shuō)，計(jì)算每幀持續(xù)的時(shí)間是一個(gè)很好的解決方案，但是對(duì)模擬物理效果并不理想。通過(guò)一個(gè)可變的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)有著兩個(gè)弊端：

• 如果時(shí)間步長(zhǎng)不是固定的，精確的值，物理效果的模擬也就隨之不確定。這意味著即使是傳入相同的輸入值，也可能在不同場(chǎng)合下有著不同的效果。有時(shí)候沒(méi)多大影響，但是在基于物理引擎的游戲下，玩家就會(huì)由于相同的操作行為導(dǎo)致不同的結(jié)果而感到困惑。同樣也會(huì)讓測(cè)試變得麻煩。
• 由于性能故常造成的丟幀或者像電話(huà)呼入的中斷都可能會(huì)造成不正確的結(jié)果?？紤]一個(gè)像子彈那樣快速移動(dòng)物體，每一幀的更新都需要移動(dòng)子彈，檢測(cè)碰撞。如果兩幀之間的時(shí)間加長(zhǎng)了，子彈就會(huì)在這一步移動(dòng)更遠(yuǎn)的距離，穿過(guò)圍墻或者是別的障礙，這樣就丟失了碰撞。 我們想得到的理想的效果就是通過(guò)固定的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)計(jì)算物理效果，但是在屏幕發(fā)生重繪的時(shí)候仍然能夠同步更新視圖（可能會(huì)由于在我們控制范圍之外造成不可預(yù)知的效果）。 幸運(yùn)的是，由于我們的模型（在這個(gè)例子中就是Chipmunk的cpSpace中的cpBody）被視圖（就是屏幕上代表木箱的UIView對(duì)象）分離，于是就很簡(jiǎn)單了。我們只需要根據(jù)屏幕刷新的時(shí)間跟蹤時(shí)間步長(zhǎng)，然后根據(jù)每幀去計(jì)算一個(gè)或者多個(gè)模擬出來(lái)的效果。

我們可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)每次CADisplayLink的啟動(dòng)來(lái)通知屏幕將要刷新，然后記錄下當(dāng)前的CACurrentMediaTime()。我們需要在一個(gè)小增量中提前重復(fù)物理模擬（這里用120分之一秒）直到趕上顯示的時(shí)間。然后更新我們的視圖，在屏幕刷新的時(shí)候匹配當(dāng)前物理結(jié)構(gòu)體的顯示位置。 清單11.5展示了固定時(shí)間步長(zhǎng)版本的代碼

清單11.5 固定時(shí)間步長(zhǎng)的木箱模擬

#define SIMULATION_STEP (1/120.0)
- (void)step:(CADisplayLink *)timer
{
    //calculate frame step duration
    CFTimeInterval frameTime = CACurrentMediaTime();
    //update simulation
    while (self.lastStep < frameTime) {
        cpSpaceStep(self.space, SIMULATION_STEP);
        self.lastStep += SIMULATION_STEP;
    }
    ?
    //update all the shapes
    cpSpaceEachShape(self.space, &updateShape, NULL);
}

避免死亡螺旋

當(dāng)使用固定的模擬時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)候，有一件事情一定要注意，就是用來(lái)計(jì)算物理效果的現(xiàn)實(shí)世界的時(shí)間并不會(huì)加速模擬時(shí)間步長(zhǎng)。在我們的例子中，我們隨意選擇了120分之一秒來(lái)模擬物理效果。Chipmunk很快，我們的例子也很簡(jiǎn)單，所以cpSpaceStep()會(huì)完成的很好，不會(huì)延遲幀的更新。

但是如果場(chǎng)景很復(fù)雜，比如有上百個(gè)物體之間的交互，物理計(jì)算就會(huì)很復(fù)雜，cpSpaceStep()的計(jì)算也可能會(huì)超出1/120秒。我們沒(méi)有測(cè)量出物理步長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)了相對(duì)于幀刷新來(lái)說(shuō)并不重要，但是如果模擬步長(zhǎng)更久的話(huà)，就會(huì)延遲幀率。

如果幀刷新的時(shí)間延遲的話(huà)會(huì)變得很糟糕，我們的模擬需要執(zhí)行更多的次數(shù)來(lái)同步真實(shí)的時(shí)間。這些額外的步驟就會(huì)繼續(xù)延遲幀的更新，等等。這就是所謂的死亡螺旋，因?yàn)樽詈蟮慕Y(jié)果就是幀率變得越來(lái)越慢，直到最后應(yīng)用程序卡死了。

我們可以通過(guò)添加一些代碼在設(shè)備上來(lái)對(duì)物理步驟計(jì)算真實(shí)世界的時(shí)間，然后自動(dòng)調(diào)整固定時(shí)間步長(zhǎng)，但是實(shí)際上它不可行。其實(shí)只要保證你給容錯(cuò)留下足夠的邊長(zhǎng)，然后在期望支持的最慢的設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試就可以了。如果物理計(jì)算超過(guò)了模擬時(shí)間的50%，就需要考慮增加模擬時(shí)間步長(zhǎng)（或者簡(jiǎn)化場(chǎng)景）。如果模擬時(shí)間步長(zhǎng)增加到超過(guò)1/60秒（一個(gè)完整的屏幕更新時(shí)間），你就需要減少動(dòng)畫(huà)幀率到一秒30幀或者增加CADisplayLink的frameInterval來(lái)保證不會(huì)隨機(jī)丟幀，不然你的動(dòng)畫(huà)將會(huì)看起來(lái)不平滑。

總結(jié)

在這一章中，我們了解了如何通過(guò)一個(gè)計(jì)時(shí)器創(chuàng)建一幀幀的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，包括緩沖，物理模擬等等一系列動(dòng)畫(huà)技術(shù)，以及用戶(hù)輸入（通過(guò)加速計(jì)）。 在第三部分中，我們將研究動(dòng)畫(huà)性能是如何被被設(shè)備限制所影響的，以及如何調(diào)整我們的代碼來(lái)活的足夠好的幀率。