24|分层和合成机制：为什么CSS动画比JavaScript高效？

在上一篇文章中我们分析了 CSS 和 JavaScript 是如何影响到 DOM 树生成的，今天我们继续沿着渲染流水线向下分析，来聊聊 DOM 树之后所发生的事情。

在前面《05 | 渲染流程（上）：HTML、CSS 和 JavaScript 文件，是如何变成页面的？》文章中，我们介绍过 DOM 树生成之后，还要经历布局、分层、绘制、合成、显示等阶段后才能显示出漂亮的页面。

本文我们主要讲解渲染引擎的分层和合成机制，因为分层和合成机制代表了浏览器最为先进的合成技术，Chrome 团队为了做到这一点，做了大量的优化工作。了解其工作原理，有助于拓宽你的视野，而且也有助于你更加深刻地理解 CSS 动画和 JavaScript 底层工作机制。

显示器是怎么显示图像的

每个显示器都有固定的刷新频率，通常是 60HZ，也就是每秒更新 60 张图片，更新的图片都来自于显卡中一个叫前缓冲区的地方，显示器所做的任务很简单，就是每秒固定读取 60 次前缓冲区中的图像，并将读取的图像显示到显示器上。

那么这里显卡做什么呢？

显卡的职责就是合成新的图像，并将图像保存到后缓冲区中，一旦显卡把合成的图像写到后缓冲区，系统就会让后缓冲区和前缓冲区互换，这样就能保证显示器能读取到最新显卡合成的图像。通常情况下，显卡的更新频率和显示器的刷新频率是一致的。但有时候，在一些复杂的场景中，显卡处理一张图片的速度会变慢，这样就会造成视觉上的卡顿。

帧 VS 帧率

了解了显示器是怎么显示图像的之后，下面我们再来明确下帧和帧率的概念，因为这是后续一切分析的基础。

当你通过滚动条滚动页面，或者通过手势缩放页面时，屏幕上就会产生动画的效果。之所以你能感觉到有动画的效果，是因为在滚动或者缩放操作时，渲染引擎会通过渲染流水线生成新的图片，并发送到显卡的后缓冲区。

大多数设备屏幕的更新频率是 60 次 / 秒，这也就意味着正常情况下要实现流畅的动画效果，渲染引擎需要每秒更新 60 张图片到显卡的后缓冲区。

我们把渲染流水线生成的每一副图片称为一帧，把渲染流水线每秒更新了多少帧称为帧率，比如滚动过程中 1 秒更新了 60 帧，那么帧率就是 60Hz（或者 60FPS）。

由于用户很容易观察到那些丢失的帧，如果在一次动画过程中，渲染引擎生成某些帧的时间过久，那么用户就会感受到卡顿，这会给用户造成非常不好的印象。

要解决卡顿问题，就要解决每帧生成时间过久的问题，为此 Chrome 对浏览器渲染方式做了大量的工作，其中最卓有成效的策略就是引入了分层和合成机制。分层和合成机制代表了当今最先进的渲染技术，所以接下来我们就来分析下什么是合成和渲染技术。

如何生成一帧图像

不过在开始之前，我们还需要聊一聊渲染引擎是如何生成一帧图像的。这需要回顾下我们前面《06 | 渲染流程（下）：HTML、CSS 和 JavaScript 文件，是如何变成页面的？》介绍的渲染流水线。关于其中任意一帧的生成方式，有重排、重绘和合成三种方式。

这三种方式的渲染路径是不同的，通常渲染路径越长，生成图像花费的时间就越多。比如重排，它需要重新根据 CSSOM 和 DOM 来计算布局树，这样生成一幅图片时，会让整个渲染流水线的每个阶段都执行一遍，如果布局复杂的话，就很难保证渲染的效率了。而重绘因为没有了重新布局的阶段，操作效率稍微高点，但是依然需要重新计算绘制信息，并触发绘制操作之后的一系列操作。

相较于重排和重绘，合成操作的路径就显得非常短了，并不需要触发布局和绘制两个阶段，如果采用了 GPU，那么合成的效率会非常高。

所以，关于渲染引擎生成一帧图像的几种方式，按照效率我们推荐合成方式优先，若实在不能满足需求，那么就再退后一步使用重绘或者重排的方式。

本文我们的焦点在合成上，所以接下来我们就来深入分析下 Chrome 浏览器是怎么实现合成操作的。Chrome 中的合成技术，可以用三个词来概括总结：分层、分块和合成。

分层和合成

通常页面的组成是非常复杂的，有的页面里要实现一些复杂的动画效果，比如点击菜单时弹出菜单的动画特效，滚动鼠标滚轮时页面滚动的动画效果，当然还有一些炫酷的 3D 动画特效。如果没有采用分层机制，从布局树直接生成目标图片的话，那么每次页面有很小的变化时，都会触发重排或者重绘机制，这种“牵一发而动全身”的绘制策略会严重影响页面的渲染效率。

为了提升每帧的渲染效率，Chrome 引入了分层和合成的机制。那该怎么来理解分层和合成机制呢？

你可以把一张网页想象成是由很多个图片叠加在一起的，每个图片就对应一个图层，Chrome 合成器最终将这些图层合成了用于显示页面的图片。如果你熟悉 PhotoShop 的话，就能很好地理解这个过程了，PhotoShop 中一个项目是由很多图层构成的，每个图层都可以是一张单独图片，可以设置透明度、边框阴影，可以旋转或者设置图层的上下位置，将这些图层叠加在一起后，就能呈现出最终的图片了。

在这个过程中，将素材分解为多个图层的操作就称为分层，最后将这些图层合并到一起的操作就称为合成。所以，分层和合成通常是一起使用的。

考虑到一个页面被划分为两个层，当进行到下一帧的渲染时，上面的一帧可能需要实现某些变换，如平移、旋转、缩放、阴影或者 Alpha 渐变，这时候合成器只需要将两个层进行相应的变化操作就可以了，显卡处理这些操作驾轻就熟，所以这个合成过程时间非常短。

理解了为什么要引入合成和分层机制，下面我们再来看看 Chrome 是怎么实现分层和合成机制的。

在 Chrome 的渲染流水线中，分层体现在生成布局树之后，渲染引擎会根据布局树的特点将其转换为层树（Layer Tree），层树是渲染流水线后续流程的基础结构。

层树中的每个节点都对应着一个图层，下一步的绘制阶段就依赖于层树中的节点。在《06 | 渲染流程（下）：HTML、CSS 和 JavaScript 文件，是如何变成页面的？》中我们介绍过，绘制阶段其实并不是真正地绘出图片，而是将绘制指令组合成一个列表，比如一个图层要设置的背景为黑色，并且还要在中间画一个圆形，那么绘制过程会生成|Paint BackGroundColor:Black | Paint Circle|这样的绘制指令列表，绘制过程就完成了。

有了绘制列表之后，就需要进入光栅化阶段了，光栅化就是按照绘制列表中的指令生成图片。每一个图层都对应一张图片，合成线程有了这些图片之后，会将这些图片合成为“一张”图片，并最终将生成的图片发送到后缓冲区。这就是一个大致的分层、合成流程。

需要重点关注的是，合成操作是在合成线程上完成的，这也就意味着在执行合成操作时，是不会影响到主线程执行的。这就是为什么经常主线程卡住了，但是 CSS 动画依然能执行的原因。

分块

如果说分层是从宏观上提升了渲染效率，那么分块则是从微观层面提升了渲染效率。

通常情况下，页面的内容都要比屏幕大得多，显示一个页面时，如果等待所有的图层都生成完毕，再进行合成的话，会产生一些不必要的开销，也会让合成图片的时间变得更久。

因此，合成线程会将每个图层分割为大小固定的图块，然后优先绘制靠近视口的图块，这样就可以大大加速页面的显示速度。不过有时候，即使只绘制那些优先级最高的图块，也要耗费不少的时间，因为涉及到一个很关键的因素——纹理上传，这是因为从计算机内存上传到 GPU 内存的操作会比较慢。

为了解决这个问题，Chrome 又采取了一个策略：在首次合成图块的时候使用一个低分辨率的图片。比如可以是正常分辨率的一半，分辨率减少一半，纹理就减少了四分之三。在首次显示页面内容的时候，将这个低分辨率的图片显示出来，然后合成器继续绘制正常比例的网页内容，当正常比例的网页内容绘制完成后，再替换掉当前显示的低分辨率内容。这种方式尽管会让用户在开始时看到的是低分辨率的内容，但是也比用户在开始时什么都看不到要好。

如何利用分层技术优化代码

通过上面的介绍，相信你已经理解了渲染引擎是怎么将布局树转换为漂亮图片的，理解其中原理之后，你就可以利用分层和合成技术来优化代码了。

在写 Web 应用的时候，你可能经常需要对某个元素做几何形状变换、透明度变换或者一些缩放操作，如果使用 JavaScript 来写这些效果，会牵涉到整个渲染流水线，所以 JavaScript 的绘制效率会非常低下。

这时你可以使用 will-change 来告诉渲染引擎你会对该元素做一些特效变换，CSS 代码如下：

1
2
3
4
5
6



.box {

will-change: transform, opacity;

}

这段代码就是提前告诉渲染引擎 box 元素将要做几何变换和透明度变换操作，这时候渲染引擎会将该元素单独实现一帧，等这些变换发生时，渲染引擎会通过合成线程直接去处理变换，这些变换并没有涉及到主线程，这样就大大提升了渲染的效率。这也是 CSS 动画比 JavaScript 动画高效的原因。

所以，如果涉及到一些可以使用合成线程来处理 CSS 特效或者动画的情况，就尽量使用 will-change 来提前告诉渲染引擎，让它为该元素准备独立的层。但是凡事都有两面性，每当渲染引擎为一个元素准备一个独立层的时候，它占用的内存也会大大增加，因为从层树开始，后续每个阶段都会多一个层结构，这些都需要额外的内存，所以你需要恰当地使用 will-change。

总结

好了，今天就介绍到这里，下面我来总结下今天的内容。

首先我们介绍了显示器显示图像的原理，以及帧和帧率的概念，然后基于帧和帧率我们又介绍渲染引擎是如何实现一帧图像的。通常渲染引擎生成一帧图像有三种方式：重排、重绘和合成。其中重排和重绘操作都是在渲染进程的主线程上执行的，比较耗时；而合成操作是在渲染进程的合成线程上执行的，执行速度快，且不占用主线程。
然后我们重点介绍了浏览器是怎么实现合成的，其技术细节主要可以使用三个词来概括：分层、分块和合成。
最后我们还讲解了 CSS 动画比 JavaScript 动画高效的原因，以及怎么使用 will-change 来优化动画或特效。

思考时间

观察下面代码，结合 Performance 面板、内存面板和分层面板，全面比较在 box 中使用 will-change 和不使用 will-change 的效率、性能和内存占用等情况。

  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7
  8
  9
 10
 11
 12
 13
 14
 15
 16
 17
 18
 19
 20
 21
 22
 23
 24
 25
 26
 27
 28
 29
 30
 31
 32
 33
 34
 35
 36
 37
 38
 39
 40
 41
 42
 43
 44
 45
 46
 47
 48
 49
 50
 51
 52
 53
 54
 55
 56
 57
 58
 59
 60
 61
 62
 63
 64
 65
 66
 67
 68
 69
 70
 71
 72
 73
 74
 75
 76
 77
 78
 79
 80
 81
 82
 83
 84
 85
 86
 87
 88
 89
 90
 91
 92
 93
 94
 95
 96
 97
 98
 99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243



<html>

<head>

    <title> 观察 will-change</title>

    <style>

        .box {

             will-change: transform, opacity;

            display: block;

            float: left;

            width: 40px;

               height: 40px;

            margin: 15px;

            padding: 10px;

            border: 1px solid rgb(136, 136, 136);

            background: rgb(187, 177, 37);

            border-radius: 30px;

            transition: border-radius 1s ease-out;

        }

          body {

            font-family: Arial;

        }

       </style>

</head>

  <body>

    <div id="controls">

        <button id="start">start</button>

        <button id="stop">stop</button>

    </div>

    <div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

        <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

            <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

                    <div class="box"> 旋转盒子 </div>

    </div>

    <script>

            let boxes = document.querySelectorAll('.box');  

        let boxes1 = document.querySelectorAll('.box1');  

        let start = document.getElementById('start');

        let stop = document.getElementById('stop');

        let stop_flag = false

      start.addEventListener('click', function () {

        stop_flag =  false

      requestAnimationFrame(render);

    })

       stop.addEventListener('click', function () {

         stop_flag = true

        })

          let  rotate_ = 0

        let opacity_ = 0

        function render() { 

            if(stop_flag)

             return 0 

            rotate_ = rotate_ + 6

            if( opacity_ > 1)

              opacity_ = 0

            opacity_ = opacity_ + 0.01

            let command =  'rotate('+rotate_ + 'deg)';

            for (let index = 0; index < boxes.length; index++) {

                boxes[index].style.transform  = command

                boxes[index].style.opacity = opacity_

            }

            requestAnimationFrame(render);

        }
          

    </script>

</body>

  </html>

欢迎在留言区与我分享你的想法，也欢迎你在留言区记录你的思考过程。感谢阅读，如果你觉得这篇文章对你有帮助的话，也欢迎把它分享给更多的朋友。

文章目录