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从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理


引言

在h5开发中,我们经常会需要实现一些动效来让页面视觉效果更好,谈及动效便不可避免地会想到动效性能优化这个话题:

  • 减少页面DOM操作,可以使用CSS实现的动效不多出一行js代码
  • 使用绝对定位脱离让DOM脱离文档流,减少页面的重排(relayout)
  • 使用CSS3 3D属性开启硬件加速

那么,CSS3与动效优化有什么关系呢,本文将从浏览器渲染层面讲述CSS3的动效优化原理

浏览器页面展示过程

首页,我们需要了解一下浏览器的页面展示过程:
从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理

  • Javascript:主要负责业务交互逻辑。
  • Style: 根据 CSS 选择器,对每个 DOM 元素匹配对应的 CSS 样式。
  • Layout: 具体计算 DOM 元素显示在屏幕上的大小及位置。
  • Paint: 实现一个 DOM 元素的可视效果(颜色、边框、阴影等),一般来说由多个渲染层完成。
  • Composite: 当每个层绘制完成后,浏览器会将所有层按照合理顺序合并为一个图层,显示到屏幕。
    本文我们将重点关注 Composite 过程。

浏览器渲染原理

在讨论 Composite 之前,我们还需要了解一下浏览器渲染原理
从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理

从该图中,我们可以发现:

  • DOM 元素Layout Object 存在一一对应的关系
  • 一般来说,拥有相同坐标空间的 Layout Object 属于同一个 Paint Layer (渲染层),通过 position、opacity、filter等 CSS 属性可以创建新的 Paint Layer
  • 某些特殊的 Paint Layer 会被认为是 Composite Layer (合成层/复合层),Composite Layer 拥有单独的 Graphics Layer (图形层),而那些非 Composite Layer 的 Paint Layer,会与拥有 Graphics Layer 的父层共用一个

Graphics Layer

我们日常生活中所看到屏幕可视效果可以理解为:由多个位图通过 GPU 合成渲染到屏幕上,而位图的最小单位是像素。如下图:
从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理

那么位图是怎么获得的呢,Graphics Layer 便起到了关键作用,每个 Graphics Layer 都有一个 Graphics Context, 位图是存储在共享内存中,Graphics Context 会负责将位图作为纹理上传到GPU中,再由GPU进行合成渲染。如下图:
从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理

CSS在浏览器渲染层面承担了怎样的角色

大多数人对于CSS3的第一印象,就是可以通过3D(如transform)属性来开启硬件加速,许多同学在重构某一个项目时,考虑到动画性能问题,都会倾向:

  1. 将2Dtransform改为3Dtransform
    2.将 left ( top、bottom、right )的移动改为 3Dtransform
    但开启硬件加速的底层原理其实就在于将 Paint Layer 提升到了 Composite Layer
    从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理
    以下的几种方式都用相同的作用:
  • 3D属性开启硬件加速(3d-transform)
  • will-change: (opacity、transform、top、left、bottom、right)
  • 使用fixed或sticky定位
  • 对opacity、transform、filter应用了 animation(actived) or transition(actived),注意这里的 animation 及 transition 需要是处于激活状态才行

我们来写两段 demo 代码,带大家具体分析一下实际情况

demo1. 3D属性开启硬件加速(3d-transform)

.composited{   width: 200px;   height: 200px;   background: red;   transform: translateZ(0) } </style>  <div class="composited">   composited - 3dtransform </div> 

从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理
可以看到是因为使用的CSS 3D transform,创建了一个复合层

demo2. 对opacity、transform、filter应用 animation(actived) or transition(actived)

<style> @keyframes move{   0%{     top: 0;   }   50%{     top: 600px;   }   100%{     top: 0;   } } @keyframes opacity{   0%{     opacity: 0;   }   50%{     opacity: 1;   }   100%{     opacity: 0;   } }  #composited{   width: 200px;   height: 200px;   background: red;   position: absolute;   left: 0;   top: 0;    } .both{   animation: move 2s infinite, opacity 2s infinite; } .move{   animation: move 2s infinite; } </style>  <div  id="composited" class="both">   composited - animation </div> <script> setTimeout(function(){   const dom = document.getElementById('composited')   dom.className = 'move' },5000) </script> 

这里我们定义了两个keyframes(move、opacity),还有两个class(both、move),起初 #compositedclassName = 'both',5秒延时器后,className = 'move',我们来看看浏览器的实际变化。

起初:#composited 创建了一个复合层,并且运动时 fps 没有波动,性能很稳定
从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理

5秒后:复合层消失,运动时 fps 会发生抖动,性能开始变得不再稳定
从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理

如何查看复合层及fps

在浏览器的 Dev Tools 中选择 More tools,并勾选 Rendering 中的 FPS meter
从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理

动画性能最优化

之前,我们提到了页面呈现出来所经历的渲染流水线,其实从性能方面考虑,最理想的渲染流水线是没有布局和绘制环节的,为了实现上述效果,就需要只使用那些仅触发 Composite 的属性。
从浏览器渲染层面解析css3动效优化原理
目前,只有两个属性是满足这个条件的:transformsopacity(仅部分浏览器支持)。
相关信息可查看:css Triggers

总结

提升为合成层简单说来有以下几点好处:

  • 合成层的位图,会交由 GPU 合成,比 CPU 处理要快
  • 当需要 repaint 时,只需要 repaint 本身,不会影响到其他的层
  • 对于 transform 和 opacity 效果,部分浏览器不会触发 Layout 和 Paint, 相关信息可查看:css Triggers

缺点:

  • 创建一个新的合成层并不是免费的,它得消耗额外的内存和管理资源。
  • 纹理上传后会交由 GPU 处理,因此我们还需要考虑 CPU 和 GPU 之间的带宽问题、以及有多大内存供 GPU 处理这些纹理的问题

大多数人都很喜欢使用3D属性 translateZ(0) 来进行所谓的硬件加速,以提升性能。但我们还需要切实的去分析页面的实际性能表现,不断的改进测试,这样才是正确的性能优化途径。

参考资料

无线性能优化:Composite – 淘系前端团队


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