CSS3动画卡顿性能优化解决方案

趁你还年轻

CSS3 Transition

最近在开发小程序,与vue类似,它们都有生命周期这回事。

onLoad 监听页面加载
onReady 监听页面初次渲染完成
onShow 监听页面显示

到底是什么意思?

所以这又触碰到了我的知识盲区,不过项目在磕磕绊绊中完成的差不多了,但是遇到了CSS3动画渲染的性能问题,所以我也是被逼的,再回过头来从浏览器渲染网页的流程出发,去找动画卡顿的症结。

浏览器渲染网页的流程如下:

使用 HTML 创建文档对象模型(DOM)
使用 CSS 创建 CSS 对象模型(CSSOM)
基于 DOM 和 CSSOM 执行脚本(Scripts)
合并 DOM 和 CSSOM 形成渲染树(Render Tree)
使用渲染树布局(Layout)所有元素
渲染(Paint)所有元素

可以结合Alon的这篇前端性能优化和安卓开发者选项的显示页面布局。

安卓开发者选项的显示页面布局

如何判断手机app是native,webview还是hybird?
简单说下,app中的一大块是白色的没有红线标记出来的,但是上面有按钮,图片等时,就是webview,也就是通过一个伪浏览器去请求到的数据,断网时打开app没有任何东西显示在上面

小程序为hybird式开发

onLoad 监听页面加载
在渲染完界面之后,也就是通过.json中的配置项生成native界面后,开始渲染webview的部分,一个页面只会调用一次。
onReady 监听页面初次渲染完成
一个页面只会调用一次,代表页面已经准备妥当,可以和视图层进行交互。
onShow 监听页面显示
每次打开页面都会去调用其中的函数。

我们的动画应该放在哪里?

应该放在onShow里,因为这样我每次打开都能看到动画。

为什么会卡顿?

有一个前提必须要提,前端开发者们都知道,浏览器是单线程运行的。
但是我们要明确以下几个概念:单线程,主线程和合成线程。

虽然说浏览器执行js是单线程执行(注意,是执行,并不是说浏览器只有1个线程,而是运行时,runing),但实际上浏览器的2个重要的执行线程,这 2 个线程协同工作来渲染一个网页:主线程和合成线程。

一般情况下,主线程负责:运行 JavaScript;计算 HTML 元素的 CSS 样式;页面的布局;将元素绘制到一个或多个位图中;将这些位图交给合成线程。

相应地,合成线程负责:通过 GPU 将位图绘制到屏幕上;通知主线程更新页面中可见或即将变成可见的部分的位图;计算出页面中哪部分是可见的;计算出当你在滚动页面时哪部分是即将变成可见的;当你滚动页面时将相应位置的元素移动到可视区域。

那么为什么会造成动画卡顿呢?

原因就是主线程和合成线程的调度不合理。

下面来详细说一下调度不合理的原因。

在使用height,width,margin,padding作为transition的值时,会造成浏览器主线程的工作量较重,例如从margin-left:-20px渲染到margin-left:0,主线程需要计算样式margin-left:-19px,margin-left:-18px,一直到margin-left:0,而且每一次主线程计算样式后,合成进程都需要绘制到GPU然后再渲染到屏幕上,前后总共进行20次主线程渲染,20次合成线程渲染,20+20次,总计40次计算。

主线程的渲染流程,可以参考浏览器渲染网页的流程:

使用 HTML 创建文档对象模型(DOM)
使用 CSS 创建 CSS 对象模型(CSSOM)
**基于 DOM 和 CSSOM 执行脚本(Scripts)
合并 DOM 和 CSSOM 形成渲染树(Render Tree)
使用渲染树布局(Layout)所有元素
渲染(Paint)所有元素**

也就是说,主线程每次都需要执行Scripts,Render Tree ,Layout和Paint这四个阶段的计算。

而如果使用transform的话,例如tranform:translate(-20px,0)到transform:translate(0,0),主线程只需要进行一次tranform:translate(-20px,0)到transform:translate(0,0),然后合成线程去一次将-20px转换到0px,这样的话,总计1+20计算。

可能会有人说,这才提升了19次,有什么好性能提升的?

假设一次10ms。

那么就减少了约190ms的耗时。

会有人说,辣鸡,才190ms,无所谓。

那么如果margin-left是从-200px到0呢,一次10ms,10ms*199≈2s。

还会有人说,辣鸡,也就2s,无所谓。

你忘了单线程这回事了吗?

如果网页有3个动画,3*2s=6s,就是6s的性能提升。
由于数据是猜测的,所以暂时不考虑其真实性,文章后面我使用chrome devtools的performance做了一个实验。

要知道,在"客户至上"的今天,好的用户体验是所有产品的必须遵守的一条规则,无论是对于开发者还是产品经理,追求极致的性能都是我们打造一个好的产品所必备的品质。

可能看了我的略不专业的分析后,大家对主线程,合成线程以及它们在2种性能不同动画方案上的工作流程还不是很了解,可以去看一篇翻译过来的博客(英文原版链接已经失效了):深入浏览器理解CSS animations 和 transitions的性能问题

这篇文章完美讲述了浏览器主线程和合成线程的区别,并且举了一个高度从100px变化到200px的2种动画方案的对比,对主线程和合成线程的整个工作流程做了很详尽的讲解,真心建议认真阅读一遍。

回过头来总结下,css3动画卡顿的解决方案:
在使用css3 transtion做动画效果时,优先选择transform,尽量不要使用height,width,margin和padding。

transform为我们提供了丰富的api,例如scale,translate,rotate等等,但是在使用时需要考虑兼容性。但其实对于大多数css3来说,mobile端支持性较好,desktop端支持性需要格外注意。


补充:为了增强本文的说服力,特地回家做了一个实验,代码如下。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <meta charset="utf-8" />
  <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
  <title>Page Title</title>
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
  <style>
    .margin-transition{
      /* margin-left: 0; */
      background: rgba(0,0,255,0.3);
      transition: margin-left 1s;
    }
    .transform-transition{
      /* transform: translate(0,0); */
      background: rgba(0,255,0,0.3);
      transition: transform 1s;
    }
    .common{
      height: 300px;
      width: 300px;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div class="margin-transition common" id="marginTransition">
    <p>transition:margin-left 1s</p>
  </div>
  <div class="transform-transition common" id="transformTransition">
      <p>transition:tranform 1s</p>
  </div>
  <button id="control">见证奇迹</button>
  <script>
      var btn = document.getElementById('control');
      var marginTransition = document.getElementById('marginTransition');
      var transformTransition = document.getElementById('transformTransition');
      btn.addEventListener("click",function(){
        console.log(marginTransition.style,transformTransition.style)
        marginTransition.style.marginLeft = "500px";
        transformTransition.style.transform = "translate(500px,0)"
      })
  </script>  
</body>
</html>

我将主要借助chrome devtools的performance工具对比二者的性能差异。
先来看margin动画,动态修改DOM节点的margin-left值从0到500px;。

transition: margin-left 1s;

margin动画实验
margin动画总耗时
margin动画GPU使用率

再来看下transform动画,动态修改DOM节点的transform值从translate(0,0)到translate(500px,0)。

transition: transform 1s;

transform动画实验

transform动画总耗时

transform动画GPU使用率

可能图片不是很好地能说明性能差异,那么我们来列一张耗时对比表,方便我们计算。

耗时margintransform
Summery3518ms2286ms
Scripting1.8ms2.9ms
Rendering22.5ms6.9ms
Painting9.7ms1.6ms
Other39.3ms25.2ms
Idle( browser is waiting on the CPU or GPU to do some processing)3444.4ms2249.8ms
GPU使用率4.1MB1.7MB

通过上表我们可以计算出明margin,transform与transition组合实现CSS3动画效果时的性能差异参数。

关键性能参数margintransform
实际动画耗时(总时间 减去 空闲时间)73.6ms36.2ms

计算得出,transform动画耗时约等于margin动画耗时的0.49倍,性能优化50%。

由于我对Other的所做的具体事情不是很清楚,所以这里的实际动画时间也有可能还要减掉Other中的时间,下表是我们减掉后的数据。

关键性能参数margintransform
实际动画耗时(总时间 减去 其他时间和空闲时间)34.3ms11ms

计算得出,transform动画耗时约等于margin动画耗时的0.32倍,性能优化接近70%。

也就是说,无论我们减去还是不减去Other的时间,我们采用transform实现动画的方式都比margin动画快。

不精确的得出一个小结论:transform比margin性能好50%~70%

虽然会有50%~70%的性能提升,但是需要注意硬件差异,硬件好的情况下可能不能发现卡顿或者其他的一些性能上的问题。
例如在开发小程序的过程中,模拟器是位于desktop端的,因此它的硬件性能性能更好,例如CPU,GPU。但是一旦在mobile端运行,例如ios或者android上运行时,就可能会出现性能问题,这就是因为移动端的硬件条件逊于PC端导致的。

所以说,性能问题是一直存在的,只不过硬件差异会导致性能影响的程度不同。

所以我们再次回过头来,总结出css3动画卡顿的解决方案:
在使用css3 transtion做动画效果时,优先选择transform,尽量不要使用height,width,margin和padding。

That's it !


2018年11月28日更新 为什么transform更加平滑?

合成器的优点在于,其工作无关主线程,合成器线程不需要等待样式计算或者 JS 执行,这就是为什么合成器相关的动画 最流畅,如果某个动画涉及到布局或者绘制的调整,就会涉及到主线程的重新计算,自然会慢很多。

引用自infoQ的好文:史上最全!图解浏览器的工作原理

与我们的博客上下文结合起来,解释如下:
在使用css3 transtion做动画效果时,transform实现的动画是与合成器线程相关的,不需要等待主线程样式计算或者 JS 执行,计算速度是很快的;而使用height,width,margin和padding时,导致布局和绘制的调整,主线程需要重新计算样式并且执行JS,计算速度自然就慢了。

参考:
http://sy-tang.github.io/2014...
http://jinlong.github.io/2017...
http://blog.csdn.net/yeana1/a...
https://www.jianshu.com/p/b70...
https://developers.google.com...
http://blogs.adobe.com/webpla...

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