H5动画优化之路

H5动画60fps之路

在移动端，和Native相比，H5一直都被人吐槽性能差，尤其是在动画方面。
谈到整个Web app的生命周期，一般分为四个部分：

1. 加载
2. 等待用户
3. 响应用户
4. 动画

一般情况下，首屏加载的时间应该小于1s，而响应用户行为的时间应该小于100ms，动画应该达到60fps。这篇文章只针对动画60fps的优化。

关键渲染路径

动画性能高，从直观上来看是动画没有抖动和卡顿，从数字上是渲染达到了60fps。60fps就是每秒60帧，所以每帧的时间只有1000ms/60=16.67ms。实际上，浏览器在每一帧还要做一些额外的事情，所以如果要达成60fps，我们需要保证每一帧的时间在10ms到12ms之间。

我们先来看看浏览器在每一帧渲染都做了哪些事情。

javascript

现阶段CSS动画接口比较有限，许多复杂的动画如果css不能完成，就需要使用requestAnimationFrame函数，这样每帧都会有JavaScript的计算。

Style

当一个新的样式应用到Dom上的时候，就会引起Style的计算，同JavaScript，如果开发者使用CSS Animation，CSS Transition，那么浏览器只有在动画开始之前会做Sytle的计算，而requireAnimationFrame会在每帧都计算。

Layout

当新的CSS样式出发了Layout，比如修改了width，height，pisition，这时浏览器需要重新Layout受到影响的元素，大部分情况下，即使一个位置很远的元素发生很小的宽度改变，也会引起整个document的layout，这在动画里是一个性能非常低的实现，应该尽量避免。

Paint

Layout变化后，受到影响的元素会重新Paint，如果遇到首次加载图片，浏览器需要将图片先解码放入内存（Image Decode）。Painting是在多个Surface上进行的，最后会出来多个Layer。

Composite

最后一步Composite就是把已经Paint好的各个Layer合成到一起。浏览器会将每个层分成多个Tiles去Paint，但是这些作为H5开发者来说是不能够控制的，这些层和Tiles信息会被传到GPU，最终由GPU负责渲染并显示在屏幕上。

三条路

并不是每个CSS的变动引起的渲染过程都要经历以上全部，实际有三条路可以走。
第一条路，比如修改元素的width，这些步骤都会执行。
第二条路：修改元素的background-color：不会有布局的变化，不会触发Layout，但是会发生Paint
第三条路：修改元素的transform，不会触发Layout，也不会触发Paint
当我们要完成一个动画时，可能有很多种实现的方式，比如让一个小球向右平移100px，我们可以用以下这些方法：

.move{left:100px};
.move{margin-left:100px};
.move{padding-left:100px};
.move{transform:translateX(100px)};

问题就在这里，使用哪种方式性能最高？
从上面看出，如果使用不触发Layout和Paint的CSS属性完成动画，性能是最高的。那么哪些CSS属性不会触发
Layout和Paint呢？
推荐一个网站CSS TRIGGERS，这里详细的列出了所有CSS属性在修改后是否触发Layout和Paint，是个非常给力的工具！

使用Chrome的DevTools调试

调试动画就要用到timeline，这里列出3个比较实用的功能。

1. 查看每帧的时间：通过录制跟踪一段动画，可以看到每一帧的情况，找到耗时超过16ms的帧可以有针对性地解决问题。
2. 查看内存：通过Memory工具可以查看内存的使用情况，对于内存泄露的检查是非常有帮助的。
3. 查看CompositeLayer：通过Layer可以查看当前绘制的帧有多少需要Composite的Layer，Layer越多，带来的Upate LayerTree和Composite Layer的时间就越长。

优化方法

使用requestAnimationFrame：

前面提到，如果动画性能达到60fps，那么每一帧的时间是16ms，浏览器会有一些额外的工作，所以要保证所有的事情在10ms到12ms完成，那么留给JavaScript的时间在3ms到4ms比较合适。

大多数比较早期的Web动画是用setTimeout/setInterval这两个函数实现的，包括著名的JQuery，那个年代也没有其它的API可以用。这种实现方式性能非常低效，因为JavaScript在处理setTimeout/setInterval时，不会和渲染流程联系起来，很有可能在一帧的中间突然执行JavaScript导致Sytle和Layout等后面的处理要重新进行而不能在16ms内完成全部。

但是现在不同了，我们有了requestAnimationFrame，使用这个函数，动画每一帧在何时执行，如何执行，都由浏览器去决定，开发者只要把每次执行的工作写好就可以了。

    function animate(){
        //do something change here,like:
        //x+=0.1;element.style.opacity=x;
        requestAnimationFrame(animate);
    }
    requestAnimationFrame(animate);

查看耗时较长的js，必要时使用WebWorker

如果在动画执行过程中，有额外的大量JavaScript计算，为了不影响动画，建议将大量计算的JavaScript放入WebWorker。WebWorker是个功能有限的实现JavaScript多线程的工具，Worker和主线程通过message事件和postMessage方法通讯，API可以参考WebWorker。

micro Optimization

V8引擎已经可以帮助我们处理这些细小的优化。但是作为一种良好的编码习惯，还是要保持。

Style优化

浏览器花多长时间处理Style的计算取决于有多少元素受到了影响，所以改变1000个元素的Style所耗费的时间，是改变10个元素的100倍。有了这个结论，我们在做每个动画时，要确保每次改变CSS时，所影响的元素都是我们需要改变的，不要改变和动画无关的元素。

避免Layput Thrashing

什么是 Layout Thrashing？先看一个例子：

for(var i=0;i<elements.length;i++){
    var blockWidth=baseElement.Width;
    elements[i].style.width=blockWidth;
}

这是一个性能很低的例子。
当开发者设置了一个CSS样式，浏览器会继续等待看有没有更多的样式改变，然后在接下来的一帧来个批处理。
我们再看上面那个性能低的例子，设置好一个新的样式，接着让浏览器去读一个Layout，这样浏览器就不能等待多个样式的批处理，而是强制让它先把刚才的样式做渲染，这样一读一写地循环下去，性能是非常低的，叫做“Forced Synchonous Layout”。

这个例子修改起来非常简单，只要把读Layout的事情放在循环外就好了。

var blockWidth=baseElement.Width;
for(var i=0;i<elements.length;i++){
    elements[i].style.width=blockWidth;
}

Painting和Composite优化

Painting是非常耗性能的，所以为了避免Painting，我们一般会把这个元素变成一个Layer，当它成为一个单独Layer后，就会独立出来，当在它后面的其他元素需要重绘时，它也不受到影响，只是最后需要做Composite合成。但是并不是Layer越多越好，这样会加重Composite的工作，所以开发者需要在Paint和Composite上找到一个平衡点。

如何让一个元素变成Layer呢？目前有几种Hack方式：

.layer{transform:translate3d(0,0,0)}
.layer{transform:translateZ(0)}

Chrome提供了一种更好的方式：使用will-change，和上面不同，will-change不会直接把元素变为Layer，而是给浏览器一个提示，这可以让浏览器自己决定是否成为Layer，推荐这种方式：

.layer{will-change:transform;}

推荐一篇Chrome官方的文章GPU Accelerated Compositing in Chrome，这里面非常详细地讲述了从RenderObject到RenderLayer，到GraphicsLayer，最后变成Chrome Compositor Layers的一系列过程，非常详细，文章里提到的GraphicsLayer就是本文的Layer。

上面分别从JavaScript, Style, Paint的过程介绍了一些针对性的优化方法，通过使用Chrome的DevTools，开发者可以针对渲染路径上的每一个步骤优化，相信一定会有非常好的效果。
我将这些优化点简单总结为一个图：