拯救动画卡顿之FLIP

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前置知识

什么是FPS

FPS是浏览器的每秒的渲染帧数,也就是浏览器切换画面的次数,大多数设备的刷新率都是60FPS,一般来说FPS越低页面就会越卡顿。

什么是像素管道?

像素管道是浏览器单个帧的渲染流水线,如果其中有某些环节执行过程过长就会导致卡顿

  • JavaScript。通常来说,阻塞的发起都是来自于 JS ,这不是说不用 JS,而是要正确的使用 JS 。首先,JS 线程的运行本身就是阻塞 UI 线程的(暂不考虑 Web Worker)。从纯粹的数学角度而言,每帧的预算约为 16.7 毫秒(1000 毫秒 / 60 帧 = 16.66 毫秒/帧)。但因为浏览器需要花费时间将新帧绘制到屏幕上,只有 ~10 毫秒来执行 JS 代码,过长时间的同步执行 JS 代码肯定会导致超过 10ms 这个阈值,其次,频繁执行一些代码也会过长的占用每帧渲染的时间。此外,用 JS 去获取一些样式还会导致强制同步布局
  • 样式计算(Style)。此过程是根据匹配选择器(例如 .headline.nav > .nav__item)计算出哪些元素应用哪些 CSS 规则的过程,这个过程不仅包括计算层叠样式表中的权重来确定样式,也包括内联的样式,来计算每个元素的最终样式。
  • 布局(Layout)。在知道对一个元素应用哪些规则之后,浏览器即可开始计算该元素要占据的空间大小及其在屏幕的位置。网页的布局模式意味着一个元素可能影响其他元素,一般来说如果修改了某个元素的大小或者位置,则需要检查其他所有元素并重排(re-flow)整个页面。
  • 绘制(Paint)。绘制是填充像素的过程。它涉及绘出文本、颜色、图像、边框和阴影,基本上包括元素的每个可视部分。绘制一般是在多个表面(通常称为层)上完成的,绘制包括两个步骤: 1) 创建绘图调用的列表, 2) 填充像素,后者也被称作栅格化。
  • 合成(Composite)。由于页面的各部分可能被绘制到多个层上,因此它们需要按正确顺序绘制到屏幕上,才能正确地渲染页面。尤其对于与另一元素重叠的元素来说,这点特别重要,因为一个错误可能使一个元素错误地出现在另一个元素的上层。

上述的五个阶段并不是一定都会执行到的,这五个阶段中涉及到了老生常谈的两个概念:重排跟重绘,虽然初次渲染布局跟绘制必不可少,但是后期我们可以控制避免通过这两个管道: 以下是当我们修改不同的样式属性时,会触发的几种帧流程:

从上图中能看到JS阶段以及Style 和 Composite阶段 是不可避免的,因为需要 JS 来引发样式的改变,Style 来计算更改后最终的样式,Composite 来合成各个层最终进行显示,能跳过的步骤只有布局跟绘制,我们知道,执行的阶段越少,耗时就越少,每秒的渲染帧数就会越高,那么能不能直接跳过这两个步骤直接到合成呢? 答案是肯定的,如下的属性只会触发合成阶段: transform、opacity、pointer-events、perspective (透视效果)、curosr、orphans设置当元素内部发生分页时必须在页面底部保留的最少行数(用于打印或打印预览)、widows(设置当元素内部发生分页时必须在页面顶部保留的最少行数(用于打印或打印预览))。

FLIP

综上所述,当我们写动画的时候如果用height margin padding left等会触发重排的属性,相较于只用transform或者opacity会带来更多的性能开销,一旦这个计算时长超过1个动画帧(一般是60帧每秒,也就是说超过16.7ms), 那么这帧动画将不会绘制,产生页面卡顿。 FLIP技术,就是一种让动画只利用到transform或者opacity的技巧,FLIP是 First, Last, Invert, Play的简称。

概念

First

对应动画的Start阶段,用 element.getBoundingClientRect()记录初始位置。

Last

对应动画的End阶段,先执行触发layout变动的代码,同样的用element.getBoundingClientRect()记录元素的终止位置。

Invert

现在元素处于End位置,利用 transform 做一个逆运算,让添加了 transform 的元素回归到初始位置。

Play

真正需要执行动画时,将 transform 置为 None

上述阶段可能有人会困惑,getBoundingClientRect不是也会触发重排吗?但是需要注意的是我们的重心是在动画阶段,要保障的是动画阶段的流畅,更何况用户在网页上进行交互时,比如click,touch,从交互结束到感知到程序的相应大约需要100ms的生理反应时间。我们在用户交互后要做100ms内准备好动画就好了,这些动画准备计算就是getBoundingClientRect(或getComputedStyle)等的计算。

实践

现在实现一个简单的从左到右的循环滚动动画

const playAnimate = (el) => {if (!el) return;// 记录初始位置,对应 FLIP的FIRSTconst pos = tagWrapperRef.current?.getBoundingClientRect();const { left: initLeft } = pos; // 设置元素样式为动画结束时的目标位置 tagWrapperRef.current.classList.add('scroll-to-end'); // 记录终止位置 对应FLIP的LASTconst endPos = tagWrapperRef.current?.getBoundingClientRect();const { left: endLeft } = endPos;// 计算初始位置跟终止位置的偏差const deltaLeft = initLeft - endLeft;tagWrapperRef.current.animate([// 动画开始时,利用 `transform` 做一个逆运算,让添加了 `transform` 的元素回归到初始位置。{transform: `translate(${deltaLeft}px,0)`,},{transform: 'none',},],{duration: totalTime * 1000,easing: 'linear',iterations: Infinity,});
 } 
.scroll-to-end{left:100%} 

采用FLIP的形式成功的避开了动画过程中更改left。 我们注意到:我们可以在动画开始前预先用API计算元素在动画终止时候的位置,只要知道了终态跟初始状态,就能迅速计算出要达到终态该怎么移动,由此避开一些复杂的计算,由此我们也可以得出: 除了用来做性能优化之外,FLIP也能用于简化某些场景下动画的实现过程,如以下几个场景:

  • 视图之间的过渡
  • 图片展开和收缩效果
  • 项目删除和添加时填充空白区域的效果
  • 网格项的重新排序 举个例子,如第三个场景,如若添加或者删除的卡片的大小是未知的,如果用常规的方式移动其他卡片将变得困难,而如果使用FLIP,问题将迎刃而解
// Last
if (updateType === 0) { 
// 增加卡片 
newListData = this.state.listData.slice(0, activeIndex).concat({ index: cardIndex++ 
}, this.state.listData.slice(activeIndex)) 
} else { 
// 删除卡片 
newListData = this.state.listData.filter((value, index) => index !== activeIndex)
}

// Invert

// 0 增加 1 删除
const updateIndex = updateType === 0 ? 1 : 0
activeList.forEach((item, index) => {rect = item.getBoundingClientRect()invertArr[index + updateIndex][0] = invertArr[index + updateIndex][0] - rect.left invertArr[index + updateIndex][1] = invertArr[index + updateIndex][1] - rect.top
 ... 

使用FLIP形式需要注意什么

  • FLIP中的前三个阶段也就是前期的准备工作需要在绘制这个步骤之前,也就是时间需要尽可能的控制在之前提到的100ms以内,否则的话 渲染的过程中可能出现闪烁,但是我们怎么才能抓住绘制前这个时机呢?本人用React比较多,以React为例:答案是useLayoutEffect,它接受一个回调函数,这个函数会在dom更新后、重绘之前同步的执行

比如,我们实现一个点击方块互换位置的动画(详见codepen.io/jlkiri/pen/…)

const Flipper = () => {const [ids, setIds] = React.useState(["square-1", "square-2"]);const rects = React.useRef(new Map()).current;const swap = ([a, b]) => [b, a];React.useEffect(() => {const squares = document.querySelectorAll(".square");// Cache position and size once on initial renderfor (const square of squares) {rects.set(square.id, square.getBoundingClientRect());}}, []);React.useLayoutEffect(() => {const squares = document.querySelectorAll(".square");for (const square of squares) {// Get previous size and position from cacheconst cachedRect = rects.get(square.id);if (cachedRect) {const nextRect = square.getBoundingClientRect();// Invertconst translateX = cachedRect.x - nextRect.x;// Cache the next size and positionrects.set(square.id, nextRect);// Playsquare.animate([{ transform: `translateX(${translateX}px)` },{ transform: `translateX(0px)` }],1000);}}}, ids);return (<div className="container">{ids.map((id, i) => {return (<div id={id} onClick={() => setIds(swap(ids))} className={`square`}>{id}</div>);})}</div>);
};

ReactDOM.render(<Flipper />, document.querySelector("#root")); 

以上可以用如下的流程图概括:

  • 避免多次触发重排 可能会有的人“读”“写”一起进行。

错误的做法: 循环遍历元素并使用 getBoundingClientRect 读取它们的位置,然后立即使用 animate 为它们设置动画。

正确的做法: 批量的读取与写入

最后

Invert这一步骤可能有些许麻烦,今年5月份作者提供了插件 Flip Plugin

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