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浏览器的渲染性能

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用户都 希望他们访问的web应用是可交互且运行流畅的。因此,作为web开发者,你也要在这方面多花点功夫。你所做的页面,不但要能被快速加载,还要能流畅运行:页面的滚动要快速响应手指的动作,动画和交互效果更要如丝般顺滑。

User interacting with a website.

要想编写高性能的web站点或应用,你需要充分了解浏览器是如何处理HTML/JavaScript/CSS的,从而确保你写的代码(或引用的第三方代码)是尽可能高效的。

60fps和设备刷新率

当今大多数设备的屏幕刷新率都是 60次/秒 。因此,如果在页面中有一个动画或渐变效果,或者用户正在滑动页面,那么浏览器渲染动画或页面的每一帧的速率,也需要跟设备屏幕的刷新率保持一致。

也就是说,浏览器对每一帧画面的渲染工作需要在16毫秒(1秒 / 60 = 16.66毫秒)之内完成。但实际上,在渲染某一帧画面的同时,浏览器还有一些额外的工作要做(比如渲染队列的管理,渲染线程与其他线程之间的切换等等)。因此单纯的渲染工作,一般需要控制在10毫秒之内完成,才能达到流畅的视觉效果。如果超过了这个时间限度,页面的渲染就会出现卡顿效果,也就是常说的jank,它是很糟糕的用户体验。

像素渲染流水线

在编写web页面时,你需要理解你所写的页面代码是如何被转换成屏幕上显示的像素的。这个转换过程可以归纳为这样的一个流水线,包含五个关键步骤:

The full pixel pipeline

  • JavaScript。一般来说,我们会使用JavaScript来实现一些视觉变化的效果。比如用jQuery的animate函数做一个动画、对一个数据集进行排序、或者往页面里添加一些DOM元素等。当然,除了JavaScript,还有其他一些常用方法也可以实现视觉变化效果,比如:CSS Animations, Transitions和Web Animation API。

  • 计算样式。这个过程是根据CSS选择器,比如.headline.nav > .nav_item,对每个DOM元素匹配对应的CSS样式。这一步结束之后,就确定了每个DOM元素上该应用什么CSS样式规则。

  • 布局。上一步确定了每个DOM元素的样式规则,这一步就是具体计算每个DOM元素最终在屏幕上显示的大小和位置。web页面中元素的布局是相对的,因此一个元素的布局发生变化,会联动地引发其他元素的布局发生变化。比如,<body>元素的宽度的变化会影响其子元素的宽度,其子元素宽度的变化也会继续对其孙子元素产生影响。因此对于浏览器来说,布局过程是经常发生的。

  • 绘制。绘制,本质上就是填充像素的过程。包括绘制文字、颜色、图像、边框和阴影等,也就是一个DOM元素所有的可视效果。一般来说,这个绘制过程是在多个层上完成的。

  • 渲染层合并。由上一步可知,对页面中DOM元素的绘制是在多个层上进行的。在每个层上完成绘制过程之后,浏览器会将所有层按照合理的顺序合并成一个图层,然后显示在屏幕上。对于有位置重叠的元素的页面,这个过程尤其重要,因为一旦图层的合并顺序出错,将会导致元素显示异常。

上述过程的每一步中都有发生jank的可能,因此一定要弄清楚你的代码将会运行在哪一步。

虽然在理论上,页面的每一帧都是经过上述的流水线处理之后渲染出来的,但并不意味着页面每一帧的渲染都需要经过上述五个步骤的处理。实际上,对视觉变化效果的一个帧的渲染,有这么三种 常用的流水线:

1. JS / CSS > 计算样式 > 布局 > 绘制 > 渲染层合并

The full pixel pipeline

如果你修改一个DOM元素的”layout”属性,也就是改变了元素的样式(比如宽度、高度或者位置等),那么浏览器会检查哪些元素需要重新布局,然后对页面激发一个reflow过程完成重新布局。被reflow的元素,接下来也会激发绘制过程,最后激发渲染层合并过程,生成最后的画面。

2. JS / CSS > 计算样式 > 绘制 > 渲染层合并

The pixel pipeline without layout.

如果你修改一个DOM元素的“paint only”属性,比如背景图片、文字颜色或阴影等,这些属性不会影响页面的布局,因此浏览器会在完成样式计算之后,跳过布局过程,只做绘制和渲染层合并过程。

3. JS / CSS > 计算样式 > 渲染层合并

The pixel pipeline without layout or paint.

如果你修改一个非样式且非绘制的CSS属性,那么浏览器会在完成样式计算之后,跳过布局和绘制的过程,直接做渲染层合并。

第三种方式在性能上是最理想的,对于动画和滚动这种负荷很重的渲染,我们要争取使用第三种渲染流程。

性能优化是一门做减法的艺术。我们首要要尽力简化页面渲染过程,然后要使渲染过程的每一步都尽量高效。在很多时候,我们需要跟浏览器一起努力来创建高性能web应用,而不是跟浏览器对着干。要记住,以上列举的流水线中的每一步,在时间消耗上是各不相同的,有些步骤是相对更费时的。

接下来,让我们深入到这个流水线中的每一步去看看。我们会以一些常见问题为例,阐述如何发现和分析这些问题,并尝试去解决它们。

想深入了解渲染性能吗?快看看这堂课程吧 它能帮助你了解浏览器是如何把HTML/CSS/JavaScript代码转换成屏幕上你看到的一个个像素的 如何使用DevTools来测量页面性能、以及如何优化你的页面渲染速度。

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