HTML界的“苏炳添”——详解Canvas优越性能和实际应用

葡萄城技术团队
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Google Docs宣布将会把HTML迁移到基于Canvas渲染,这一消息的出现再次把几年前随HTML5诞生的标签重新推到了人们视线之中。Canvas在刚推出时主打的优势就是更快的渲染速度,堪称HTML届的“苏炳添”,刷新了人们对Web页面元素绘制速度的印象。但Canvas的优势仅限于此吗?

(苏炳添,亚洲百米第一人)

HTML绘图届的前辈:SVG

Canvas是HTML5时代引入的“新”标签。与很多标签不同,Canvas不具有自己的行为,只将一组API 展现给客户端 JavaScript ,让开发者使用脚本把想绘制的东西画到一张画布上。

 

在HTML5之前,人们通常使用SVG来在页面上绘制出图形。SVG使用XML来定义图形,就像使用HTML标签和样式定义DIV一样,我们也可以将一个空白的DIV想象为长方形的SVG,两者的设计思想是相通的,SVG的本质就是一个DOM元素。而Canvas则不同,Canvas提供的是 JavaScript 的绘图 API,而不是像 SVG那样使用XML 描述绘图,通过JavaScript API直接完成绘制,比起修改XML来说要更简便、更直接。

 

除了定义的方式不同,Canvas和DOM(当然也包含SVG)的差异更多的体现在浏览器的渲染方式上。

 

浏览器在做页面渲染时,Dom元素是作为矢量图进行渲染的。每一个元素的边距都需要单独处理,浏览器需要将它们全都处理成像素才能输出到屏幕上,计算量十分庞大。当页面上内容非常多,存在大量DOM元素的时候,这些内容的渲染速度就会变得很慢。

(Canvas)

而Canvas与DOM的区别则是Canvas的本质就是一张位图,类似img标签,或者一个div加了一张背景图(background-image)。所以,DOM那种矢量图在渲染中存在的问题换到Canvas身上就完全不同了。在渲染Canvas时,浏览器只需要在JavaScript引擎中执行绘制逻辑,在内存中构建出画布,然后遍历整个画布里所有像素点的颜色,直接输出到屏幕就可以了。不管Canvas里面的元素有多少个,浏览器在渲染阶段也仅需要处理一张画布。

 

然而这样更加强大的功能,不可避免的让使用canvas渲染有很高的门槛。Google Docs在构建Canvas的过程中重新定义了往常已经被人们所熟悉的内容,例如精确定位、文本选择、拼写检查、重画调优等。为什么更多开发者还是选择了接纳Canvas这个门槛更高的技术路线呢?这就得回到Canvas的最大优势:渲染性能。

Canvas的渲染模式

这里的渲染是指浏览器将页面的代码呈现为屏幕上内容的过程。Canvas和Dom的渲染模式完全不同,搞清楚这个差异对理解Canvas的性能优势至关重要。

Dom:驻留模式

驻留模式(Retained Mode)是Dom在浏览器中的渲染模式。下图粗略展示了这一过程的工作流程。

(驻留模式)

DOM的核心是标签,一种文本标记型语言,多样性很强且多个标签之间存在各种关联(如在同一个DIV下设置为float的子DIV)。浏览器为了更好的处理这些DOM元素,减少对绘制API的调用,就设计了一套将中间结果存放于内存的“驻留模式”。首先,浏览器会将解析DOM相关的全部内容(包含HTML标签、样式和JavaScript),将其转化为场景(scene)和模型(model)存储到内存中,然后再调用系统的绘制API(如Windows程序员熟悉的GDI/GDI+),把这些中间产物绘制到屏幕。

 

驻留模式通过场景和模型缓存减少了对绘制API的调用频次,将性能压力转移到场景和模型生成阶段,即浏览器需要根据DOM上下文和BOM中的尺寸数据,“自行判断”每一个元素的绘制结果。

Canvas:快速模式

Canvas采用了和DOM不同的快速模式(Immediate Mode),让我们先来看看快速模式是如工作的:

(快速模式)

Canvas的应用优点

上面介绍的两种不同的模式直接造成了Dom和Canvas的性能差异。对于使用快速模式渲染的Canvas而言,浏览器的每次重绘都是基于代码的,不存在能让处理流程变慢的多层解析,所以它真的很快。除了快之外,Canvas的灵活性也大大超出DOM。我们可以通过代码精确的控制如何、何时绘制出我们想要的效果。

 

在资源消耗上,DOM的驻留模式意味着场景中每增加一点东西就需要额外消耗一些内存,而Canvas并没有这个问题。这个差异会随着页面元素的数量增多而愈加明显。以B端的企业应用场景为例,表单那种数据量比较小的场景,不同渲染模式带来的效果差异并不明显;但在工业制造、金融财会等类Excel电子表格操作的场景下,单元格数量动辄便是上百万(5万行x 20列)甚至上亿个,浏览器需要对表格所有单元格本身内容进行渲染,同时还涉及到丰富的数据处理,情况就完全不同了。

(Web页面上的电子表格,包含1百万个单元格)

在Canvas出现之前,在前端渲染表格时只能通过构建复杂的DOM来实现。这种方式下,浏览器的性能成为了Web应用瓶颈,让很多开发者放弃了在浏览器上实现电子表格的想法。

 

在Canvas出现后,快速模式带来的性能优势无疑是一个巨大的亮点,大量、复杂的DOM渲染处理带来的性能问题终于有了解决途径。

 

回到电子表格的应用场景,业内已经出现了使用Canvas绘制画布的表格组件,这类组件在渲染数据层时不仅无需重复创建和销毁DOM元素,在画布的绘制过程中,也比Dom元素渲染的限制更少。除了表格之外,Canvas也为数字孪生可视化大屏、页面游戏等场景带来了变革。

(数字孪生大屏,精确控制各种形状、样式)

总结

总结一下,在渲染模式上,Canvas站在了DOM的对面,浏览器对其内容一无所知,一切渲染的权利回到了开发者的手上,这个改变带来了显著的性能优势。此外,我们可以使用Canvas绘制种类更为丰富的UI元素,如线形、特殊图形等,通过画法逻辑,还可以实现更加精准的UI界面渲染,解决了浏览器差异造成的样式误差,让更多应用场景可以顺利迁移到Web平台上来。

 

 

参考资料:

 

·       Canvas的Wiki介绍

·       Canvas社区

·       基于Canvas表格组件 SpreadJS

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