高级 SwiftUI 动画 — Part 1：Paths

前言

在本文中，我们将深入探讨一些创建 SwiftUI 动画的高级技术。我将广泛讨论 Animatable 协议，它可靠的伙伴 animatableData，强大但经常被忽略的 GeometryEffect 以及完全被忽视但全能的 AnimatableModifier 协议。

这些都是被官方文档完全忽略的主题，在SwiftUI 的帖子和文章中也几乎没有提及。不过，它们还是为我们提供了创建一些相当不错的动画的工具。

在我们进入这些隐藏的瑰宝之前，我想对一些基本的 SwiftUI 动画概念做一个非常快速的总结。只是为了让我们能有共同语言，请耐心听我说。

显式动画 VS 隐式动画

在SwiftUI中，有两种类型的动画。显式和隐式。隐式动画是你用 .animation() 修饰符指定的那些动画。每当视图上的可动画参数发生变化时，SwiftUI 就会从旧值到新值制作动画。一些可动画的参数包括大小(size)、偏移(offset)、颜色(color)、比例(scale)等。

显式动画是使用 withAnimation{ … } 指定的动画闭包。只有那些依赖于 withAnimation 闭包中改变值的参数才会被动画化。让我们尝试举一些例子来说明：

以下示例使用隐式动画更改图像的大小和不透明度：

struct Example1: View {
    @State private var half = false
    @State private var dim = false
    
    var body: some View {
        Image("tower")
            .scaleEffect(half ? 0.5 : 1.0)
            .opacity(dim ? 0.2 : 1.0)
            .animation(.easeInOut(duration: 1.0))
            .onTapGesture {
                self.dim.toggle()
                self.half.toggle()
            }
    }
}

下面的示例使用显式动画。在这里，缩放和不透明度都会更改，但只有不透明度会设置动画，因为它是 withAnimation 闭包中唯一更改的参数：

struct Example2: View {
    @State private var half = false
    @State private var dim = false
    
    var body: some View {
        Image("tower")
            .scaleEffect(half ? 0.5 : 1.0)
            .opacity(dim ? 0.5 : 1.0)
            .onTapGesture {
                self.half.toggle()
                
                withAnimation(.easeInOut(duration: 1.0)) {
                    self.dim.toggle()
                }
        }
    }
}

请注意，通过更改修饰符的前后顺序，可以使用隐式动画创建相同的效果：

struct Example2: View {
    @State private var half = false
    @State private var dim = false
    
    var body: some View {
        Image("tower")
            .opacity(dim ? 0.2 : 1.0)
            .animation(.easeInOut(duration: 1.0))
            .scaleEffect(half ? 0.5 : 1.0)
            .onTapGesture {
                self.dim.toggle()
                self.half.toggle()
        }
    }
}

如果需要禁用动画，可以使用 .animation(nil)。

动画是如何工作的

在所有SwiftUI动画的背后，有一个名为 Animatable 的协议。我们将在后面讨论细节，但主要是，它拥有一个计算属性，其类型遵守 VectorArithmetic 协议。这使得框架可以随意地插值。

当给一个视图制作动画时，SwiftUI 实际上是多次重新生成该视图，并且每次都修改动画参数。这样，它就会从原点值渐渐走向最终值。

假设我们为一个视图的不透明度创建一个线性动画。我们打算从 0.3 到 0.8。该框架将多次重新生成视图，以小幅度的增量来改变不透明度。由于不透明度是以 Double表示的，而且Double 遵守 VectorArithmetic` 协议，SwiftUI 可以插值出所需的不透明度值。在框架代码的某个地方，可能有一个类似的算法。

let from:Double = 0.3
let to:Double = 0.8

for i in 0..<6 {
    let pct = Double(i) / 5
    
    var difference = to - from
    difference.scale(by: pct)
    
    let currentOpacity = from + difference
    
    print("currentOpacity = \(currentOpacity)")
}

代码将创建从起点到终点的渐进式更改：

currentOpacity = 0.3
currentOpacity = 0.4
currentOpacity = 0.5
currentOpacity = 0.6
currentOpacity = 0.7
currentOpacity = 0.8

为什么关心 Animatable？

你可能会问，为什么我需要关心所有这些小细节。SwiftUI 已经为不透明度制作了动画，而不需要我担心这一切。是的，这是真的，但只要 SwiftUI 知道如何将数值从原点插值到终点。对于不透明度，这是一个直接的过程，SwiftUI 知道该怎么做。然而，正如我们接下来要看到的，情况并非总是如此。

我想到了一些大的例外情况：路径(paths)、变换矩阵(matrices)和任意的视图变化（例如，文本视图中的文本、渐变视图中的渐变颜色或停顿，等等）。在这种情况下，框架不知道该怎么做。我们将在本文的第二和第三部分中讨论转换矩阵和视图变化。目前，让我们把重点放在形状(shapes)上。

形状路径的动画化

想象一下，你有一个形状，使用路径来绘制一个规则的多边形。我们的实现当然会让你指出这个多边形将有多少条边。

PolygonShape(sides: 3).stroke(Color.blue, lineWidth: 3)
PolygonShape(sides: 4).stroke(Color.purple, lineWidth: 4)

下面是我们的PolygonShape的实现。请注意，我使用了一点三角学的知识。这对理解这篇文章的主题并不重要，但如果你想了解更多关于它的信息，我写了另一篇文章，阐述了基础知识。你可以在 "SwiftUI 的三角公式 "中阅读更多内容。

struct PolygonShape: Shape {
    var sides: Int
    
    func path(in rect: CGRect) -> Path {        
        // hypotenuse
        let h = Double(min(rect.size.width, rect.size.height)) / 2.0
        
        // center
        let c = CGPoint(x: rect.size.width / 2.0, y: rect.size.height / 2.0)
        
        var path = Path()
                
        for i in 0..<sides {
            let angle = (Double(i) * (360.0 / Double(sides))) * Double.pi / 180

            // Calculate vertex position
            let pt = CGPoint(x: c.x + CGFloat(cos(angle) * h), y: c.y + CGFloat(sin(angle) * h))
            
            if i == 0 {
                path.move(to: pt) // move to first vertex
            } else {
                path.addLine(to: pt) // draw line to next vertex
            }
        }
        
        path.closeSubpath()
        
        return path
    }
}

我们可以更进一步，尝试使用与不透明度相同的方法对形状边数(sides)参数进行动画处理：

PolygonShape(sides: isSquare ? 4 : 3)
    .stroke(Color.blue, lineWidth: 3)
    .animation(.easeInOut(duration: duration))

你认为 SwiftUI 将如何把三角形转化为正方形？你可能猜到了。它不会的。当然，框架不知道如何给它做动画。你可以随心所欲地使用.animation()，但这个形状会从三角形跳到正方形，而且没有任何动画。原因很简单：你只教了 SwiftUI 如何画一个 3 边的多边形，或 4 边的多边形，但你的代码却不知道如何画一个 3.379 边的多边形!

因此，为了使动画发生，我们需要两件事:

1. 我们需要改变形状的代码，使其知道如何绘制边数为非整数的多边形。
2. 让框架多次生成这个形状，并让可动画参数一点点变化。也就是说，我们希望这个形状被要求绘制多次，每次都有一个不同的边数数值：3、3.1、3.15、3.2、3.25，一直到 4。

一旦我们把这两点做到位，我们将能够在任何数量的边数之间制作动画:

创建可动画数据(animatableData)

为了使形状可动画化，我们需要 SwiftUI 多次渲染视图，使用从原点到目标数之间的所有边值。幸运的是，Shape已经符合了Animatable协议的要求。这意味着，有一个计算的属性（animatableData），我们可以用它来处理这个任务。然而，它的默认实现被设置为EmptyAnimatableData。所以它什么都不做。

为了解决我们的问题，我们将首先改变边的属性的类型，从Int到Double。这样我们就可以有小数的数字。我们将在后面讨论如何保持该属性为Int，并仍然执行动画。但是现在，为了使事情简单，我们只使用Double。

struct PolygonShape: Shape {
    var sides: Double
    ...
}

然后，我们需要创建我们的计算属性animatableData。在这种情况下，它非常简单。

struct PolygonShape: Shape {
    var sides: Double

    var animatableData: Double {
        get { return sides }
        set { sides = newValue }
    }

    ...
}

用小数画边

最后，我们需要教 SwiftUI 如何绘制一个边数为非整数的多边形。我们将稍微改变我们的代码。随着小数部分的增长，这个新的边将从零到全长。其他顶点将相应地平稳地重新定位。这听起来很复杂，但这是一个最小的变化。

func path(in rect: CGRect) -> Path {
        
        // hypotenuse
        let h = Double(min(rect.size.width, rect.size.height)) / 2.0
        
        // center
        let c = CGPoint(x: rect.size.width / 2.0, y: rect.size.height / 2.0)
        
        var path = Path()
                
        let extra: Int = Double(sides) != Double(Int(sides)) ? 1 : 0

        for i in 0..<Int(sides) + extra {
            let angle = (Double(i) * (360.0 / Double(sides))) * Double.pi / 180

            // Calculate vertex
            let pt = CGPoint(x: c.x + CGFloat(cos(angle) * h), y: c.y + CGFloat(sin(angle) * h))
            
            if i == 0 {
                path.move(to: pt) // move to first vertex
            } else {
                path.addLine(to: pt) // draw line to next vertex
            }
        }
        
        path.closeSubpath()
        
        return path
    }

完整的代码可在文章顶部链接的 gist 文件中以 Example1 的形式提供。

如前所述，对于我们这个形状的用户来说，边的参数是一个Double，这可能显得很奇怪。人们应该期望边是一个Int参数。幸运的是，我们可以再次改变我们的代码，把这个事实隐藏在我们的形状的实现中：

struct PolygonShape: Shape {
    var sides: Int
    private var sidesAsDouble: Double
    
    var animatableData: Double {
        get { return sidesAsDouble }
        set { sidesAsDouble = newValue }
    }
    
    init(sides: Int) {
        self.sides = sides
        self.sidesAsDouble = Double(sides)
    }

    ...
}

有了这些变化，我们在内部使用Double，但在外部则使用Int。现在它看起来更优雅了。不要忘记修改绘图代码，这样它就会使用 sidesAsDouble 而不是 sides。完整的代码可以在文章顶部链接的 gist 文件中的 Example2 中找到。

设置多个参数的动画

很多时候，我们会发现自己需要对一个以上的参数进行动画处理。单一的Double是不够的。在这些时候，我们可以使用AnimatablePair<First, Second>。这里，第一和第二都是符合VectorArithmetic的类型。例如AnimatablePair<CGFloat, Double>。

为了演示 AnimatablePair 的使用，我们将修改我们的例子。现在我们的多边形形状将有两个参数：边和比例。两者都将用Double来表示。

struct PolygonShape: Shape {
    var sides: Double
    var scale: Double
    
    var animatableData: AnimatablePair<Double, Double> {
        get { AnimatablePair(sides, scale) }
        set {
            sides = newValue.first
            scale = newValue.second
        }
    }

    ...
}

完整的代码可在文章顶部链接的 gist 文件中的 Example3 中找到。同一个文件中的Example4，有一个更复杂的路径。它基本上是相同的形状，但增加了一条连接每个顶点的线。

超过两个可动画的参数

如果你浏览一下 SwiftUI 的声明文件，你会发现该框架相当广泛地使用AnimatablePair。比如说。CGSize、CGPoint、CGRect。尽管这些类型不符合VectorArithmetic，但它们可以被动画化，因为它们确实符合Animatable。

他们都以这样或那样的方式使用AnimatablePair：

extension CGPoint : Animatable {
    public typealias AnimatableData = AnimatablePair<CGFloat, CGFloat>
    public var animatableData: CGPoint.AnimatableData
}

extension CGSize : Animatable {
    public typealias AnimatableData = AnimatablePair<CGFloat, CGFloat>
    public var animatableData: CGSize.AnimatableData
}

extension CGRect : Animatable {
    public typealias AnimatableData = AnimatablePair<CGPoint.AnimatableData, CGSize.AnimatableData>
    public var animatableData: CGRect.AnimatableData
}

如果你仔细注意一下 CGRect，你会发现它实际上是在使用：

AnimatablePair<AnimatablePair<CGFloat, CGFloat>, AnimatablePair<CGFloat, CGFloat>>

这意味着矩形的 x、y、宽度和高度值可以通过 first.first、first.second、second.first和second.second访问。

使你自己的类型动画化（通过VectorArithmetic）

以下类型默认实现了 Animatable : Angle, CGPoint, CGRect, CGSize, EdgeInsets, StrokeStyle 和 UnitPoint。以下类型符合VectorArithmetic。AnimatablePair, CGFloat, Double, EmptyAnimatableData 和 Float。你可以使用它们中的任何一种来为你的形状制作动画。

现有的类型提供了足够的灵活性来实现任何东西的动画。然而，如果你发现自己有一个想做动画的复杂类型，没有什么能阻止你添加自己的VectorArithmetic协议的实现。事实上，我们将在下一个例子中这样做。

为了说明这一点，我们将创建一个模拟时钟形状。它将根据一个自定义的可动画的参数类型移动它的指针：ClockTime。

我们将像这样使用它：

ClockShape(clockTime: show ? ClockTime(9, 51, 15) : ClockTime(9, 55, 00))
    .stroke(Color.blue, lineWidth: 3)
    .animation(.easeInOut(duration: duration))

首先，我们开始创建我们的自定义类型ClockTime。它包含三个属性（小时、分钟和秒），几个有用的初始化器，以及一些辅助计算的属性和方法。

struct ClockTime {
    var hours: Int      // Hour needle should jump by integer numbers
    var minutes: Int    // Minute needle should jump by integer numbers
    var seconds: Double // Second needle should move smoothly
    
    // Initializer with hour, minute and seconds
    init(_ h: Int, _ m: Int, _ s: Double) {
        self.hours = h
        self.minutes = m
        self.seconds = s
    }
    
    // Initializer with total of seconds
    init(_ seconds: Double) {
        let h = Int(seconds) / 3600
        let m = (Int(seconds) - (h * 3600)) / 60
        let s = seconds - Double((h * 3600) + (m * 60))
        
        self.hours = h
        self.minutes = m
        self.seconds = s
    }
    
    // compute number of seconds
    var asSeconds: Double {
        return Double(self.hours * 3600 + self.minutes * 60) + self.seconds
    }
    
    // show as string
    func asString() -> String {
        return String(format: "%2i", self.hours) + ":" + String(format: "%02i", self.minutes) + ":" + String(format: "%02f", self.seconds)
    }
}

现在，为了符合VectorArithmetic协议，我们需要编写以下方法和计算属性：

extension ClockTime: VectorArithmetic {
    static var zero: ClockTime {
        return ClockTime(0, 0, 0)
    }

    var magnitudeSquared: Double { return asSeconds * asSeconds }
    
    static func -= (lhs: inout ClockTime, rhs: ClockTime) {
        lhs = lhs - rhs
    }
    
    static func - (lhs: ClockTime, rhs: ClockTime) -> ClockTime {
        return ClockTime(lhs.asSeconds - rhs.asSeconds)
    }
    
    static func += (lhs: inout ClockTime, rhs: ClockTime) {
        lhs = lhs + rhs
    }
    
    static func + (lhs: ClockTime, rhs: ClockTime) -> ClockTime {
        return ClockTime(lhs.asSeconds + rhs.asSeconds)
    }
    
    mutating func scale(by rhs: Double) {
        var s = Double(self.asSeconds)
        s.scale(by: rhs)
        
        let ct = ClockTime(s)
        self.hours = ct.hours
        self.minutes = ct.minutes
        self.seconds = ct.seconds
    }    
}

唯一要做的，就是写出形状来适当地定位针头。时钟形状的完整代码，可在本文顶部链接的gist文件中的 Example5 中找到。

SwiftUI + Metal

如果你发现自己正在编写复杂的动画，你可能会开始看到你的设备受到影响，同时试图跟上所有的绘图。如果是这样，你肯定会从启用金属的使用中受益。这里有一个例子，说明启用 Metal 后，一切都会变得不同。

在模拟器上运行时，你可能感觉不到有什么不同。然而，在真正的设备上，你会发现。视频演示来自iPad第六代（2016）。完整的代码在 gist 文件中，名称为 Example6。

幸运的是，启用 Metal，是非常容易的。你只需要添加 .drawingGroup() 修饰符:

FlowerView().drawingGroup()

根据 WWDC 2019, Session 237（用SwiftUI构建自定义视图）：绘图组是一种特殊的渲染方式，但只适用于图形等东西。它基本上会将 SwiftUI 视图平铺到一个单一的 NSView/UIView 中，并用 Metal 进行渲染。跳到 WWDC 视频到37:27 了解更多细节。

如果你想尝试一下，但你的形状还没有复杂到让设备挣扎的地步，添加一些渐变和阴影，你会立即看到不同。

接下来有什么内容？

在本文的第二部分，我们将学习如何使用 GeometryEffect 协议。它将打开改变我们的视图和动画的新方法的大门。与 Paths 一样，SwiftUI 没有关于如何在两个不同的变换矩阵之间转换的内置知识。GeometryEffect将有助于我们这样做。

目前，SwiftUI 没有关键帧功能。我们将看到我们如何用一个基本的动画来模拟一个。

在文章的第三部分，我们将介绍AnimatableModifier，这是一个非常强大的工具，它可以让我们对视图中任何可以变化的东西进行动画处理，甚至是文本！在这个系列的第三部分中，我们将介绍一些动画实例。关于这三部分系列中的一些动画例子，请看下面的视频:

https://swiftui-lab.com/wp-content/uploads/2019/08/animations.mp4

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