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:

• 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

从该图中，我们可以发现：

• DOM 元素与 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：

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：

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 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>

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 #composited 的 className = '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

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

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

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。
目前，只有两个属性是满足这个条件的：transforms 和 opacity（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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