SDWebImage原理解析

SDWebImage ：github托管地址https://github.com/rs/SDWebImage

一、功能简介：

一个添加了web图片加载和缓存管理的UIImageView分类
一个异步图片下载器
一个异步的内存加磁盘综合存储图片并且自动处理过期图片
支持动态gif图
支持webP格式的图片
后台图片解压处理
确保同样的图片url不会下载多次
确保伪造的图片url不会重复尝试下载
确保主线程不会阻塞

二、SDWebImage 加载图片的流程

入口 setImageWithURL:placeholderImage:options:会先把 placeholderImage 显示，然后 SDWebImageManager 根据 URL 开始处理图片
进入 SDWebImageManager-downloadWithURL:delegate:options:userInfo:，交给 SDImageCache 从缓存查找图片是否已经下载 queryDiskCacheForKey:delegate:userInfo:
1. 先从内存图片缓存查找，如果内存中已经有图片缓存，SDImageCacheDelegate 回调 imageCache:didFindImage:forKey:userInfo:到 SDWebImageManager
2. SDWebImageManagerDelegate 回调 webImageManager:didFinishWithImage: 到 UIImageView+WebCache 等前端展示图片
如果内存缓存中没有，生成 NSInvocationOperation 添加到队列开始从硬盘查找图片是否已经缓存
1. 根据 URLKey 在硬盘缓存目录下尝试读取图片文件。这一步是在 NSOperation 进行的操作，所以回主线程进行结果回调 notifyDelegate:
2. 如果上一操作从硬盘读取到了图片，将图片添加到内存缓存中（如果空闲内存过小，会先清空内存缓存）。SDImageCacheDelegate 回调 imageCache:didFindImage:forKey:userInfo:；进而回调展示图片
如果从硬盘缓存目录读取不到图片，说明所有缓存都不存在该图片，需要下载图片，回调 imageCache:didNotFindImageForKey:userInfo:
共享或重新生成一个下载器 SDWebImageDownloader 开始下载图片
connectionDidFinishLoading: 数据下载完成后交给 SDWebImageDecoder 做图片解码处理
1. 图片解码处理在一个 NSOperationQueue 完成，不会拖慢主线程 UI。如果有需要对下载的图片进行二次处理，可以在这里完成，效率会好很多。
2. 在主线程 notifyDelegateOnMainThreadWithInfo:宣告解码完成，imageDecoder:didFinishDecodingImage:userInfo: 回调给 SDWebImageDownloader
imageDownloader:didFinishWithImage: 回调给 SDWebImageManager 告知图片下载完成
通知所有的 downloadDelegates 下载完成，回调给需要的地方展示图片
将图片保存到 SDImageCache 中，内存缓存和硬盘缓存同时保存。写文件到硬盘也在以单独 NSInvocationOperation 完成，避免拖慢主线程

三、图片缓存策略： (不缓存，内存缓存，沙盒缓存)

SDImageCache是怎么做数据管理的？

SDImageCache分两个部分，一个是内存层面的，一个是硬盘层面的。
内存层面的相当是个缓存器，以Key-Value的形式存储图片。当内存不够的时候会清除所有缓存图片。
用搜索文件系统的方式做管理，文件替换方式是以时间为单位，剔除时间大于一周的图片文件
当SDWebImageManager向SDImageCache要资源时，先搜索内存层面的数据，如果有直接返回，没有的话去访问磁盘，将图片从磁盘读取出来，然后做Decoder，将图片对象放到内存层面做备份，再返回调用层。

具体代码：

Memory Cache：

@interface SDImageCache ()
#pragma mark - Properties
@property (strong, nonatomic, nonnull) NSCache *memCache;
// 这里我们发现， 有一个叫做 memCache 的属性，它是一个 NSCache 对象，用于实现我们对图片的 Memory Cache。
// NSCache 简单来说，它是一个类似于 NSDictionary 的集合类，用于在内存中存储我们要缓存的数据。详细信息大家可以参考官方文档：https://developer.apple.com/reference/foundation/nscache

// SDWebImage 还专门实现了一个叫做 AutoPurgeCache 的类， 相比于普通的 NSCache， 它提供了一个在内存紧张时候释放缓存的能力：
// 接受系统的内存警告通知，然后清除掉自身的图片缓存
@interface AutoPurgeCache : NSCache
@end
@implementation AutoPurgeCache
- (nonnull instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
#if SD_UIKIT
        [[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:self selector:@selector(removeAllObjects) name:UIApplicationDidReceiveMemoryWarningNotification object:nil];
#endif
    }
    return self;
}

Disk Cache：

也就是文件缓存，SDWebImage 会将图片存放到 NSCachesDirectory 目录中，然后为每一个缓存文件生成一个 md5 文件名, 存放到文件中。

Disk 缓存清理策略
1. SDWebImage 会在每次 APP 结束和程序切到后台的时候执行清理任务。清理缓存的规则分两步进行。第一步先清除掉过期的缓存文件。如果清除掉过期的缓存之后，空间还不够。那么就继续按文件时间从早到晚排序，先清除最早的缓存文件，直到剩余空间达到要求。
2. 具体点，SDWebImage 是怎么控制哪些缓存过期，以及剩余空间多少才够呢？通过两个属性：
```
@interface SDImageCache : 
NSObject@property (assign, nonatomic) NSInteger maxCacheAge;//文件缓存的时长
@property (assign, nonatomic) NSUInteger maxCacheSize;//允许的最大缓存空间

//  maxCacheAge 的默认值
static const NSInteger kDefaultCacheMaxCacheAge = 60 * 60 * 24 * 7; // 1 week
// maxCacheSize 的默认值
[SDImageCache sharedImageCache].maxCacheSize = 1024 * 1024 * 50;  // 50M
```

四、图片Decoder

为啥必须做Decoder?
1. 首先来了解下几种图片格式的区别(png, jpg, gif ,webp,bitMap等等)：
  1. jpeg :
    1. 有损压缩格式, 将像素信息用jpeg保存成文件再读取出来，其中某些像素值会有少许变化。
    2. 没有透明信息
    3. jpeg比较适合用来存储相机拍摄出来的图片
  2. png :
    1. 是一种无损压缩格式：因为它们使用的 (主要是基于游程长度编码的) 压缩算法可以减少存储需求。这种压缩是无损的，这意味着图像质量不会被压缩过程影响
    2. 可以有透明效果
    3. 比较适合矢量图,几何图
    (矢量格式的一大优点就是缩放.矢量格式的图像其实是一组绘图命令.这些指令通常是独立于尺寸的.如果你想要扩大一个圆形,只需在绘制之前扩大他的半径就可以了)
  3. bitMap(位图):
    1. bmp格式没有压缩像素格式
    2. 存储在文件中时先有文件头、再图像头、后面就都是像素数据了，上下颠倒存储
    3. 最早接触到bitMap是在imageView的layer.shouldRasterize
2. CALayer的shouldRasterize和离屏渲染(offscreen rendering)：
  1. 离屏渲染消耗性能原因是显卡需要另外alloc一块内存来进行渲染,渲染完毕后在绘制到当前屏幕,而且对于显卡来说,onscreen到offscreen的上下文环境切换是非常昂贵的(涉及到OpenGL的pipelines和barrier等).
  2. 开启shouldRasterize后,CALayer会被光栅化为bitmap,layer的阴影等效果也会被保存到bitmap中.
    
    更新已光栅化的layer,会造成大量的offscreen渲染.
  3. 当你设置图片的圆角属性的时候，会触发GPU的离屏渲染，这个过程消耗性能。当设置这个属性( shouldRasterize )后为YES后 the layer is rendered as a bitmap in its local coordinate space and then composited to the destination with any other content. rendered as a bitmap这个过程是由CPU完成的，等下次使用时不会再重新去渲染了，直接使用bitmap。如果不设置这个属性为YES，the layer is composited directly into the destination whenever possible.造成离屏渲染
  参考文章Advanced Graphics and Animations for iOS Apps
3. 图片的在内存中的大小
  1. 图片在内存中占用的大小跟图片自身的大小没有关系
  2. 内存中占用的大小 = 图片的宽度 * 图片的高度*每个像素占用的字节数
  3. 在SDWebImage中衡量大图的标准：图片的像素总数 > 60M内存所存储的像素数 ? 压缩 : 不压缩
    1. 苹果官方的加载大图demo
    2. 这个里面的大图处理逻辑个SDWebImage 是完全一样的,介绍更详细,建议看苹果官方的
    3. 基本原理:也就是原图按照定好的大小(像素).来对原图进行切块,然后再一块块的绘制到destContext
    4. SDWebImage部份可以参考：+ (nullable UIImage *)decodedAndScaledDownImageWithImage:(nullable UIImage *)image函数
4. png,jpeg格式的数据是不能直接使用的,需要将其转化为位图
5. 当我们使用imageView显示图片的时候:
  1. 读取图片
  2. 解压图片为位图(消耗CPU)
  3. 如果位图数据不是字节对齐的，CoreAnimation会copy一份位图数据并进行字节对齐
  4. CoreAnimation渲染解压缩过的位图
  5. 这一切在IOS中都是默认发生在主线程成的并且是在UIImageView执行setImage方法的时候完成的
6. 补充点：
  1. +(nullableUIImage*)imageNamed:(NSString*)name：不适合加载大的不常用的图片.因为它会默认在程序里保存这张图片数据(不会随ImageView的移除而移除).只有经常使用图片适合这种方式加载.
  2. + (nullableUIImage*)imageWithContentsOfFile:(NSString*)path：这个方法跟上面的略有不同,他不会在内存中保留一份数据.只要imageView移除,内存中的数据就会直接移除.这也就是这个方法为什么适合加载大的图片,但却不常用的图片.
  3. 相关的参考文章：IOS异步图片加载与常用的优化

解码部份的代码：

// 用来说明每个像素占用内存多少个字节，在这里是占用4个字节
static const size_t kBytesPerPixel = 4;
/** 表示每一个组件占多少位
 比方说RGBA，其中R（红色）G（绿色）B（蓝色）A（透明度）是4个组件，每个像素由这4个组件组成，那么我们就用8位来表示着每一个组件，所以这个RGBA就是8*4 = 32位。
 */
static const size_t kBitsPerComponent = 8;

/**
 知道了kBitsPerComponent和每个像素有多少组件组成就能计算kBytesPerPixel了。计算公式是：(bitsPerComponent * number of components + 7)/8.
*/

+ (nullable UIImage *)decodedImageWithImage:(nullable UIImage *)image {
     /** 判断要不要解码
     并不是所有的image都要解码的。可以来看看shouldDecodeImage:这个函数：
     不适合解码的条件为：
     1. image为nil
     2. animated images 动图不适合
     3. 带有透明因素的图像不适合
     */
    if (![UIImage shouldDecodeImage:image]) {
        return image;
    }
   
    // autorelease the bitmap context and all vars to help system to free memory when there are memory warning.
    // on iOS7, do not forget to call [[SDImageCache sharedImageCache] clearMemory];
    @autoreleasepool{
        
        CGImageRef imageRef = image.CGImage;
         // 颜色空间
        CGColorSpaceRef colorspaceRef = [UIImage colorSpaceForImageRef:imageRef];
        
        size_t width = CGImageGetWidth(imageRef);
        size_t height = CGImageGetHeight(imageRef);
         // 计算出每行的像素数 
        size_t bytesPerRow = kBytesPerPixel * width;

        // kCGImageAlphaNone is not supported in CGBitmapContextCreate.
        // Since the original image here has no alpha info, use kCGImageAlphaNoneSkipLast
        // to create bitmap graphics contexts without alpha info.
         // 创建没有透明因素的bitmap graphics contexts
        CGContextRef context = CGBitmapContextCreate(NULL,
                                                     width,
                                                     height,
                                                     kBitsPerComponent,
                                                     bytesPerRow,
                                                     colorspaceRef,
                                                     kCGBitmapByteOrderDefault|kCGImageAlphaNoneSkipLast);
        if (context == NULL) {
            return image;
        }
        
        // Draw the image into the context and retrieve the new bitmap image without alpha
         // 绘制图像
        CGContextDrawImage(context, CGRectMake(0, 0, width, height), imageRef);
        CGImageRef imageRefWithoutAlpha = CGBitmapContextCreateImage(context);
        UIImage *imageWithoutAlpha = [UIImage imageWithCGImage:imageRefWithoutAlpha
                                                         scale:image.scale
                                                   orientation:image.imageOrientation];
        
        CGContextRelease(context);
        CGImageRelease(imageRefWithoutAlpha);
        
        return imageWithoutAlpha;
    }
}

总结：结合上面五点总结下为什么要解码：
其实不解码也是可以使用的，假如说我们通过imageNamed:来加载image，系统默认会在主线程立即进行图片的解码工作。这一过程就是把image解码成可供控件直接使用的位图。

当在主线程调用了大量的imageNamed:方法后，就会产生卡顿了。为了解决这个问题我们有两种比较简单的处理方法：
1. 我们不使用imageNamed:加载图片，使用其他的方法，比如imageWithContentsOfFile:
2. 我们自己解码图片，可以把这个解码过程放到子线程
好处：
1. 把图片解码这个默认在主线程执行,耗损CPU的行为,放在了后台线程.
2. 只需要在使用的时候,直接setImage,不会有太大的CPU消耗
弊端：
1. 这样解码就是以空间换时间的方法,提前解压好,用的时候直接从内存读取.
2. 如果下载的图片比较大,然后直接解码的话这个是内存所不能承受,需要对图片进行压缩.

五、部份API说明：

所有类的作用介绍一下(3.8.1版本)

SDImageCache  //缓存  定义了 Disk  和  memory二级缓存（NSCache）负责管理cache  单例
SDWebImageManager  //核心管理类 主要对缓存管理 + 下载管理进行了封装  主要接口downloadImageWithURL单利
SDWebImageDownloader //异步图片下载管理，管理下载队列，管理operation 管理网络请求 处理结果和异常，单例
SDWebImageCompat  //保证不同平台/版本/屏幕等兼容性的宏定义和内联 图片缩放
SDWebImageDecoder  //图片解压缩，内部只有一个接口
存放网络请求回调的block  //自己理解的数据结构大概是
//  结构{"url":[{"progress":"progressBlock"},{"complete":"completeBlock"}]}

SDWebImageDownloaderOperation //实现了异步下载图片的NSOperation，网络请求给予NSURLSession 代理下载,自定义的Operation任务对象，需要手动实现start cancel等方法

SDWebImageOperation  //operation协议  只定义了cancel operation这一接口 上面的downloaderOperation的代理

SDWebImagePrefetcher //低优先级情况下预先下载图片，对SDWebImageViewManager进行简单封装 很少用
MKAnnotationView+WebCache  //为MKAnnotationView异步加载图片
NSData+ImageContentType  //通过Image data判断当前图片的格式
UIButton+WebCache  //为UIButton异步加载图片
UIImage+GIF  //将Image data转换成指定格式图片
UIImage+MultiFormat //将image data转换成指定格式图片
UIImageView+HighlightedWebCache //为UIImageView异步加载图片
UIImageView+WebCache  //为UIImageView异步加载图片
UIView+WebCacheOperation  //保存当前MKAnnotationView / UIButton / UIImageView异步下载图片的operations

SDWebImageOptions 所有选项

//默认情况下，当一个url下载失败，如果URL在黑名单中那么SDWebImage库不进行重试。这个标志使黑名单失效。
SDWebImageRetryFailed = 1 << 0,

//默认情况下，在UI交互中开始图片下载，这个标志使这个特性失效，例如导致在UIScrollView减速中延迟下载
SDWebImageLowPriority = 1 << 1,

//只进行内存缓存,这个标志使硬盘缓存失效
SDWebImageCacheMemoryOnly = 1 << 2,

//这个标志可以渐进式下载,显示的图像是逐步在下载
SDWebImageProgressiveDownload = 1 << 3,

//刷新缓存
SDWebImageRefreshCached = 1 << 4,

//后台下载，如果后台任务时间过期那么操作将会被取消
SDWebImageContinueInBackground = 1 << 5,

//通过设置NSMutableURLRequest来操作cookies保存到NSHTTPCookieStore
//NSMutableURLRequest.HTTPShouldHandleCookies = YES;
SDWebImageHandleCookies = 1 << 6,

//允许使用无效的SSL证书,测试目的是有效的。在生产环境被警告
SDWebImageAllowInvalidSSLCertificates = 1 << 7,

//默认情况下，图片在队列中排队下载。这个标志移动他们到前面的队列中
SDWebImageHighPriority = 1 << 8,

//延迟占位符
SDWebImageDelayPlaceholder = 1 << 9,

//我们通常在动画图片中不调用transformDownloadedImage代理，大部分的变形代码将损坏图片。使用这个标志在任何情况下变形图片
SDWebImageTransformAnimatedImage = 1 << 10
  
//默认情况下，图片是在下载完成后加载到图片视图；使用这个标志，如果你想在下载成功后在完成块中手动设置图片。
SDWebImageAvoidAutoSetImage = 1 << 11,

// 默认情况下，图片解码为原始的大小。在iOS，这个标志会把图片缩小到与设备的受限内容相兼容的大小。如果设置了SDWebImageProgressDownload标志，那么缩小被设置为无效。
SDWebImageScaleDownLargeImages = 1 << 12,

// 默认情况下，当图像缓存在内存中时，我们不查询磁盘数据。 此掩码可以强制同时查询磁盘数据。
// *建议将此标志与`SDWebImageQueryDiskSync`一起使用，以确保图像在同一个runloop中加载。
SDWebImageQueryDataWhenInMemory = 1 << 13,

// 默认情况下，我们同步查询内存缓存，异步查询磁盘缓存。 此掩码可以强制同步查询磁盘缓存，以确保在同一个runloop中加载映像。
// *如果禁用内存缓存或在某些其他情况下，此标志可以避免在单元重用期间闪烁。
SDWebImageQueryDiskSync = 1 << 14,

// 默认情况下，当缓存丢失时，将从网络下载映像。 此标志可以阻止网络仅从缓存加载。
SDWebImageFromCacheOnly = 1 << 15,

// 默认情况下，在图像加载完成后使用“SDWebImageTransition”进行某些视图转换时，此转换仅适用于从网络下载图像。 此掩码也可以强制为内存和磁盘缓存应用视图转换。
SDWebImageForceTransition = 1 << 16

结构图

类API

参考：一张图片引发的深思

SDWebImage原理解析

一、功能简介：

二、SDWebImage 加载图片的流程

三、图片缓存策略： (不缓存，内存缓存，沙盒缓存)

四、图片Decoder

好处：

弊端：

五、部份API说明：