24 | 分层和合成机制：为什么CSS动画比JavaScript高效？

Sep 28, 2019

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24 | 分层和合成机制：为什么CSS动画比JavaScript高效？

2019-09-28 李兵来自北京

《浏览器工作原理与实践》

课程介绍

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讲述：李兵

时长11:40大小13.35M

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在上一篇文章中我们分析了 CSS 和 JavaScript 是如何影响到 DOM 树生成的，今天我们继续沿着渲染流水线向下分析，来聊聊 DOM 树之后所发生的事情。
在前面《05 | 渲染流程（上）：HTML、CSS 和 JavaScript 文件，是如何变成页面的？》文章中，我们介绍过 DOM 树生成之后，还要经历布局、分层、绘制、合成、显示等阶段后才能显示出漂亮的页面。
本文我们主要讲解渲染引擎的分层和合成机制，因为分层和合成机制代表了浏览器最为先进的合成技术，Chrome 团队为了做到这一点，做了大量的优化工作。了解其工作原理，有助于拓宽你的视野，而且也有助于你更加深刻地理解 CSS 动画和 JavaScript 底层工作机制。
显示器是怎么显示图像的每个显示器都有固定的刷新频率，通常是 60HZ，也就是每秒更新 60 张图片，更新的图片都来自于显卡中一个叫前缓冲区的地方，显示器所做的任务很简单，就是每秒固定读取 60 次前缓冲区中的图像，并将读取的图像显示到显示器上。
那么这里显卡做什么呢？
显卡的职责就是合成新的图像，并将图像保存到后缓冲区中，一旦显卡把合成的图像写到后缓冲区，系统就会让后缓冲区和前缓冲区互换，这样就能保证显示器能读取到最新显卡合成的图像。通常情况下，显卡的更新频率和显示器的刷新频率是一致的。但有时候，在一些复杂的场景中，显卡处理一张图片的速度会变慢，这样就会造成视觉上的卡顿。
帧 VS 帧率了解了显示器是怎么显示图像的之后，下面我们再来明确下帧和帧率的概念，因为这是后续一切分析的基础。
当你通过滚动条滚动页面，或者通过手势缩放页面时，屏幕上就会产生动画的效果。之所以你能感觉到有动画的效果，是因为在滚动或者缩放操作时，渲染引擎会通过渲染流水线生成新的图片，并发送到显卡的后缓冲区。
大多数设备屏幕的更新频率是 60 次 / 秒，这也就意味着正常情况下要实现流畅的动画效果，渲染引擎需要每秒更新 60 张图片到显卡的后缓冲区。
我们把渲染流水线生成的每一副图片称为一帧，把渲染流水线每秒更新了多少帧称为帧率，比如滚动过程中 1 秒更新了 60 帧，那么帧率就是 60Hz（或者 60FPS）。
由于用户很容易观察到那些丢失的帧，如果在一次动画过程中，渲染引擎生成某些帧的时间过久，那么用户就会感受到卡顿，这会给用户造成非常不好的印象。
要解决卡顿问题，就要解决每帧生成时间过久的问题，为此 Chrome 对浏览器渲染方式做了大量的工作，其中最卓有成效的策略就是引入了分层和合成机制。分层和合成机制代表了当今最先进的渲染技术，所以接下来我们就来分析下什么是合成和渲染技术。
如何生成一帧图像不过在开始之前，我们还需要聊一聊渲染引擎是如何生成一帧图像的。这需要回顾下我们前面《06 | 渲染流程（下）：HTML、CSS 和 JavaScript 文件，是如何变成页面的？》介绍的渲染流水线。关于其中任意一帧的生成方式，有重排、重绘和合成三种方式。
这三种方式的渲染路径是不同的，通常渲染路径越长，生成图像花费的时间就越多。比如重排，它需要重新根据 CSSOM 和 DOM 来计算布局树，这样生成一幅图片时，会让整个渲染流水线的每个阶段都执行一遍，如果布局复杂的话，就很难保证渲染的效率了。而重绘因为没有了重新布局的阶段，操作效率稍微高点，但是依然需要重新计算绘制信息，并触发绘制操作之后的一系列操作。
相较于重排和重绘，合成操作的路径就显得非常短了，并不需要触发布局和绘制两个阶段，如果采用了 GPU，那么合成的效率会非常高。
所以，关于渲染引擎生成一帧图像的几种方式，按照效率我们推荐合成方式优先，若实在不能满足需求，那么就再退后一步使用重绘或者重排的方式。
本文我们的焦点在合成上，所以接下来我们就来深入分析下 Chrome 浏览器是怎么实现合成操作的。Chrome 中的合成技术，可以用三个词来概括总结：分层、分块和合成。
分层和合成通常页面的组成是非常复杂的，有的页面里要实现一些复杂的动画效果，比如点击菜单时弹出菜单的动画特效，滚动鼠标滚轮时页面滚动的动画效果，当然还有一些炫酷的 3D 动画特效。如果没有采用分层机制，从布局树直接生成目标图片的话，那么每次页面有很小的变化时，都会触发重排或者重绘机制，这种“牵一发而动全身”的绘制策略会严重影响页面的渲染效率。
为了提升每帧的渲染效率，Chrome 引入了分层和合成的机制。那该怎么来理解分层和合成机制呢？
你可以把一张网页想象成是由很多个图片叠加在一起的，每个图片就对应一个图层，Chrome 合成器最终将这些图层合成了用于显示页面的图片。如果你熟悉 PhotoShop 的话，就能很好地理解这个过程了，PhotoShop 中一个项目是由很多图层构成的，每个图层都可以是一张单独图片，可以设置透明度、边框阴影，可以旋转或者设置图层的上下位置，将这些图层叠加在一起后，就能呈现出最终的图片了。
在这个过程中，将素材分解为多个图层的操作就称为分层，最后将这些图层合并到一起的操作就称为合成。所以，分层和合成通常是一起使用的。
考虑到一个页面被划分为两个层，当进行到下一帧的渲染时，上面的一帧可能需要实现某些变换，如平移、旋转、缩放、阴影或者 Alpha 渐变，这时候合成器只需要将两个层进行相应的变化操作就可以了，显卡处理这些操作驾轻就熟，所以这个合成过程时间非常短。
理解了为什么要引入合成和分层机制，下面我们再来看看 Chrome 是怎么实现分层和合成机制的。
在 Chrome 的渲染流水线中，分层体现在生成布局树之后，渲染引擎会根据布局树的特点将其转换为层树（Layer Tree），层树是渲染流水线后续流程的基础结构。
层树中的每个节点都对应着一个图层，下一步的绘制阶段就依赖于层树中的节点。在《06 | 渲染流程（下）：HTML、CSS 和 JavaScript 文件，是如何变成页面的？》中我们介绍过，绘制阶段其实并不是真正地绘出图片，而是将绘制指令组合成一个列表，比如一个图层要设置的背景为黑色，并且还要在中间画一个圆形，那么绘制过程会生成|Paint BackGroundColor:Black | Paint Circle|这样的绘制指令列表，绘制过程就完成了。
有了绘制列表之后，就需要进入光栅化阶段了，光栅化就是按照绘制列表中的指令生成图片。每一个图层都对应一张图片，合成线程有了这些图片之后，会将这些图片合成为“一张”图片，并最终将生成的图片发送到后缓冲区。这就是一个大致的分层、合成流程。
需要重点关注的是，合成操作是在合成线程上完成的，这也就意味着在执行合成操作时，是不会影响到主线程执行的。这就是为什么经常主线程卡住了，但是 CSS 动画依然能执行的原因。
分块如果说分层是从宏观上提升了渲染效率，那么分块则是从微观层面提升了渲染效率。
通常情况下，页面的内容都要比屏幕大得多，显示一个页面时，如果等待所有的图层都生成完毕，再进行合成的话，会产生一些不必要的开销，也会让合成图片的时间变得更久。
因此，合成线程会将每个图层分割为大小固定的图块，然后优先绘制靠近视口的图块，这样就可以大大加速页面的显示速度。不过有时候， 即使只绘制那些优先级最高的图块，也要耗费不少的时间，因为涉及到一个很关键的因素——纹理上传，这是因为从计算机内存上传到 GPU 内存的操作会比较慢。
为了解决这个问题，Chrome 又采取了一个策略：在首次合成图块的时候使用一个低分辨率的图片。比如可以是正常分辨率的一半，分辨率减少一半，纹理就减少了四分之三。在首次显示页面内容的时候，将这个低分辨率的图片显示出来，然后合成器继续绘制正常比例的网页内容，当正常比例的网页内容绘制完成后，再替换掉当前显示的低分辨率内容。这种方式尽管会让用户在开始时看到的是低分辨率的内容，但是也比用户在开始时什么都看不到要好。
如何利用分层技术优化代码通过上面的介绍，相信你已经理解了渲染引擎是怎么将布局树转换为漂亮图片的，理解其中原理之后，你就可以利用分层和合成技术来优化代码了。
在写 Web 应用的时候，你可能经常需要对某个元素做几何形状变换、透明度变换或者一些缩放操作，如果使用 JavaScript 来写这些效果，会牵涉到整个渲染流水线，所以 JavaScript 的绘制效率会非常低下。
这时你可以使用 will-change 来告诉渲染引擎你会对该元素做一些特效变换，CSS 代码如下：
.box {
will-change: transform, opacity;
}
这段代码就是提前告诉渲染引擎 box 元素将要做几何变换和透明度变换操作，这时候渲染引擎会将该元素单独实现一帧，等这些变换发生时，渲染引擎会通过合成线程直接去处理变换，这些变换并没有涉及到主线程，这样就大大提升了渲染的效率。这也是 CSS 动画比 JavaScript 动画高效的原因。
所以，如果涉及到一些可以使用合成线程来处理 CSS 特效或者动画的情况，就尽量使用 will-change 来提前告诉渲染引擎，让它为该元素准备独立的层。但是凡事都有两面性，每当渲染引擎为一个元素准备一个独立层的时候，它占用的内存也会大大增加，因为从层树开始，后续每个阶段都会多一个层结构，这些都需要额外的内存，所以你需要恰当地使用 will-change。
总结好了，今天就介绍到这里，下面我来总结下今天的内容。
首先我们介绍了显示器显示图像的原理，以及帧和帧率的概念，然后基于帧和帧率我们又介绍渲染引擎是如何实现一帧图像的。通常渲染引擎生成一帧图像有三种方式：重排、重绘和合成。其中重排和重绘操作都是在渲染进程的主线程上执行的，比较耗时；而合成操作是在渲染进程的合成线程上执行的，执行速度快，且不占用主线程。
然后我们重点介绍了浏览器是怎么实现合成的，其技术细节主要可以使用三个词来概括：分层、分块和合成。
最后我们还讲解了 CSS 动画比 JavaScript 动画高效的原因，以及怎么使用 will-change 来优化动画或特效。
思考时间观察下面代码，结合 Performance 面板、内存面板和分层面板，全面比较在 box 中使用 will-change 和不使用 will-change 的效率、性能和内存占用等情况。
<html>
<head>
    <title>观察will-change</title>
    <style>
        .box {
            will-change: transform, opacity;
            display: block;
            float: left;
            width: 40px;
            height: 40px;
            margin: 15px;
            padding: 10px;
            border: 1px solid rgb(136, 136, 136);
            background: rgb(187, 177, 37);
            border-radius: 30px;
            transition: border-radius 1s ease-out;
        }
        body {
            font-family: Arial;
        }
    </style>
</head>
<body>
    <div id="controls">
        <button id="start">start</button>
        <button id="stop">stop</button>
    </div>
    <div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
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        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
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        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
        <div class="box">旋转盒子</div>
    </div>
    <script>
        let boxes = document.querySelectorAll('.box');
        let boxes1 = document.querySelectorAll('.box1');
        let start = document.getElementById('start');
        let stop = document.getElementById('stop');
        let stop_flag = false
        start.addEventListener('click', function () {
            stop_flag = false
            requestAnimationFrame(render);
        })
        stop.addEventListener('click', function () {
            stop_flag = true
        })
        let rotate_ = 0
        let opacity_ = 0
        function render() {
            if (stop_flag)
                return 0
            rotate_ = rotate_ + 6
            if (opacity_ > 1)
                opacity_ = 0
            opacity_ = opacity_ + 0.01
            let command = 'rotate(' + rotate_ + 'deg)';
            for (let index = 0; index < boxes.length; index++) {
                boxes[index].style.transform = command
                boxes[index].style.opacity = opacity_
            }
            requestAnimationFrame(render);
        }
    </script>
</body>
</html>
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提建议

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精选留言(43)

宇宙全栈
2019-09-28
请问老师：既然css动画会跳过重绘阶段，则意味着合成阶段的绘制列表不会变化。但是最终得到的相邻两帧的位图是不一样的。那么在合成阶段，相同的绘制列表是如何绘制出不同的位图的？难道绘制列表是有状态的？还是绘制列表一次能绘制出多张位图？
作者回复: 记住一点，能直接在合成线程中完成的任务都不会改变图层的内容，如文字信息的改变，布局的改变，颜色的改变，统统不会涉及，涉及到这些内容的变化就要牵涉到重排或者重绘了。能直接在合成线程中实现的是整个图层的几何变换，透明度变换，阴影等，这些变换都不会影响到图层的内容。比如滚动页面的时候，整个页面内容没有变化，这时候做的其实是对图层做上下移动，这种操作直接在合成线程里面就可以完成了。再比如文章题目列子中的旋转操作，如果样式里面使用了will-change ，那么这些box元素都会生成单独的一层，那么在旋转操作时，只要在合成线程将这些box图层整体旋转到设置的角度，再拿旋转后的box图层和背景图层合成一张新图片，这个图片就是最终输出的一帧，整个过程都是在合成线程中实现的。
共 8 条评论
93
早起不吃虫
2019-09-28
这篇文章信息量巨大，需要很多的知识储备，老师能不能提供一些课外阅读帮助理解呢，谢谢
作者回复: 这块资料比较少，都是通过chromium源码还有blinkon上一些视频总结的。 blinkon：https://www.youtube.com/channel/UCIfQb9u7ALnOE4ZmexRecDg Chromium源码： https://chromium.googlesource.com/chromium/src https://chromium.googlesource.com/chromium/src/+/master/docs/README.md 不过源码看起来会比较吃力，里面充斥着大量的回调，梳理起来也是非常不轻松的
共 3 条评论
33
bai
2019-11-20
关于css动画和js动画效率的问题应该有点武断了，will-change只是优化手段，使用js改变transform也能享受这个属性带来的优化。既然css动画和js动画都能享受这个优化，那就不能说明css动画比js动画效率高
作者回复: 嗯标题是不算严谨，修订时我会做一些调整
共 4 条评论
23
宇宙全栈
2019-09-28
文中这段话中的“帧”应该改为“层”：这段代码就是提前告诉渲染引擎 box 元素将要做几何变换和透明度变换操作，这时候渲染引擎会将该元素单独实现一帧，等这些变换发生时，渲染引擎会通过合成线程直接去处理变换，这些变换并没有涉及到主线程，这样就大大提升了渲染的效率。
作者回复: 嗯。多谢指正
共 12 条评论
22
小蛋糕
2020-02-12
设置了 will-change : - Layers 中会看到 document 下为每一个 .box 都创建了一个 layer，每个节点占用了 15KB 的内存。 - Performance 看不太懂，大致说一下直观感受 - FPS 约 60、稳定 - CPU 低、偶有突然增高 - GPU 使用频率非常低 - Chrome_ChildOThread 任务非常少 - Compositor 任务密集关闭 will-change： - Layers 中就只剩下 document 层了。 - Performance 30s - FPS 约 60、稳定，但相对于开启 will-change不稳定 - CPU 相对更低、偶有突然增高 - GPU 使用频率很高 - Raster 有 2 个光栅线程 - Chrome_ChildOThread 任务密集 - Compositor 任务非常密集另外关于 Memory 中进行内存快照和 Heap，虽然第一次确实开启了 will-change 后更高，但多测试了几次发现差不多...
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共 2 条评论
15
Angus
2019-09-29
题设的问题答案会不会很牵强？因为使用will-change渲染引擎会通过合成线程去处理元素的变化，所以CSS动画比JavaScript高效？不是应该从CSS动画的原理实现层面去解释吗，will-change只是让CSS动画更高效的一个API，就像JavaScript中的requestAnimationFrame也只是一个优化方案而已。
共 3 条评论
7
HoSalt
2020-04-11
老师，分成这个概念是不是和CSS里面的BFC这个概念相关?
共 5 条评论
4
王妍
2020-05-19
Performance面板：使用了will-change后帧率能达到60fps左右。不使用则30～50fps之间。内存面板：内存方面没看出明显区别。分层面板：使用will-change，每个box有一个单独的层。不使用则整个document是一层。
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共 1 条评论
3
风里有诗句
2020-04-12
老师，想听您讲解一下这道题目的分析
3
james
2020-06-10
如果样式里面使用了will-change, 样式中涉及到的动画操作就会在合成线程中执行，将旋转后的图层和图层合成一张新的图片，这个就是最终输出的一帧，因为动画过程在合成线程中实现，没有占用主线程，因此渲染速度大大提高
2
-_-|||
2019-12-10
Performance：使用‘ will-change: transform, opacity;‘后，主线程均匀分布，密集棱状性；GPU均匀稀疏，平均500ms一条棱;rasterizer thread1 持续paint;Summery中GPU占用一小点其它98%以上都是idle;FPS,CPU都很稳定。去掉‘ will-change: transform, opacity;‘后，主线程均匀分布，密集棱状性；GPU密集棱状形；rasterizer thread1 和 thread2 持续paint；Summery中rendering和paint占用约20%时间；FPS，CPU略微不稳定。结论：will-change可以减轻GPU负担（为什么？合成线程不用GPU？），可以减轻rasterizer 线程负担（是因为减少重绘和重排吗），减少重绘和重排，动画的针率更稳定，cpu计算更少（为什么？计算分配给别的核了？）。。。。Layers: ：使用‘ will-change: transform, opacity;‘后，会合成新的层，不使用‘ will-change: transform, opacity;‘后，没有新的层。结论：不使用‘ will-change: transform, opacity;‘由于没有新的层生成，更改都会在一个层改变，所以会涉及到更多重绘和重排。Memory：使用‘ will-change: transform, opacity;‘这个后System会更少，应该是占有系统内存会更少吧。那就尴尬了，will-change会有新图层，应该内存会增加。
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共 2 条评论
2
zhangbao
2020-04-27
浏览器的分层依据是什么呢，就是如何决定哪些元素使用的是单独图层？我开始把 CSS 中的层叠上下文看成是一个图层，但观察发现好像并不是这样的。
共 1 条评论
1
时光逆行
2020-01-22
使用 will-change 掉帧情况几乎没有，内存占用比不用will-change会减少三分之二左右，这个属性给力
1
老余
2019-10-13
加will-change：开启动画后整个过程帧率在59.9。图层由60个排列的变为1个重叠的60层。load时间在80ms左右，fp时间在200ms左右。内存方面为2m左右。不加will-change：透明度变为0的时候帧率会变成40左右，随后增加到60。图层由60个排列。load时间在80ms左右，fp时间在100ms左右。内存方面为2m左右。
共 1 条评论
1
罗武钢
2022-09-15 来自广东
太棒了，老师这套课程真得很受用
lzh
2022-06-17
你好请问文中这句话里的一帧是指一层吗：“这段代码就是提前告诉渲染引擎 box 元素将要做几何变换和透明度变换操作，这时候渲染引擎会将该元素单独实现一帧”
Yvan
2021-12-28
两个问题，评论区都已经提到了 1.帧改为层 2.will-change 是配合css使用还是配合js使用另外，app夜间模式影响查看html代码
1830
2021-06-25
老师。我有一些疑问希望老师可以解答： 1. canvas动画和svg动画和传统css动画，js动画在执行性能上有何提升 2. transform的动画是否都是基于合成执行的 3. 普通图层的修改是不是会造成整个网页的重排重绘
张宗伟
2021-04-17
补充一点：使用 will-change 会为每个 .box 生成一个图层。
张宗伟
2021-04-17
关于课后题，就我观察到的现象描述(Mac air 2019)： 1. 使用 will-change，帧率维持在 60FPS 之上，很稳定；GPU 很多空闲时间，压力小；内存占用3.6MB。 2. 不使用 will-change，帧率波动特别大，范围从 60FPS之上～ 30/40FPS 之间，说明生成图片时很耗时；GPU 利用率很高，压力大；内存占用3.7MB。 PS：即使使用 will-change，帧率维持在 60FPS 之上，但是对于我的设备屏幕刷新率来说还是出现掉帧的情况；主线程一直都运行良好，未被阻塞。
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