最近入坑 Web 動畫，所以把自己的學習過程記錄一下分享給大家。

CSS3 3D 行星運轉(zhuǎn) demo 頁面請戳：Demo。（建議使用Chrome打開）

本文完整的代碼，以及更多的 CSS3 效果，在我 Github 上可以看到，也希望大家可以點個 star。

嗯，可能有些人打不開 demo 或者頁面亂了，貼幾張效果圖：（圖片有點大，耐心等待一會）

CSS3 3D 行星運轉(zhuǎn)效果圖

隨機再截屏了一張：

強烈建議你點進 Demo 頁感受一下 CSS3 3D 的魅力，圖片能展現(xiàn)的東西畢竟有限。

然后，這個 CSS3 3D 行星運轉(zhuǎn)動畫的制作過程不再詳細贅述，本篇的重點放在 Web 動畫介紹及性能優(yōu)化方面。詳細的 CSS3 3D 可以回看上一篇博客：【CSS3進階】酷炫的3D旋轉(zhuǎn)透視。簡單的思路：

1. 利用上一篇所制作的 3D 照片墻為原型，改造而來；

2. 每一個球體的制作，想了許多方法，最終使用了這種折中的方式，每一個球體本身也是一個 CSS3 3D 圖形。然后在制作過程中使用 Sass 編寫 CSS 可以減少很多繁瑣的編寫 CSS 動畫的過程；

3. Demo 當中有使用 Javascript 寫了一個鼠標跟隨的監(jiān)聽事件，去掉這個事件，整個行星運動動畫本身是純 CSS 實現(xiàn)的。

下面將進入本文的重點，從性能優(yōu)化的角度講講瀏覽器渲染展示原理，瀏覽器的重繪與重排，動畫的性能檢測優(yōu)化等:

瀏覽器渲染展示原理及對web動畫的影響

小標題起得有點大，我們知道，不同瀏覽器的內(nèi)核（渲染引擎，Rendering Engine）是不一樣的，例如現(xiàn)在最主流的 chrome 瀏覽器的內(nèi)核是 Blink 內(nèi)核（在Chrome（28及往后版本）、Opera（15及往后版本）和Yandex瀏覽器中使用），火狐是 Gecko，IE 是 Trident ，瀏覽器內(nèi)核負責對網(wǎng)頁語法的解釋并渲染（顯示）網(wǎng)頁，不同瀏覽器內(nèi)核的工作原理并不完全一致。

所以其實下面將主要討論的是 chrome 瀏覽器下的渲染原理。因為 chrome 內(nèi)核渲染可查證的資料較多，對于其他內(nèi)核的瀏覽器不敢妄下定論，所以下面展開的討論默認是針對 chrome 瀏覽器的。

首先，我要拋出一點結(jié)論：

使用 transform3d api 代替 transform api，強制開始 GPU 加速

這里談到了 GPU 加速，為什么 GPU 能夠加速 3D 變換？這一切又必須要從瀏覽器底層的渲染講起，瀏覽器渲染展示網(wǎng)頁的過程，老生常談，面試必問，大致分為：

1. 解析HTML(HTML Parser)

2. 構(gòu)建DOM樹(DOM Tree)

3. 渲染樹構(gòu)建(Render Tree)

4. 繪制渲染樹(Painting)

找到了一張很經(jīng)典的圖：

這個渲染過程作為一個基礎(chǔ)知識，繼續(xù)往下深入。

當頁面加載并解析完畢后，它在瀏覽器內(nèi)代表了一個大家十分熟悉的結(jié)構(gòu)：DOM（Document Object Model，文檔對象模型）。在瀏覽器渲染一個頁面時，它使用了許多沒有暴露給開發(fā)者的中間表現(xiàn)形式，其中最重要的結(jié)構(gòu)便是層(layer)。

這個層就是本文重點要討論的內(nèi)容：

而在 Chrome 中，存在有不同類型的層： RenderLayer(負責 DOM 子樹)，GraphicsLayer(負責 RenderLayer 的子樹)。接下來我們所討論的將是 GraphicsLayer 層。

GraphicsLayer 層是作為紋理(texture)上傳給 GPU 的。

這里這個紋理很重要，那么，

什么是紋理(texture)？

這里的紋理指的是 GPU 的一個術(shù)語：可以把它想象成一個從主存儲器(例如 RAM)移動到圖像存儲器(例如 GPU 中的 VRAM)的位圖圖像(bitmap image)。一旦它被移動到 GPU 中，你可以將它匹配成一個網(wǎng)格幾何體(mesh geometry)，在 Chrome 中使用紋理來從 GPU 上獲得大塊的頁面內(nèi)容。通過將紋理應(yīng)用到一個非常簡單的矩形網(wǎng)格就能很容易匹配不同的位置(position)和變形(transformation)，這也就是 3D CSS 的工作原理。

說起來很難懂，直接看例子，在 chrome 中，我們是可以看到上文所述的 GraphicsLayer — 層的概念。在開發(fā)者工具中，我們進行如下選擇調(diào)出 show layer borders 選項：

在一個極簡單的頁面，我們可以看到如下所示，這個頁面只有一個層。藍色網(wǎng)格表示瓦片(tile)，你可以把它們當作是層的單元（并不是層），Chrome 可以將它們作為一個大層的部分上傳給 GPU：

元素自身層的創(chuàng)建

因為上面的頁面十分簡單，所以并沒有產(chǎn)生層，但是在很復雜的頁面中，譬如我們給元素設(shè)置一個 3D CSS 屬性來變換它，我們就能看到當元素擁有自己的層時是什么樣子。

注意橘黃色的邊框，它畫出了該視圖中層的輪廓：

何時觸發(fā)創(chuàng)建層 ？

上面示意圖中黃色邊框框住的層，就是 GraphicsLayer ，它對于我們的 Web 動畫而言非常重要，通常，Chrome 會將一個層的內(nèi)容在作為紋理上傳到 GPU 前先繪制(paint)進一個位圖中。如果內(nèi)容不會改變，那么就沒有必要重繪(repaint)層。

這樣做的意義在于：花在重繪上的時間可以用來做別的事情，例如運行 JavaScript，如果繪制的時間很長，還會造成動畫的故障與延遲。

那么一個元素什么時候會觸發(fā)創(chuàng)建一個層？從目前來說，滿足以下任意情況便會創(chuàng)建層：

• 3D 或透視變換(perspective、transform) CSS 屬性

• 使用加速視頻解碼的 <video> 元素

• 擁有 3D (WebGL) 上下文或加速的 2D 上下文的 <canvas> 元素

• 混合插件(如 Flash)

• 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(換句話說就是該元素在復合層上面渲染)

層的重繪

對于靜態(tài) Web 頁面而言，層在第一次被繪制出來之后將不會被改變，但對于 Web 動畫，頁面的 DOM 元素是在不斷變換的，如果層的內(nèi)容在變換過程中發(fā)生了改變，那么層將會被重繪（repaint）。

強大的 chrome 開發(fā)者工具提供了工具讓我們可以查看到動畫頁面運行中，哪些內(nèi)容被重新繪制了：

在舊版的 chrome 中，是有 show paint rects 這一個選項的，可以查看頁面有哪些層被重繪了，并以紅色邊框標識出來。

但是新版的 chrome 貌似把這個選項移除了，現(xiàn)在的選項是 enable paint flashing ，其作用也是標識出網(wǎng)站動態(tài)變換的地方，并且以綠色邊框標識出來。

看上面的示意圖，可以看到頁面中有幾處綠色的框，表示發(fā)生了重繪。注意 Chrome 并不會始終重繪整個層，它會嘗試智能的去重繪 DOM 中失效的部分。

按照道理，頁面發(fā)生這么多動畫，重繪應(yīng)該很頻繁才對，但是上圖我的行星動畫中我只看到了寥寥綠色重繪框，我的個人理解是，一是 GPU 優(yōu)化，二是如果整個動畫頁面只有一個層，那么運用了 transform 進行變換，頁面必然需要重繪，但是采用分層（GraphicsLayer ）技術(shù)，也就是上面說符合情況的元素各自創(chuàng)建層，那么一個元素所創(chuàng)建的層運用 transform 變換，譬如 rotate 旋轉(zhuǎn)，這個時候該層的旋轉(zhuǎn)變換并沒有影響到其他層，那么該層不一定需要被重繪。（個人之見，還請?zhí)岢鲋刚?/p>

了解層的重繪對 Web 動畫的性能優(yōu)化至關(guān)重要。

是什么原因?qū)е率?invalidation)進而強制重繪的呢？這個問題很難詳盡回答，因為存在大量導致邊界失效的情況。最常見的情況就是通過操作 CSS 樣式來修改 DOM 或?qū)е轮嘏拧?/p>

查找引發(fā)重繪和重排根源的最好辦法就是使用開發(fā)者工具的時間軸和 enable paint flashing 工具，然后試著找出恰好在重繪/重排前修改了 DOM 的地方。

總結(jié)

那么瀏覽器是如何從 DOM 元素到最終動畫的展示呢？

• 瀏覽器解析 HTML 獲取 DOM 后分割為多個圖層(GraphicsLayer)

• 對每個圖層的節(jié)點計算樣式結(jié)果（Recalculate style–樣式重計算）

• 為每個節(jié)點生成圖形和位置（Layout–回流和重布局）

• 將每個節(jié)點繪制填充到圖層位圖中（Paint Setup和Paint–重繪）

• 圖層作為紋理(texture)上傳至 GPU

• 符合多個圖層到頁面上生成最終屏幕圖像（Composite Layers–圖層重組）

Web 動畫很大一部分開銷在于層的重繪，以層為基礎(chǔ)的復合模型對渲染性能有著深遠的影響。當不需要繪制時，復合操作的開銷可以忽略不計，因此在試著調(diào)試渲染性能問題時，首要目標就是要避免層的重繪。那么這就給動畫的性能優(yōu)化提供了方向，減少元素的重繪與回流。

回流（reflow）與重繪（repaint）

這里首先要分清兩個概念，重繪與回流。

回流（reflow）

當渲染樹（render Tree）中的一部分(或全部)因為元素的規(guī)模尺寸，布局，隱藏等改變而需要重新構(gòu)建。這就稱為回流（reflow），也就是重新布局（relayout）。

每個頁面至少需要一次回流，就是在頁面第一次加載的時候。在回流的時候，瀏覽器會使渲染樹中受到影響的部分失效，并重新構(gòu)造這部分渲染樹，完成回流后，瀏覽器會重新繪制受影響的部分到屏幕中，該過程成為重繪。

重繪（repaint）

當render tree中的一些元素需要更新屬性，而這些屬性只是影響元素的外觀，風格，而不會影響布局的，比如 background-color 。則就叫稱為重繪。

值得注意的是，回流必將引起重繪，而重繪不一定會引起回流。

明顯，回流的代價更大，簡單而言，當操作元素會使元素修改它的大小或位置，那么就會發(fā)生回流。

回流何時觸發(fā)：

• 調(diào)整窗口大小（Resizing the window）

• 改變字體（Changing the font）

• 增加或者移除樣式表（Adding or removing a stylesheet）

• 內(nèi)容變化，比如用戶在input框中輸入文字（Content changes, such as a user typing text in

• an input box）

• 激活 CSS 偽類，比如 :hover (IE 中為兄弟結(jié)點偽類的激活)（Activation of CSS pseudo classes such as :hover (in IE the activation of the pseudo class of a sibling)）

• 操作 class 屬性（Manipulating the class attribute）

• 腳本操作 DOM（A script manipulating the DOM）

• 計算 offsetWidth 和 offsetHeight 屬性（Calculating offsetWidth and offsetHeight）

• 設(shè)置 style 屬性的值 （Setting a property of the style attribute）

所以對于頁面而言，我們的宗旨就是盡量減少頁面的回流重繪，簡單的一個栗子：

// 下面這種方式將會導致回流reflow兩次

var newWidth = aDiv.offsetWidth + 10; // Read 
aDiv.style.width = newWidth + 'px'; // Write 
var newHeight = aDiv.offsetHeight + 10; // Read 
aDiv.style.height = newHeight + 'px'; // Write 

// 下面這種方式更好，只會回流reflow一次

var newWidth = aDiv.offsetWidth + 10; // Read 
var newHeight = aDiv.offsetHeight + 10; // Read 
aDiv.style.width = newWidth + 'px'; // Write 
aDiv.style.height = newHeight + 'px'; // Write 

使用 will-change 提高頁面滾動、動畫等渲染性能

官方文檔說，這是一個仍處于實驗階段的功能，所以在未來版本的瀏覽器中該功能的語法和行為可能隨之改變。

使用方法示例：(具體每個取值的意義，去翻翻文檔)

will-change: auto 
will-change: scroll-position 
will-change: contents 
will-change: transform        // Example of <custom-ident> 
will-change: opacity          // Example of <custom-ident> 
will-change: left, top        // Example of two <animateable-feature> 
 
will-change: unset 
will-change: initial 
will-change: inherit 
 
// 示例 
.example{ 
    will-change: transform; 
} 

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(yīng)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(yīng)更為快速靈敏。

值得注意的是，用好這個屬性并不是很容易：

GPU 能夠加速 Web 動畫，這個上文已經(jīng)反復提到了。

3D transform 會啟用GPU加速，例如 translate3D, scaleZ 之類，當然我們的頁面可能并沒有 3D 變換，但是不代表我們不能啟用 GPU 加速，在非 3D 變換的頁面也使用 3D transform 來操作，算是一種 hack 加速法。我們實際上不需要z軸的變化，但是還是假模假樣地聲明了，去欺騙瀏覽器。

參考文獻：

Rendering: repaint, reflow/relayout, restyle

Scrolling Performance

MDN–will-change

How (not) to trigger a layout in WebKit

High Performance Animations

Accelerated Rendering in Chrome

CSS3 制作3D旋轉(zhuǎn)球體

到此本文結(jié)束，如果還有什么疑問或者建議，可以多多交流，原創(chuàng)文章，文筆有限，才疏學淺，文中若有不正之處，萬望告知。