詳解盒子端CSS動畫性能提升
目錄
- 流暢動畫的標準
- 盒子端動畫優(yōu)化
- 動畫性能上報分析
- 研究結(jié)論
- Web 每一幀的渲染
- 優(yōu)化動畫步驟
- 1.精簡 DOM ，合理布局
- 2.使用 transform 代替 left、top，減少使用耗性能樣式
- 3.控制頻繁動畫的層級關(guān)系
- 4. 使用 will-change 可以在元素屬性真正發(fā)生變化之前提前做好對應準備
- 5. 使用 dev-tool 時間線 timeline 觀察，找出導致高耗時、掉幀的關(guān)鍵操作
- 總結(jié)一下
流暢動畫的標準
理論上說，F(xiàn)PS 越高，動畫會越流暢，目前大多數(shù)設備的屏幕刷新率為 60 次/秒，所以通常來講 FPS 為 60frame/s 時動畫效果最好，也就是每幀的消耗時間為 16.67ms。
直觀感受，不同幀率的體驗
- 幀率能夠達到 50 ～ 60 FPS 的動畫將會相當流暢，讓人倍感舒適；
- 幀率在 30 ～ 50 FPS 之間的動畫，因各人敏感程度不同，舒適度因人而異；
- 幀率在 30 FPS 以下的動畫，讓人感覺到明顯的卡頓和不適感；
- 幀率波動很大的動畫，亦會使人感覺到卡頓。
盒子端動畫優(yōu)化
在騰訊視頻客廳盒子端，Web 動畫未進行優(yōu)化之前，一些復雜動畫的幀率僅有 10 ~ 30 FPS，卡頓感非常明顯，帶來很不好的用戶體驗。
而進行優(yōu)化之后，能將 10 ~ 30 FPS的動畫優(yōu)化至 30 ~ 60 FPS，雖然不算優(yōu)化到最完美，但是當前盒子硬件的條件下，已經(jīng)算是非常大的進步。
盒子端 Web 動畫性能比較
首先先給出在盒子端不同類型的Web 動畫的性能比較。經(jīng)過對比，在盒子端 CSS 動畫的性能要優(yōu)于 Javascript 動畫，而在 CSS 動畫里，使用 GPU 硬件加速的動畫性能要優(yōu)于不使用硬件加速的性能。
所以在盒子端，實現(xiàn)一個 Web 動畫，優(yōu)先級是：
GPU 硬件加速 CSS 動畫 > 非硬件加速 CSS 動畫 > Javascript 動畫
動畫性能上報分析
要有優(yōu)化，就必須得有數(shù)據(jù)做為支撐。對比優(yōu)化前后是否有提升。而對于動畫而言，衡量一個動畫的標準也就是 FPS 值。
所以現(xiàn)在的關(guān)鍵是如何計算出每個動畫運行時的幀率，這里我使用的是requestAnimationFrame這個函數(shù)近似的得到動畫運行時的幀率。
考慮到盒子都是安卓系統(tǒng)，且大多版本較低且硬件性能堪憂，導致一是許多高級 API 無法使用，二是這里只是近似得到動畫幀率
原理是，正常而言requestAnimationFrame這個方法在一秒內(nèi)會執(zhí)行 60 次，也就是不掉幀的情況下。假設動畫在時間 A 開始執(zhí)行，在時間 B 結(jié)束，耗時 x ms。而中間requestAnimationFrame一共執(zhí)行了 n 次，則此段動畫的幀率大致為：n / (B - A)。
核心代碼如下，能近似計算每秒頁面幀率，以及我們額外記錄一個allFrameCount，用于記錄 rAF 的執(zhí)行次數(shù)，用于計算每次動畫的幀率 ：
var rAF = function () { return (window.requestAnimationFrame ||window.webkitRequestAnimationFrame ||function (callback) { window.setTimeout(callback, 1000 / 60);} );}(); var frame = 0;var allFrameCount = 0;var lastTime = Date.now();var lastFameTime = Date.now(); var loop = function () { var now = Date.now(); var fs = (now - lastFameTime); var fps = Math.round(1000 / fs); lastFameTime = now; // 不置 0，在動畫的開頭及結(jié)尾記錄此值的差值算出 FPS allFrameCount++; frame++; if (now > 1000 + lastTime) {var fps = Math.round((frame * 1000) / (now - lastTime));// console.log("fps", fps); 每秒 FPSframe = 0;lastTime = now; }; rAF(loop);}研究結(jié)論
所以，我們的目標就是在使用 GPU 硬件加速的基礎之上，更深入的去優(yōu)化 CSS 動畫，先給出最后的一個優(yōu)化步驟方案：
1.精簡 DOM ，合理布局
2.使用 transform 代替 left、top，減少使用耗性能樣式
3.控制頻繁動畫的層級關(guān)系
4.考慮使用 will-change
5.使用 dev-tool 時間線 timeline 觀察，找出導致高耗時、掉幀的關(guān)鍵操作
下文會有每一步驟的具體分析解釋。
Web 每一幀的渲染
要想達到 60 FPS，每幀的預算時間僅比 16 毫秒多一點 (1 秒/ 60 = 16.67 毫秒)。但實際上，瀏覽器有整理工作要做，因此您的所有工作需要盡量在 10 毫秒內(nèi)完成。
而每一幀，如果有必要，我們能控制的部分，也是像素至屏幕管道中的關(guān)鍵步驟如下：
完整的像素管道JS / CSS > 樣式 > 布局 > 繪制 > 合成：
1.JavaScript。一般來說，我們會使用 JavaScript 來實現(xiàn)一些視覺變化的效果。比如用 jQuery 的 animate 函數(shù)做一個動畫、對一個數(shù)據(jù)集進行排序或者往頁面里添加一些 DOM 元素等。當然，除了 JavaScript，還有其他一些常用方法也可以實現(xiàn)視覺變化效果，比如：CSS Animations、Transitions 和 Web Animation API。
2.樣式計算。此過程是根據(jù)匹配選擇器（例如 .headline 或 .nav > .nav__item）計算出哪些元素應用哪些 CSS 3. 規(guī)則的過程。從中知道規(guī)則之后，將應用規(guī)則并計算每個元素的最終樣式。
3.布局。在知道對一個元素應用哪些規(guī)則之后，瀏覽器即可開始計算它要占據(jù)的空間大小及其在屏幕的位置。網(wǎng)頁的布局模式意味著一個元素可能影響其他元素，例如 <body> 元素的寬度一般會影響其子元素的寬度以及樹中各處的節(jié)點，因此對于瀏覽器來說，布局過程是經(jīng)常發(fā)生的。
4.繪制。繪制是填充像素的過程。它涉及繪出文本、顏色、圖像、邊框和陰影，基本上包括元素的每個可視部分。繪制一般是在多個表面（通常稱為層）上完成的。
5.合成。由于頁面的各部分可能被繪制到多層，由此它們需要按正確順序繪制到屏幕上，以便正確渲染頁面。對于與另一元素重疊的元素來說，這點特別重要，因為一個錯誤可能使一個元素錯誤地出現(xiàn)在另一個元素的上層。
當然，不一定每幀都總是會經(jīng)過管道每個部分的處理。我們的目標就是，每一幀的動畫，對于上述的管道流程，能避免則避免，不能避免則最大限度優(yōu)化。
優(yōu)化動畫步驟
先給出一個步驟，調(diào)優(yōu)一個動畫，有一定的指導原則可以遵循，一步一步深入動畫:
1.精簡 DOM ，合理布局
這個沒什么好說的，如果可以，精簡 DOM 結(jié)構(gòu)在任何時候都是對頁面有幫助的。
2.使用 transform 代替 left、top，減少使用耗性能樣式
現(xiàn)代瀏覽器在完成以下四種屬性的動畫時，消耗成本較低：
- position（位置）:transform: translate(npx, npx)
- scale（比例縮放）：transform: scale(n)
- rotation（旋轉(zhuǎn)） ：transform: rotate(ndeg)
- opacity（透明度）：opacity： 0...1
如果可以，盡量只使用上述四種屬性去控制動畫。
不同樣式在消耗性能方面是不同的，改變一些屬性的開銷比改變其他屬性要多，因此更可能使動畫卡頓。
例如，與改變元素的文本顏色相比，改變元素的box-shadow將需要開銷大很多的繪圖操作。 改變元素的width可能比改變其transform要多一些開銷。如box-shadow屬性，從渲染角度來講十分耗性能，原因就是與其他樣式相比，它們的繪制代碼執(zhí)行時間過長。
這就是說，如果一個耗性能嚴重的樣式經(jīng)常需要重繪，那么你就會遇到性能問題。其次你要知道，沒有不變的事情，在今天性能很差的樣式，可能明天就被優(yōu)化，并且瀏覽器之間也存在差異。
開啟 GPU 硬件加速
歸根結(jié)底，上述四種屬性的動畫消耗較低的原因是會開啟了 GPU 硬件加速。動畫元素生成了自己的圖形層（GraphicsLayer）。
通常而言，開啟 GPU 加速的方法我們可以使用
will-change: transform
這會使聲明了該樣式屬性的元素生成一個圖形層，告訴瀏覽器接下來該元素將會進行 transform 變換，讓瀏覽器提前做好準備。
使用will-change并不一定會有性能的提升，因為即使瀏覽器預料到會有這些更改，依然會為這些屬性運行布局和繪制流程，所以提前告訴瀏覽器，也并不會有太多性能上的提升。這樣做的好處是，創(chuàng)建新的圖層代價很高，而等到需要時匆忙地創(chuàng)建，不如一開始直接創(chuàng)建好。
對于 Safari 及一些舊版本瀏覽器，它們不能識別will-change，則需要使用某種 translate 3D 進行 hack，通常會使用
transform: translateZ(0)
所以，正常而言，在生產(chǎn)環(huán)境下，我們可能需要使用如下代碼，開啟硬件加速：
{ will-change: transform; transform: translateZ(0);}3.控制頻繁動畫的層級關(guān)系
動畫層級的控制的意思是盡量讓需要進行 CSS 動畫的元素的z-index保持在頁面最上方，避免瀏覽器創(chuàng)建不必要的圖形層（GraphicsLayer），能夠很好的提升渲染性能。
OK，這里又提到了圖形層（GraphicsLayer），這是一個瀏覽器渲染原理相關(guān)的知識（WebKit/blink內(nèi)核下）。它能對動畫進行加速，但同時也存在相應的加速坑！
簡單來說，瀏覽器為了提升動畫的性能，為了在動畫的每一幀的過程中不必每次都重新繪制整個頁面。在特定方式下可以觸發(fā)生成一個合成層，合成層擁有單獨的 GraphicsLayer。
需要進行動畫的元素包含在這個合成層之下，這樣動畫的每一幀只需要去重新繪制這個 Graphics Layer 即可，從而達到提升動畫性能的目的。
那么一個元素什么時候會觸發(fā)創(chuàng)建一個 Graphics Layer 層？從目前來說，滿足以下任意情況便會創(chuàng)建層：
- 硬件加速的 iframe 元素（比如 iframe 嵌入的頁面中有合成層）
- 硬件加速的插件，比如 flash 等等
- 使用加速視頻解碼的<video>元素
- 3D 或者 硬件加速的 2D Canvas 元素
- 3D 或透視變換 (perspective、transform) 的 CSS 屬性
- 對自己的 opacity 做 CSS 動畫或使用一個動畫變換的元素
- 擁有加速 CSS 過濾器的元素
- 元素有一個包含復合層的后代節(jié)點(換句話說，就是一個元素擁有一個子元素，該子元素在自己的層里)
- 元素有一個 z-index 較低且包含一個復合層的兄弟元素
本小點中說到的動畫層級的控制，原因就在于上面生成層的最后一條：
元素有一個 z-index 較低且包含一個復合層的兄弟元素。
這里是存在坑的地方，首先我們要明確兩點：
1.我們希望我們的動畫得到 GPU 硬件加速，所以我們會利用類似transform: translateZ()這樣的方式生成一個 Graphics Layer 層。
2.Graphics Layer 雖好，但不是越多越好，每一幀的渲染內(nèi)核都會去遍歷計算當前所有的 Graphics Layer ，并計算他們下一幀的重繪區(qū)域，所以過量的 Graphics Layer 計算也會給渲染造成性能影響。
記住這兩點之后，回到上面我們說的坑。
假設我們有一個輪播圖，有一個 ul 列表，結(jié)構(gòu)如下：
<div><div>輪播圖</div><ul><li>列表li</li><li>列表li</li><li>列表li</li><li>列表li</li></ul></div>
假設給他們定義如下 CSS：
.swiper { position: static; animation: 10s move infinite;} .list { position: relative;} @keyframes move { 100% {transform: translate3d(10px, 0, 0); }}由于給.swiper添加了translate3d(10px, 0, 0)動畫，所以它會生成一個 Graphics Layer，如下圖所示，用開發(fā)者工具可以打開層的展示，圖形外的黃色邊框即代表生成了一個獨立的復合層，擁有獨立的 Graphics Layer 。
但是！在上面的圖中，我們并沒有給下面的list也添加任何能觸發(fā)生成 Graphics Layer 的屬性，但是它也同樣也有黃色的邊框，生成了一個獨立的復合層。
原因在于上面那條元素有一個 z-index 較低且包含一個復合層的兄弟元素。我們并不希望list元素也生成 Graphics Layer ，但是由于 CSS 層級定義原因，下面的 list 的層級高于上面的 swiper，所以它被動的也生成了一個 Graphics Layer 。
使用 Chrome，我們也可以觀察到這種層級關(guān)系，可以看到.list的層級高于.swiper：
所以，下面我們修改一下 CSS ，改成：
.swiper { position: relative; z-index: 100;} .list { position: relative;}這里，我們明確使得.swiper的層級高于.list，再打開開發(fā)者工具觀察一下：
可以看到，這一次，.list元素已經(jīng)沒有了黃色外邊框，說明此時沒有生成 Graphics Layer 。再看看層級圖：
此時，層級關(guān)系才是我們希望看到的，.list元素沒有觸發(fā)生成 Graphics Layer 。而我們希望需要硬件加速的.swiper保持在最上方，每次動畫過程中只會獨立重繪這部分的區(qū)域。
總結(jié)
這個坑最早見于張云龍發(fā)布的這篇文章CSS3硬件加速也有坑，這里還要總結(jié)補充的是：
GPU 硬件加速也會有坑，當我們希望使用利用類似transform: translate3d()這樣的方式開啟 GPU 硬件加速，一定要注意元素層級的關(guān)系，盡量保持讓需要進行 CSS 動畫的元素的z-index保持在頁面最上方。
Graphics Layer 不是越多越好，每一幀的渲染內(nèi)核都會去遍歷計算當前所有的 Graphics Layer ，并計算他們下一幀的重繪區(qū)域，所以過量的 Graphics Layer 計算也會給渲染造成性能影響。
可以使用 Chrome ，用上面介紹的兩個工具對自己的頁面生成的 Graphics Layer 和元素層級進行觀察然后進行相應修改。
上面觀察頁面層級的 chrome 工具非常吃內(nèi)存？好像還是一個處于實驗室的功能，分析稍微大一點的頁面容易直接卡死，所以要多學會使用第一種觀察黃色邊框的方式查看頁面生成的 Graphics Layer 這種方式。
4. 使用 will-change 可以在元素屬性真正發(fā)生變化之前提前做好對應準備
// 示例.example { will-change: transform;}上面已經(jīng)提到過 will-change 了。
will-change 為 web 開發(fā)者提供了一種告知瀏覽器該元素會有哪些變化的方法，這樣瀏覽器可以在元素屬性真正發(fā)生變化之前提前做好對應的優(yōu)化準備工作。 這種優(yōu)化可以將一部分復雜的計算工作提前準備好，使頁面的反應更為快速靈敏。
值得注意的是，用好這個屬性并不是很容易：
在一些低端盒子上，will-change會導致很多小問題，譬如會使圖片模糊，有的時候很容易適得其反，所以使用的時候還需要多加測試。
不要將 will-change 應用到太多元素上：瀏覽器已經(jīng)盡力嘗試去優(yōu)化一切可以優(yōu)化的東西了。有一些更強力的優(yōu)化，如果與 will-change 結(jié)合在一起的話，有可能會消耗很多機器資源，如果過度使用的話，可能導致頁面響應緩慢或者消耗非常多的資源。
有節(jié)制地使用：通常，當元素恢復到初始狀態(tài)時，瀏覽器會丟棄掉之前做的優(yōu)化工作。但是如果直接在樣式表中顯式聲明了 will-change 屬性，則表示目標元素可能會經(jīng)常變化，瀏覽器會將優(yōu)化工作保存得比之前更久。所以最佳實踐是當元素變化之前和之后通過腳本來切換 will-change 的值。
不要過早應用 will-change 優(yōu)化：如果你的頁面在性能方面沒什么問題，則不要添加 will-change 屬性來榨取一丁點的速度。 will-change 的設計初衷是作為最后的優(yōu)化手段，用來嘗試解決現(xiàn)有的性能問題。它不應該被用來預防性能問題。過度使用 will-change 會導致生成大量圖層，進而導致大量的內(nèi)存占用，并會導致更復雜的渲染過程，因為瀏覽器會試圖準備可能存在的變化過程，這會導致更嚴重的性能問題。
給它足夠的工作時間：這個屬性是用來讓頁面開發(fā)者告知瀏覽器哪些屬性可能會變化的。然后瀏覽器可以選擇在變化發(fā)生前提前去做一些優(yōu)化工作。所以給瀏覽器一點時間去真正做這些優(yōu)化工作是非常重要的。使用時需要嘗試去找到一些方法提前一定時間獲知元素可能發(fā)生的變化，然后為它加上 will-change 屬性。
5. 使用 dev-tool 時間線 timeline 觀察，找出導致高耗時、掉幀的關(guān)鍵操作
1）對比屏幕快照，觀察每一幀包含的內(nèi)容及具體的操作
2）找到掉幀的那一幀，分析該幀內(nèi)不同步驟的耗時占比，進行有針對性的優(yōu)化
3）觀察是否存在內(nèi)存泄漏
對于 timeline 的使用用法，這里有個非常好的教程，通俗易懂，可以看看：
瀏覽器渲染優(yōu)化 Udacity 課程
總結(jié)一下
對于盒子端 CSS 動畫的性能，很多方面仍處于探索中，本文大量內(nèi)容在之前文章已經(jīng)出現(xiàn)過，這里更多的是歸納總結(jié)提煉成可參照執(zhí)行的流程。
本文的優(yōu)化方案研究同樣適用于 PC Web 及移動 Web
以上就是詳解盒子端CSS動畫性能提升的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于盒子端CSS動畫性能提升的資料請關(guān)注其它相關(guān)文章！
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