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爱奇艺自研UI引擎渲染技术分析
The following article is from 爱奇艺技术产品团队 Author Lyra team
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来源：爱奇艺技术产品团队 | 本期责编：可可
摘要
我们都知道，好的视频内容可以吸引更多用户。那么在好的内容基础上，我们希望用更好的架构及渲染技术，不断迭代出更轻、更炫、更平滑的客户端，保证用户有更好的体验。在此驱动下我们致力于开发一套高效的跨平台渲染引擎Lyra，为用户提供新的体验。本文主要详细阐述在PC客户端上引入的新渲染技术。
背景
爱奇艺PC客户端之前使用的UI引擎是公司内部开发的QuiLib。QuiLib是基于开源的uilib和DuiLib开发的轻量级的UI引擎。QuiLib使用了DirectUI框架，其主要思想就是控件无窗口化。虽然在很长一段时间内，QuiLib都发挥着至关重要的作用，但是随着渲染技术和计算机技术的发展，QuiLib暴露了它的很多缺点。
QuiLib的渲染的流程
QuiLib的动画Timer、业务逻辑、布局、渲染等均在主线程，这样每一个阶段的耗时都会导致整个流程的推迟或卡顿，其主要问题有：
（1）绘制性能差，如当UI元素进行alpha或者旋转变化时，paint慢且需要多次内存拷贝，效率很低；
（2）冗余layout，排版效率低，一次业务处理过程中若对某个节点多次操作，会导致该节点冗余layout；
（3）动画不流畅，每组动画都有独立的时间线，同时主线程负载太重，任何一环耗时，都会导致动画不平滑，用户体验差。
其次，在组件架构层面，QuiLib也存在一些欠缺。
组件架构图
从组件架构图可以看出：QuiLib基于Windows和GDI图形库；QuiLib 没有利用D3D等3D图形技术来给UI渲染提速，并且重度使用了GDI，无法做到渲染跨平台化。这样会导致如下问题：不能充分利用显卡的性能，不支持跨平台化。
技术引入
为了解决现在的框架(即Quilib)具有的以上问题，我们做出了以下的技术解决方案：
（1）3D渲染：充分利用显卡性能，加速图形渲染速度；
（2）异步渲染：把渲染流程细划为业务逻辑、样式变化、布局、生成渲染命令、执行渲染命令、合成渲染层和刷新到屏幕几个阶段；每个线程使用一个唯一的动画时间线，来驱动动画；
（3）分层渲染：根据情况，自动把某些频繁渲染的元素从主渲染层提升为单独的渲染层，这样每个层都进行单独的渲染流程，最后再把这些渲染结果合成并且上传到屏幕；
引入新的设计思想和渲染技术，能够让基于Lyra开发的PC应用运行更平滑，达到和mac系统上应用一样的平滑度。
技术实践
为了实践以上设计思想和渲染技术，我们开发了一个新的UI渲染引擎并且命名为Lyra（天琴座），寓意希望新的UI渲染引擎像天琴座一样灿烂。
跨平台和GPU渲染图形库
Lyra一开始就致力于跨平台和GPU加速渲染。通过调研和比较现在流行的图形库及游戏渲染引擎，Lyra最终选择了使用skia。
Lyra引擎组件架构图：阐述了新UI引擎的层级关系
skia具有如下这些优点：
（1）跨平台；
（2）高效基本图元渲染；
（3）高效的字体处理及文本渲染；
（4）丰富的图像格式支持；
（5）支持3D渲染，可以无缝切换为2D渲染。
得益于skia 3D & 2D backend的无缝切换，lyra可以针对不同的机器配置选择不同的渲染方式，优化Layered窗口这种需要渲染后处理的特殊情况，支持运行时渲染方式的自动fallback。也正是3D & 2D backend的无缝切换也导致skia资源占用很高，为了优化资源占用及命令序列化，也需要做很多侵占式的定制，在此不详述了。
异步渲染
Lyra使用了多线程渲染技术：UI主线程主要负责与用户交互，Render线程主要负责图形渲染。
Lyra新的渲染流程图
如上图：Lyra把渲染流程细分为更多的步骤：Event&Message、样式变化、Layout、Paint(生成绘制命令)、Execute(执行绘制命令)、合成、刷新到窗口。在渲染过程中，比较耗时的几个点就是用户逻辑处理、Layout和执行渲染命令、合成。
Lyra把Paint以及其之前和Execute以及其之后分为两大块，这两大块是并行运行。这样的好处是：执行渲染命令的耗时不会导致用户响应延迟，主线程的Timer等比较耗时的逻辑也不会导致渲染延迟；同时形成渲染流水，执行灵活的帧选择策略，最大化渲染效率，提高响应速度。
动画系统由基于线程的唯一Timer来驱动，保证一个线程一个时间线，这样减少了Timer资源的消耗，提高了动画的渲染效率。同时将动画分为主线程动画和render线程动画，主线程动画操作逻辑渲染节点，Render线程动画驱动layer层相关动画。动画系统自动将不同的动画附着到不同的线程。通过如此设计可以支持3D动效、复杂动效，各部件联动，最大化动画帧率。
分层渲染
我们知道一个UI程序，大部分时候只有个别元素在响应事件。比如旋转时，理论上我们只需要绘制正在旋转的这个元素就可以。所以基于这种理念，Lyra实现了分层渲染技术，针对于每个元素，Lyra内部会根据情况创建新层或者销毁多余的层。
分层渲染，需要解决以下问题：各种树之间的逻辑关系；何时创建新的层。
我们用一个示例来说明分层技术的实现原理。
只有主层
在这个示例中，UI第一次展示时，只有主层，如下图所示：
创建分层渲染中的所有树：
（1）解析xml生成一棵Control树，这棵树主要负责处理事件和消息，以及管理各个Control的生命周期；
（2）生成一棵RenderObject树，这棵树的RenderObject和Control树中的Control有一一映射关系，并且RenderObject生命周期的管理完全由Control负责；
（3）Lyra根据需要会生成一棵RenderLayer树，同时也会生成一棵GraphicsLayer树；GraphicsLayer树上的结点和RenderLayer树上的结点有一一映射关系。
构建新层
当用户旋转其中一个元素时，就需要创建新的层。旋转C-5时，树之间的关系以及层之间关系就有如下图新的变化：
这里Lyra根据需要会生成新的层RL-Rotation（对应于RO-5）和RL-Fake（对应于RO-6）。
异步绘制
示例中的3层在UI主线程生成绘制命令，并且交换到Render线程，下图展示了异步绘制：
RenderLayer树来负责驱动关联于它上的RenderObject的Paint，生成绘制命令。 GraphicsLayer对应于真正的LyraSurface，会驱动RenderLayer生成绘制命令，并且把绘制命令交换到渲染线程。
合成
渲染线程在接收到绘制命令后，填充屏幕像素，如下图所示：
Lyra合成器会驱动GraphicsLayer在渲染线程中执行绘制命令，并且合成绘制结果，最后刷新到屏幕上。
结语
本文主要简述了Lyra渲染技术相关的一些突破性工作：
（1）3D渲染、跨平台渲染；
（2）异步渲染，基于线程Timer驱动的动画系统；
（3）分层渲染。如果你想深入了解或者使用Lyra，可以直接在公众号上留言。