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[置顶] Swift 绘图板功能完善以及终极优化

来源：程序员人生发布时间：2015-06-29 08:20:20 阅读次数：2146次

转载请注明出处：http://blog.csdn.net/zhangao0086/article/details/45289475。

前文总结

接着这篇：Swift 全功能的绘图板开发，虽然在上1篇中我们已完成了这些功能：

支持铅笔绘图（画点）
支持画直线
支持1些简单的图形（矩形、圆形等）
做1个真实的橡皮擦
能设置画笔的粗细
能设置画笔的色彩
能设置背风景或背景图

但是还有1个非常重要的功能没有实现，没错，那就是 Undo/Redo！我之所以把这个功能单独放出来是有缘由的，1是由于上1篇已篇幅太长，不合适继续往上加内容；2是由于为了实现 Undo/Redo 功能，我们需要对 DrawingBoard 进行1些重构，在这篇文章中，你能看到用另外一种方式实现的绘图板。

实现的效果：
这里写图片描述

更新 ViewController

先添加两张按钮图：
这里写图片描述
黑底、50%的透明度，箭头用白色。
（PS：这可是我自己做的，别厌弃）
图片放到 Images.xcasserts 里：

（再次PS：图嫌小的话，就放在2x上）
然后在 Storyboard 里添加两个 Button：

注意里面的红框，Button 与 Board 平级，并且在 Board 的上方。
Button 的束缚以下：

分别为左、右的 Button 设置 Undo、Redo 的 Image
左侧的 Undo 按钮离左 10px，顶部距离父视图 74px
右侧的 Redo 按钮离右 10px，顶部与 Undo 相同
不要设置宽、高束缚，应与 Image 1致

两个按钮的点击事件连接到 VC 里：

@IBAction func undo(sender: UIButton) {
    self.board.undo()
}

@IBAction func redo(sneder: UIButton) {
    self.board.redo()
}

（此时的 Board 还没有 undo/redo 方法，你可以自行添加或稍后再添加）
两个按钮本身也连接到 VC 里：

@IBOutlet var undoButton: UIButton!
@IBOutlet var redoButton: UIButton!

更新我们原viewDidLoad中的动画方法，使两个 Button 也适时的隐藏及显示：

...
self.board.drawingStateChangedBlock = {(state: DrawingState) -> () in
    if state != .Moved {
        UIView.beginAnimations(nil, context: nil)
        if state == .Began {
            self.topViewConstraintY.constant = -self.topView.frame.size.height
            self.toolbarConstraintBottom.constant = -self.toolbar.frame.size.height

            self.topView.layoutIfNeeded()
            self.toolbar.layoutIfNeeded()

            self.undoButton.alpha = 0  // 新增
            self.redoButton.alpha = 0  // 新增
        } else if state == .Ended {
            UIView.setAnimationDelay(1.0)
            self.topViewConstraintY.constant = 0
            self.toolbarConstraintBottom.constant = 0

            self.topView.layoutIfNeeded()
            self.toolbar.layoutIfNeeded()

            self.undoButton.alpha = 1  // 新增
            self.redoButton.alpha = 1  // 新增
        }
        UIView.commitAnimations()
    }
}
...

更新 Board

Undo/Redo 真实的逻辑都在Board 里面，我打算用图片栈保存 DrawingBoard 的每张图，当 Undo/Redo 的时候直接把前1个状态取出并显示，为了分别存储 Undo/Redo 操作所用的图片，我们要建立两个图片栈：

private var undoImages = [UIImage]()
private var redoImages = [UIImage]()

然后加两个工具方法：canUndo 和 canRedo ：

var canUndo: Bool {
    get {
        return self.undoImages.count > 0 || self.image != nil
    }
}

var canRedo: Bool {
    get {
        return self.redoImages.count > 0
    }
}

然后是 undo/redo 这两个主要方法：

func undo() {
    if self.canUndo == false {
        return
    }

    if self.undoImages.count > 0 {
        self.redoImages.append(self.image!)

        let lastImage = self.undoImages.removeLast()
        self.image = lastImage

    } else if self.image != nil {
        self.redoImages.append(self.image!)
        self.image = nil
    }

    self.realImage = self.image
}

func redo() {
    if self.canRedo == false {
        return
    }

    if self.redoImages.count > 0 {
        if self.image != nil {
            self.undoImages.append(self.image!)
        }

        let lastImage = self.redoImages.removeLast()
        self.image = lastImage

        self.realImage = self.image
    }
}

然后在每次画新图的时候保存下当前状态：

private func drawingImage() {
    if let brush = self.brush {
        // hook
        if let drawingStateChangedBlock = self.drawingStateChangedBlock {
            drawingStateChangedBlock(state: self.drawingState)
        }

        UIGraphicsBeginImageContext(self.bounds.size)

        let context = UIGraphicsGetCurrentContext()

        UIColor.clearColor().setFill()
        UIRectFill(self.bounds)

        CGContextSetLineCap(context, kCGLineCapRound)
        CGContextSetLineWidth(context, self.strokeWidth)
        CGContextSetStrokeColorWithColor(context, self.strokeColor.CGColor)

        if let realImage = self.realImage {
            realImage.drawInRect(self.bounds)
        }

        brush.strokeWidth = self.strokeWidth
        brush.drawInContext(context)
        CGContextStrokePath(context)

        let previewImage = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext()
        if self.drawingState == .Ended || brush.supportedContinuousDrawing() {
            self.realImage = previewImage
        }

        UIGraphicsEndImageContext()
        // === 新增 ===
        if self.drawingState == .Began {
            self.redoImages = []

            if self.image != nil {
                self.undoImages.append(self.image!)
            }
        }
        // ======

        self.image = previewImage

        brush.lastPoint = brush.endPoint
    }
}

这里面都有对 self.image 进行非空处理，其实原来不用这么麻烦，如果Swift 的数组支持插入Optional类型的话，我们直接把self.image插入到数组中，用的时候再取出来便可，由于 UIImageView 的 UIImage 是 Optional 类型的，赋1个 nil 给它没有问题，就当是 undo 到初始化状态了，但是恰恰 Swift的数组不支持插入Optional类型，这就致使我们不能记住 UIImageView 的初始化状态，只能通过判断它的image是不是为 nil 来处理。

完成的逻辑很简单：当画图开始的时候，保存当前 image 到 undo 栈中，并清空 redo 栈，进行 undo 操作的时候，能1直 undo，并将 undo 的 image 存进 redo 栈中，直到 self.image 为 nil。从这个逻辑可以看出两点：redo 功能非常依赖 undo，毕竟没有撤销就没有重做；除此以外，当用户开始绘制新图的时候，我们也要清空 redo 栈，由于用户已“回不去”了。

完成这些工作后，就可以测试 Undo/Redo 功能了~
这里写图片描述

关于内存的使用

我们很快地就加上了 Undo/Redo 功能，是吧? 通过保护两个图片栈，在进行相应的操作的时候，直接对 self.image 进行赋值，但是这么做有1个很明显的弊端，就是内存使用毫无尚限！你可以很轻松地在 5s 上使内存使用到达 50M 乃至 100M，虽然我们做了1些处理，如当用户绘制新图时，清空 Redo 的图片栈，但是这其实不能从根本上解决问题。

要从根本上解决问题有两种方式。

1. 用 CGPath 画图

假定换1种实现方式，不缓存图片，而是保存每步，这样无疑会使内存使用量下降很多，取而代之的是在每次画图的时候需要有1个循环来重新画每步（可以尝试用 clearsContextBeforeDrawing 属性来优化），我个人觉得这类方式可能会比较恶心，由于画的越多，性能就越差，我在前1篇里说过【为何不用drawRect方法】：

为何不用drawRect方法

其实我最开始也是使用drawRect方法来完成绘制，但是感觉限制很多，比如context没法保存，还是要每次重画（虽然可以保存到1个BitMapContext里，但是这样与保存到image里有甚么区分呢？）；后来用CALayer保存每条CGPath，但是这样依然不能避免每次重绘，由于需要斟酌到橡皮擦和画笔属性之类的影响，这么1来还不如采取image的方式来保存最新绘图板。
既然定下了以image来保存绘图板，那末drawRect就不方便了，由于不能用UIGraphicsBeginImageContext方法来创建1个ImageContext。

如果决定要用 CGPath 来画图的话，你除要暴露1个CGPath和CGContext之外，你还需要用1个自定义的对象保存当前的绘图状态，如画笔色彩、画笔粗细、混合模式（Blend Mode）等（还会在后期遇到由于前期斟酌不足的属性没有设置，然后才加上，这就破坏了“封闭-开放原则”），然后在每个循环体中恢复当前的上下文，类似于这样：

CGContextSaveGState...
for path in paths {
    CGContextSetLineCap(context, kCGLineCapRound)
    CGContextSetLineWidth(context, self.strokeWidth)
    CGContextSetStrokeColorWithColor(context, self.strokeColor.CGColor)

    /* Add path and drawing... */

    CGContextRestoreGState...
}

从代码上来讲，想换成用CGPath实现也很容易，只需要改两个地方：

PaintBrush 协议，这个协议更新后，其所有的子类同步更新下便可
Board 的drawingImage方法实现

我在 GitHub 里 DrawingBoard 工程里提交了这个分支：
DrawingBoard CGPath 分支
协议和drawingImage进行了适当的更新，绘图是以CGPath来实现的，但是仍然采取的是图片栈的方式，感兴趣的同学可以尝试自己实现。

2. 优化图片所占用的内存

除用CGPath来优化之外，我们还可以直接优化图片栈，用1个缓存或Undo控制器来控制所有的1切，在这个控制器里，将直接收理图片缓存（内存和文件）、Undo、Redo操作，使 Board 的逻辑进1步的封装。
不能不说，这才是我想要实现的方式，模块之间可以到达真实的解耦，我将 Board的代码去掉没有改动的方法和属性后贴在这里：

 class Board: UIImageView {

    // UndoManager，用于实现 Undo 操作和保护图片栈的内存
    private class DBUndoManager {
        class DBImageFault: UIImage {}  // 1个 Fault 对象，与 Core Data 中的 Fault 设计类似

        private static let INVALID_INDEX = -1
        private var images = [UIImage]()    // 图片栈
        private var index = INVALID_INDEX   // 1个指针，指向 images 中的某1张图

        var canUndo: Bool {
            get {
                return index != DBUndoManager.INVALID_INDEX
            }
        }

        var canRedo: Bool {
            get {
                return index + 1 < images.count
            }
        }

        func addImage(image: UIImage) {
            // 当往这个 Manager 中增加图片的时候，先把指针后面的图片全部清掉，
            // 这与我们之前在 drawingImage 方法中对 redoImages 的处理是1样的
            if index < images.count - 1 {
                images[index + 1 ... images.count - 1] = []
            }

            images.append(image)

            // 更新 index 的指向
            index = images.count - 1

            setNeedsCache()
        }

        func imageForUndo() -> UIImage? {
            if self.canUndo {
                --index
                if self.canUndo == false {
                    return nil
                } else {
                    setNeedsCache()
                    return images[index]
                }
            } else {
                return nil
            }
        }

        func imageForRedo() -> UIImage? {
            var image: UIImage? = nil
            if self.canRedo {
                image = images[++index]
            }
            setNeedsCache()
            return image
        }

        // MARK: - Cache

        private static let cahcesLength = 3 // 在内存中保存图片的张数，以 index 为中心点计算：cahcesLength * 2 + 1
        private func setNeedsCache() {
            if images.count >= DBUndoManager.cahcesLength {
                let location = max(0, index - DBUndoManager.cahcesLength)
                let length = min(images.count - 1, index + DBUndoManager.cahcesLength)
                for i in location ... length {
                    autoreleasepool {
                        var image = images[i]

                        if i > index - DBUndoManager.cahcesLength && i < index + DBUndoManager.cahcesLength {
                            setRealImage(image, forIndex: i) // 如果在缓存区域中，则从文件加载
                        } else {
                            setFaultImage(image, forIndex: i) // 如果不在缓存区域中，则置成 Fault 对象
                        }
                    }
                }
            }
        }

        private static var basePath: String = NSSearchPathForDirectoriesInDomains(.DocumentDirectory, .UserDomainMask, true).first as! String
        private func setFaultImage(image: UIImage, forIndex: Int) {
            if !image.isKindOfClass(DBImageFault.self) {
                let imagePath = DBUndoManager.basePath.stringByAppendingPathComponent("(forIndex)")
                UIImagePNGRepresentation(image).writeToFile(imagePath, atomically: false)
                images[forIndex] = DBImageFault()
            }
        }

        private func setRealImage(image: UIImage, forIndex: Int) {
            if image.isKindOfClass(DBImageFault.self) {
                let imagePath = DBUndoManager.basePath.stringByAppendingPathComponent("(forIndex)")
                images[forIndex] = UIImage(data: NSData(contentsOfFile: imagePath)!)!
            }
        }
    }

    private var boardUndoManager = DBUndoManager() // 缓存或Undo控制器

    // MARK: - Public methods

    var canUndo: Bool {
        get {
            return self.boardUndoManager.canUndo
        }
    }

    var canRedo: Bool {
        get {
            return self.boardUndoManager.canRedo
        }
    }

    // undo 和 redo 的逻辑都有所简化
    func undo() {
        if self.canUndo == false {
            return
        }

        self.image = self.boardUndoManager.imageForUndo()

        self.realImage = self.image
    }

    func redo() {
        if self.canRedo == false {
            return
        }

        self.image = self.boardUndoManager.imageForRedo()

        self.realImage = self.image
    }

    // MARK: - drawing

    private func drawingImage() {
        if let brush = self.brush {
            // hook
            if let drawingStateChangedBlock = self.drawingStateChangedBlock {
                drawingStateChangedBlock(state: self.drawingState)
            }

            UIGraphicsBeginImageContext(self.bounds.size)

            let context = UIGraphicsGetCurrentContext()

            UIColor.clearColor().setFill()
            UIRectFill(self.bounds)

            CGContextSetLineCap(context, kCGLineCapRound)
            CGContextSetLineWidth(context, self.strokeWidth)
            CGContextSetStrokeColorWithColor(context, self.strokeColor.CGColor)

            if let realImage = self.realImage {
                realImage.drawInRect(self.bounds)
            }

            brush.strokeWidth = self.strokeWidth
            brush.drawInContext(context)
            CGContextStrokePath(context)

            let previewImage = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext()
            if self.drawingState == .Ended || brush.supportedContinuousDrawing() {
                self.realImage = previewImage
            }

            UIGraphicsEndImageContext()

            // 用 Ended 事件代替本来的 Began 事件
            if self.drawingState == .Ended {
                self.boardUndoManager.addImage(self.image!)
            }

            self.image = previewImage

            brush.lastPoint = brush.endPoint
        }
    }
}

以磁盘代替了内存，这里有1些关键点：

Board不需要在对 self.image 的取值进行逻辑判断，DBUndoManager会在适当的时候返回nil，这无疑简化了逻辑
不需要保护两个图片栈：undoImages、redoImages，drawingImage方法不再需要在 Began 事件里做特殊处理，直接将刚画完的图“扔到” UndoManager 中便可
undo、redo 方便得到了简化，适时调用UndoManager便可
由于在 UndoManager中只有1个图片栈，所以需要1个额外的指针来指向当前的状态，当前指针的取值（index）对应下图中的 i，两边的箭头分别是 undo、redo 对应的图和索引：
Fault 对象是1种不错的设计模式，拿来做占位符挺适合的
UndoManager会在3种情况下：addImage、undo、redo 对图片栈进行保护，使 images 里只有 index 两边的元素才真正加载 image到内存中，其他的元素用 Fault 对象代替
我为何要用1个 cahcesLength 变量？这里其实还有进1步优化的余地，如只在读取到 Fault 对象时才更新图片栈