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前端CSS3动画性能优化

最近拜读了一下 html5rocks 上几位大神写的一篇关于CSS3动画性能优化的文章,学到了很多,在这里记录一下,其中的知识都是来源于这俩篇文章,我只是截取了其中比较关注的内容出来,原文地址 High Performance Animations 及 Accelerated Rendering in Chrome

原理

现代浏览器在使用CSS3动画时,以下四种情形绘制的效率较高,分别是: 
* 改变位置 
* 改变大小 
* 旋转 
* 改变透明度

层?重绘?回流和重布局?图层重组?

首先要了解CSS的图层的概念(Chrome浏览器)

浏览器在渲染一个页面时,会将页面分为很多个图层,图层有大有小,每个图层上有一个或多个节点。在渲染DOM的时候,浏览器所做的工作实际上是: 
1. 获取DOM后分割为多个图层 
2. 对每个图层的节点计算样式结果(Recalculate style--样式重计算) 
3. 为每个节点生成图形和位置(Layout--回流和重布局) 
4. 将每个节点绘制填充到图层位图中(Paint Setup和Paint--重绘) 
5. 图层作为纹理上传至GPU 
6. 符合多个图层到页面上生成最终屏幕图像(Composite Layers--图层重组)

Chrome中满足以下任意情况就会创建图层: 
* 3D或透视变换(perspective transform)CSS属性 
* 使用加速视频解码的 <video> 节点 
* 拥有3D(WebGL)上下文或加速的2D上下文的 <canvas> 节点 
* 混合插件(如Flash) 
* 对自己的opacity做CSS动画或使用一个动画webkit变换的元素 
* 拥有加速CSS过滤器的元素 
* 元素有一个包含复合层的后代节点(一个元素拥有一个子元素,该子元素在自己的层里) 
* 元素有一个 z-index 较低且包含一个复合层的兄弟元素(换句话说就是该元素在复合层上面渲染)

需要注意的是,如果图层中某个元素需要重绘,那么整个图层都需要重绘。比如一个图层包含很多节点,其中有个gif图,gif图的每一帧,都会重回整个图层的其他节点,然后生成最终的图层位图。所以这需要通过特殊的方式来强制gif图属于自己一个图层( translateZ(0) 或者 translate3d(0,0,0) ),CSS3的动画也是一样(好在绝大部分情况浏览器自己会为CSS3动画的节点创建图层)

层和CSS动画

简化一下上述过程,每一帧动画浏览器可能需要做如下工作: 
1. 计算需要被加载到节点上的样式结果(Recalculate style--样式重计算) 
2. 为每个节点生成图形和位置(Layout--回流和重布局) 
3. 将每个节点填充到图层中(Paint Setup和Paint--重绘) 
4. 组合图层到页面上(Composite Layers--图层重组)

如果我们需要使得动画的性能提高,需要做的就是减少浏览器在动画运行时所需要做的工作。最好的情况是,改变的属性仅仅印象图层的组合,变换( transform )和透明度( opacity )就属于这种情况

现代浏览器如Chrome,Firefox,Safari和Opera都对变换和透明度采用硬件加速,但IE10+不是很确定是否硬件加速

触发重布局的属性

有些节点,当你改变他时,会需要重新布局(这也意味着需要重新计算其他被影响的节点的位置和大小)。这种情况下,被影响的DOM树越大(可见节点),重绘所需要的时间就会越长,而渲染一帧动画的时间也相应变长。所以需要尽力避免这些属性

一些常用的改变时会触发重布局的属性: 
盒子模型相关属性会触发重布局: 
* width 
* height 
* padding 
* margin 
* display 
* border-width 
* border 
* min-height

定位属性及浮动也会触发重布局: 
* top 
* bottom 
* left 
* right 
* position 
* float 
* clear

改变节点内部文字结构也会触发重布局: 
* text-align 
* overflow-y 
* font-weight 
* overflow 
* font-family 
* line-height 
* vertival-align 
* white-space 
* font-size

这么多常用属性都会触发重布局,可以看到,他们的特点就是可能修改整个节点的大小或位置,所以会触发重布局

别使用CSS类名做状态标记

如果在网页中使用CSS的类来对节点做状态标记,当这些节点的状态标记类修改时,将会触发节点的重绘和重布局。所以在节点上使用CSS类来做状态比较是代价很昂贵的

触发重绘的属性

修改时只触发重绘的属性有: 
* color 
* border-style 
* border-radius 
* visibility 
* text-decoration 
* background 
* background-image 
* background-position 
* background-repeat 
* background-size 
* outline-color 
* outline 
* outline-style 
* outline-width 
* box-shadow

这样可以看到,这些属性都不会修改节点的大小和位置,自然不会触发重布局,但是节点内部的渲染效果进行了改变,所以只需要重绘就可以了

手机就算重绘也很慢

在重绘时,这些节点会被加载到GPU中进行重绘,这对移动设备如手机的影响还是很大的。因为CPU不如台式机或笔记本电脑,所以绘画巫妖的时间更长。而且CPU与GPU之间的有较大的带宽限制,所以纹理的上传需要一定时间

触发图层重组的属性

透明度竟然不会触发重绘?

需要注意的是,上面那些触发重绘的属性里面没有 opacity (透明度),很奇怪不是吗?实际上透明度的改变后,GPU在绘画时只是简单的降低之前已经画好的纹理的alpha值来达到效果,并不需要整体的重绘。不过这个前提是这个被修改 opacity本身必须是一个图层,如果图层下还有其他节点,GPU也会将他们透明化

强迫浏览器创建图层

在Blink和WebKit的浏览器中,一当一个节点被设定了透明度的相关过渡效果或动画时,浏览器会将其作为一个单独的图层,但很多开发者使用 translateZ(0) 或者translate3d(0,0,0) 去使浏览器创建图层。这种方式可以消除在动画开始之前的图层创建时间,使得动画尽快开始(创建图层和绘制图层还是比较慢的),而且不会随着抗锯齿而导出突变。不过这种方法需要节制,否则会因为创建过多的图层导致崩溃

Chrome中的抗锯齿

Chrome中,非根图层以及透明图层使用grayscale antialiasing而不是subpixel antialiasing,如果抗锯齿方法变化,这个效果将会非常显著。如果你打算预处理一个节点而不打算等到动画开始,可以通过这种强迫浏览器创建图层的方式进行

transform变换是你的选择

我们通过节点的 transform 可以修改节点的位置、旋转、大小等。我们平常会使用 left 和 top 属性来修改节点的位置,但正如上面所述, left 和 top 会触发重布局,修改时的代价相当大。取而代之的更好方法是使用 translate ,这个不会触发重布局

JS动画和CSS3动画的比较

我们经常面临一个抉择:是使用JavaScript的动画还是使用CSS的动画,下面将对比一下这两种方式

JS动画

缺点:JavaScript在浏览器的主线程中运行,而其中还有很多其他需要运行的JavaScript、样式计算、布局、绘制等对其干扰。这也就导致了线程可能出现阻塞,从而造成丢帧的情况。

优点:JavaScript的动画与CSS预先定义好的动画不同,可以在其动画过程中对其进行控制:开始、暂停、回放、中止、取消都是可以做到的。而且一些动画效果,比如视差滚动效果,只有JavaScript能够完成

CSS动画

缺点:缺乏强大的控制能力。而且很难以有意义的方式结合到一起,使得动画变得复杂且易于出问题。 
优点:浏览器可以对动画进行优化。它必要时可以创建图层,然后在主线程之外运行。

前瞻

Google目前正在探究通过JS的多线程(Web Workers)来提供更好的动画效果,而不会触发重布局及样式重计算

结论

动画给予了页面丰富的视觉体验。我们应该尽力避免使用会触发重布局和重绘的属性,以免失帧。最好提前申明动画,这样能让浏览器提前对动画进行优化。由于GPU的参与,现在用来做动画的最好属性是如下几个: 
* opacity 
* translate 
* rotate 
* scale

也许会有一些新的方式使得可以使用JavaScript做出更好的没有限制的动画,而且不用担心主线程的阻塞问题。但在那之前,还是好好考虑下如何做出流畅的动画吧