深入理解 requestAnimationFrame

在Web应用中,实现动画效果的方法比较多,Javascript 中可以通过定时器 setTimeout 来实现,css3 可以使用 transition 和 animation 来实现,html5 中的 canvas 也可以实现。除此之外,html5 还提供一个专门用于请求动画的API,那就是 requestAnimationFrame,顾名思义就是请求动画帧。 为了深入理解 requestAnimationFrame 背后的原理,我们首先需要了解一下与之相关的几个概念:

1、屏幕刷新频率

即图像在屏幕上更新的速度,也即屏幕上的图像每秒钟出现的次数,它的单位是赫兹(Hz)。 对于一般笔记本电脑,这个频率大概是60Hz, 可以在桌面上右键->屏幕分辨率->高级设置->监视器 中查看和设置。这个值的设定受屏幕分辨率、屏幕尺寸和显卡的影响,原则上设置成让眼睛看着舒适的值都行。

市面上常见的显示器有两种,即CRTLCD, CRT就是传统显示器,LCD就是我们常说的液晶显示器。

CRT是一种使用阴极射线管的显示器,屏幕上的图形图像是由一个个因电子束击打而发光的荧光点组成,由于显像管内荧光粉受到电子束击打后发光的时间很短,所以电子束必须不断击打荧光粉使其持续发光。电子束每秒击打荧光粉的次数就是屏幕刷新频率。

而对于LCD来说,则不存在刷新频率的问题,它根本就不需要刷新。因为LCD中每个像素都在持续不断地发光,直到不发光的电压改变并被送到控制器中,所以LCD不会有电子束击打荧光粉而引起的闪烁现象。

因此,当你对着电脑屏幕什么也不做的情况下,显示器也会以每秒60次的频率正在不断的更新屏幕上的图像。为什么你感觉不到这个变化? 那是因为人的眼睛有视觉停留效应,即前一副画面留在大脑的印象还没消失,紧接着后一副画面就跟上来了,这中间只间隔了16.7ms(1000/60≈16.7), 所以会让你误以为屏幕上的图像是静止不动的。而屏幕给你的这种感觉是对的,试想一下,如果刷新频率变成1次/秒,屏幕上的图像就会出现严重的闪烁,这样就很容易引起眼睛疲劳、酸痛和头晕目眩等症状。

2、动画原理

根据上面的原理我们知道,你眼前所看到图像正在以每秒60次的频率刷新,由于刷新频率很高,因此你感觉不到它在刷新。而动画本质就是要让人眼看到图像被刷新而引起变化的视觉效果,这个变化要以连贯的、平滑的方式进行过渡。 那怎么样才能做到这种效果呢?

刷新频率为60Hz的屏幕每16.7ms刷新一次,我们在屏幕每次刷新前,将图像的位置向左移动一个像素,即1px。这样一来,屏幕每次刷出来的图像位置都比前一个要差1px,因此你会看到图像在移动;由于我们人眼的视觉停留效应,当前位置的图像停留在大脑的印象还没消失,紧接着图像又被移到了下一个位置,因此你才会看到图像在流畅的移动,这就是视觉效果上形成的动画。

3、setTimeout

理解了上面的概念以后,我们不难发现,setTimeout 其实就是通过设置一个间隔时间来不断的改变图像的位置,从而达到动画效果的。但我们会发现,利用seTimeout实现的动画在某些低端机上会出现卡顿、抖动的现象。 这种现象的产生有两个原因:

  • setTimeout的执行时间并不是确定的。在Javascript中, setTimeout 任务被放进了异步队列中,只有当主线程上的任务执行完以后,才会去检查该队列里的任务是否需要开始执行,因此 setTimeout 的实际执行时间一般要比其设定的时间晚一些。
  • 刷新频率受屏幕分辨率屏幕尺寸的影响,因此不同设备的屏幕刷新频率可能会不同,而 setTimeout只能设置一个固定的时间间隔,这个时间不一定和屏幕的刷新时间相同。

以上两种情况都会导致setTimeout的执行步调和屏幕的刷新步调不一致,从而引起丢帧现象。 那为什么步调不一致就会引起丢帧呢?

首先要明白,setTimeout的执行只是在内存中对图像属性进行改变,这个变化必须要等到屏幕下次刷新时才会被更新到屏幕上。如果两者的步调不一致,就可能会导致中间某一帧的操作被跨越过去,而直接更新下一帧的图像。假设屏幕每隔16.7ms刷新一次,而setTimeout每隔10ms设置图像向左移动1px, 就会出现如下绘制过程:

  • 第0ms: 屏幕未刷新,等待中,setTimeout也未执行,等待中;
  • 第10ms: 屏幕未刷新,等待中,setTimeout开始执行并设置图像属性left=1px;
  • 第16.7ms: 屏幕开始刷新,屏幕上的图像向左移动了1px, setTimeout 未执行,继续等待中;
  • 第20ms: 屏幕未刷新,等待中,setTimeout开始执行并设置left=2px;
  • 第30ms: 屏幕未刷新,等待中,setTimeout开始执行并设置left=3px;
  • 第33.4ms:屏幕开始刷新,屏幕上的图像向左移动了3px, setTimeout未执行,继续等待中;

从上面的绘制过程中可以看出,屏幕没有更新left=2px的那一帧画面,图像直接从1px的位置跳到了3px的的位置,这就是丢帧现象,这种现象就会引起动画卡顿。

4、requestAnimationFrame

与setTimeout相比,requestAnimationFrame最大的优势是由系统来决定回调函数的执行时机。具体一点讲,如果屏幕刷新率是60Hz,那么回调函数就每16.7ms被执行一次,如果刷新率是75Hz,那么这个时间间隔就变成了1000/75=13.3ms,换句话说就是,requestAnimationFrame的步伐跟着系统的刷新步伐走。它能保证回调函数在屏幕每一次的刷新间隔中只被执行一次,这样就不会引起丢帧现象,也不会导致动画出现卡顿的问题。

这个API的调用很简单,如下所示:

除此之外,requestAnimationFrame还有以下两个优势:

  • CPU节能:使用setTimeout实现的动画,当页面被隐藏或最小化时,setTimeout 仍然在后台执行动画任务,由于此时页面处于不可见或不可用状态,刷新动画是没有意义的,完全是浪费CPU资源。而requestAnimationFrame则完全不同,当页面处理未激活的状态下,该页面的屏幕刷新任务也会被系统暂停,因此跟着系统步伐走的requestAnimationFrame也会停止渲染,当页面被激活时,动画就从上次停留的地方继续执行,有效节省了CPU开销。
  • 函数节流:在高频率事件(resize,scroll等)中,为了防止在一个刷新间隔内发生多次函数执行,使用requestAnimationFrame可保证每个刷新间隔内,函数只被执行一次,这样既能保证流畅性,也能更好的节省函数执行的开销。一个刷新间隔内函数执行多次时没有意义的,因为显示器每16.7ms刷新一次,多次绘制并不会在屏幕上体现出来。

5、优雅降级

由于requestAnimationFrame目前还存在兼容性问题,而且不同的浏览器还需要带不同的前缀。因此需要通过优雅降级的方式对requestAnimationFrame进行封装,优先使用高级特性,然后再根据不同浏览器的情况进行回退,直止只能使用setTimeout的情况。下面的代码就是有人在github上提供的polyfill,详细介绍请参考github代码 requestAnimationFrame

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