从浏览器渲染原理，说一说如何实现高效的动画

写在前面

在平时的工作中，页面的动画效果是很常见的需求。那么，怎么样实现一个高效的动画呢？

本文首发于公众号：符合预期的CoyPan
注，本文谈到的浏览器，均为基于Chromium的现代浏览器。

页面渲染原理

图片描述

一个页面展示在用户面前，简单来说，会经历以上5个步骤。我们可以把上面这个图称为像素管道。

Javascript: 执行js逻辑，修改DOM，修改CSS等。
Style：计算样式。
Layout：在知道对一个元素应用哪些规则之后，浏览器即可开始计算它要占据的空间大小及其在屏幕的位置。这个步骤，就是我们常说的重排。
Paint: 绘制是填充像素的过程。它涉及绘出文本、颜色、图像、边框和阴影，基本上包括元素的每个可视部分。绘制一般是在多个表面（通常称为层）上完成的。这个步骤，就是我们常说的重绘。
Composite：渲染层合并，由上一步可知，对页面中 DOM 元素的绘制是在多个层上进行的。在每个层上完成绘制过程之后，浏览器会将所有层按照合理的顺序合并成一个图层，然后显示在屏幕上。

在浏览器中，页面的渲染由浏览器的渲染进程完成，而渲染进程中，包含了主线程，worker线程，Compositer线程，Raster线程。上述像素管道的5个过程中，前4个过程，都由主线程完成，最后一个步骤，主要由Raster线程、Compositer线程完成。

JavaScript、Style、Layout

像素管道中的前三个步骤，大家都很熟悉了。JavaScript、Style两个步骤，一图以蔽之：
图片描述

接着是Layout，浏览器遍历render tree的每一个节点，计算其确切大小和位置。最终形成一个Layout Tree。
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Paint

在Paint之前，浏览器会根据Layout Tree，确定需要绘制的对象的层级，我们可以把这个层级叫做渲染层，最终生成Layer Tree。这个阶段被称作：Update Layer Tree

图片描述

在Paint这个阶段，浏览器会根据Layer Tree，生成Paint Records。

Paint Records就是描述先画什么，再画什么的记录，跟我们写canvas代码时很像。Paint Records是根据渲染层划分的的。来看一个Paint Records的实例：

图片描述

尽管生成了Pain Records，真正的绘制并不在Paint这个阶段完成的，而是在Composite阶段由Raster线程完成的。

Composite

经过之前的几个步骤，浏览器主线程已经将页面的内容分成了若干渲染层。为了提升性能，某些特定的渲染层，会被提升为合成层。我们可以通过下面两个css属性，将某个元素强制提升为合成层：

will-change: transform;

// 或者
transform: translateZ(0);

注：提升为合成层的条件比较复杂，这里就不一一展开了。可以参考这篇文章：
http://taobaofed.org/blog/201...

主线程在处理完所有的所有的数据后，会把数据提交到Compositer线程。Composite线程会利用Raster线程来做光栅化处理，并将处理好的内容存入内存中。随着Composite线程完成渲染层合成操作，扔给GPU，页面最终被渲染到屏幕上。

图片描述

可以通过Chrome开发者工具中的Layer来查看合成层：
图片描述

其他运行方式的像素管道

上文中的像素管道共有5个步骤。不一定每帧都总是会经过管道每个部分的处理。实际上，不管是使用 JavaScript、CSS 还是网络动画，在实现视觉变化时，管道针对指定帧的运行还有其他两种方式：
图片描述

第一种就是我们所说的页面没有进行重排，只进行了重绘；第二种就是页面既没有进行重排，也没有进行重绘。

最后这种运行方式的开销最小，适合于页面上的动画效果。

实现动画效果

不考虑canvas等，有三种常见的方式来实现页面上的动效，

完全不用css3相关属性，仅使用setTimeout, setInterval, requestAnimationFrame，通过js修改DOM的样式来实现动画。
使用纯css3来实现动画。
js与css3相结合来实现动画。

一般情况下，使用第一种方式的时候，虽然有的动画效果在进行过程中不会触发像素管道中的Layout，但是Paint往往是避免不了的。而使用css3来实现动画时，我们可以跳过Layout和Paint步骤。

下面，来看看三种实现方式下，浏览器的处理过程。

完全由JS驱动的动画

代码如下：

<html>
    <head>
        <style type="text/css">
            #test2 {
                margin-top: 100px;
                width: 100px;
                height: 100px;
                position: relative;
                background-color: black;
            }
        </style>
    </head>
    <body>
        <p> 
            这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字
        </p>
        <div id="test2"></div>
        <script type="text/javascript">
            window.onload = function() {
                const el = document.getElementById('test2');
                let left = 0;
        const startTimeStamp = Date.now();
                const fn = function() {
                    left += 2;
                    if(Date.now() - startTimeStamp > 2000) {
            return;
          }
                    el.style.left = left + 'px';
                    return window.requestAnimationFrame(fn);
                }
                window.requestAnimationFrame(fn)
            }
        </script>
    </body>
</html>

选取动画过程中的一帧，浏览器的处理过程如下：
图片描述

可以看到，在这里帧里，浏览器走完了完整的像素管道：JavaScript ->Style->Layout->Paint->Composite。

纯CSS动画

我们用纯css来实现动画：

<html>
    <head>
        <style type="text/css">
            #test2 {
                margin-top: 100px;
                width: 100px;
                height: 100px;
                position: relative;
                background-color: black;
                animation: move 2s;
                animation-fill-mode: forwards;
            }
            @keyframes move {
                0% {
                    transform: translate(0);
                }
                100% {
                    transform: translate(200px);
                }
            }
        </style>
    </head>
    <body>
        <p> 
        这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字
        </p>
        <div id="test2"></div>
    </body>
</html>

我们来看看动画进行过程中：

图片描述

可以看到，主线程里没有任务在执行，而Composite线程、Raster线程以及GPU在工作。

JS与CSS3相结合

<html>
    <head>
        <style type="text/css">
            #test2 {
                margin-top: 100px;
                width: 100px;
                height: 100px;
                position: relative;
                background-color: black;
            }
        </style>
    </head>
    <body>
        <p> 
            这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字，这是一段无用的文字
        </p>
        <div id="test2"></div>
        <script type="text/javascript">
            window.onload = function() {
                const el = document.getElementById('test2');
                let left = 0;
            const startTimeStamp = Date.now();
                const fn = function() {
                    left += 2;
                    if(Date.now() - startTimeStamp > 2000) {
                return;
            }
                    el.style.transform = `translate(${left}px)`;
                    return window.requestAnimationFrame(fn);
                }
                window.requestAnimationFrame(fn);
            }
        </script>
    </body>
</html>

动画运行时，浏览器的处理过程如下图所示，并没有触发Layout和paint。

图片描述

小结

从上面的几个实例可以看到，在仅使用css动画时，动画过程完全交由Composite线程处理，释放了主线程。事实上，在执行纯css3动画时，浏览器会将响应的元素提升到一个单独的合成层，不会影响到页面上的其他元素。

使用js操作css3属性，也可以跳过Layout和Paint。

当然，并不是所有的css属性都可以跳过Layout和Paint仅触发Composite，常见的属性是：transform和opacity。具体属性可以到下面的网址查看：

https://csstriggers.com/

这里还有几点补充的地方：

动画开始时，都会触发一次paint。
对于纯css3操作transform和opacity的动画，在动画开始时，浏览器会自动将动画元素提升为合成层，但是在动画结束后，合成层会失效。在动画结束后(合成层失效)的那一帧，浏览器是会触发Paint的。如果我们强制将动画元素提升为合成层，动画结束后的那一帧，就不会触发Paint了。
对于js操作css3的transform和opacity的动画，在动画过程中，浏览器不会自动将动画元素提升为合成层，但是也不会触发Paint。在动画结束的那一帧，不管我们是否强制将动画元素提升为合成层，当页面动画元素嵌套复杂时，可能会触发Paint。

总结

想要实现高性能的动画，尽量使用css动画或者使用js操作css3属性的方式，同时，要注意动画用到的css3属性。动画的目标就是跳过浏览器的Layout和Paint，仅触发Composite。

对于特定的动画元素，我们可以适当将其提升到合成层，这样该元素不会影响到页面其他地方。当然，合成层的使用要适当，因为合成层会带来内存压力。

写在后面

本文从浏览器渲染原理入手，谈到了如何实现一个高效的动画。在写作本文的过程中，学习、巩固了很多的知识。还有一些更深入的点值得去继续研究。符合预期。

参考资料：

图片描述

从浏览器渲染原理，说一说如何实现高效的动画

写在前面

页面渲染原理

JavaScript、Style、Layout

Paint

Composite

其他运行方式的像素管道

实现动画效果

完全由JS驱动的动画

纯CSS动画

JS与CSS3相结合

小结

总结

写在后面

CoyPan

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