从浏览器渲染原理说一说如何实现高效的动画

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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。

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。

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：

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。

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

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：

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。

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。

可以通过 Chrome 开发者工具中的 Layer 来查看合成层：

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：

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。

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。

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：

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。

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：

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。

<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。

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：

CSS Triggers List – What Kind of Changes You Can Make

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。

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。

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：

https://developers.google.com…
http://taobaofed.org/blog/201…
https://developers.google.com…
https://juejin.im/entry/59080…

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

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