前端动画实现以及原理浅析

背景

如今的前端是一个涉猎领域很广的职业。作为一名前端，我们不仅要开发管理系统、数据中台、还要应对年报开发、节日活动等场景。不仅要会增删改查，编写表单，还要具备开发动画、H5 游戏等能力。能做出很 Cool 的动画效果，也是一种前端特有的成就感。所以，我们从动画的实现方法入手，了解浏览器的渲染，以及如何提升动画的性能。

我们先来看 2 个 H5 案例 ：
【一镜到底】

<->手机扫码体验

【年报】

【其他 H5 优秀案例】
https://www.h5anli.com

第一部分 常见的动画实现手段

1.1 gif 实现

定义：
GIF 文件的数据是一种基于 LZW 算法的连续色调的无损压缩格式，gif 格式的特点是一个 gif 文件可以存多幅彩色图像，当数据逐幅读出并展示都在屏幕上，就可以构成一个简单的动画。
最高支持 256 种颜色。由于这种特性，GIF 比较适用于色彩较少的图片，比如页面卡通 icon、标志等等。

使用：

![file](https://img2022.cnblogs.com/other/2332333/202205/2332333-20220519101607717-1405608413.png)

优点：
1.制作的成本很低；
2.兼容性好；
3.方便开发使用。

缺点：
1.画质上：色彩支持少，图像毛边严重；
2.交互上：不能控制动画的播放暂停，没有灵活性；
3.大小上：由于是无损压缩，每帧被完整的保存下来，导致文件很大。

1.2 css3 补帧动画

1.2.1 transition 过渡动画

使用：

.box {
    border: 1px solid black;
    width: 100px;
    height: 100px;
    background-color: #0000ff;
    transition: width 2s, height 2s, background-color 2s, transform 2s;
}

.box:hover {
    background-color: #ffcccc;
    width: 200px;
    height: 200px;
    transform: rotate(180deg);
}

场景：

常与 :hover, :active 等伪类使用,实现相应等动画效果。

1.2.2 animation 关键帧动画

使用：

.bounce1 {
    left: -40px;
    animation: bouncy1 1.5s infinite;
}
.bounce2 {
    left: 0;
    animation: bouncy2 1.5s infinite;
}
.bounce3 {
    left: 40px;
    animation: bouncy3 1.5s infinite;
}
@keyframes bouncy1 {
    0% {
        transform: translate(0px, 0px) rotate(0deg);
    }
    50% {
        transform: translate(0px, 0px) rotate(180deg);
    }
    100% {
        transform: translate(40px, 0px) rotate(-180deg);
    }
}

场景：
比如：loading 展示，代码如上。

优点：
1、无需每一帧都被记录，通过关键帧设置，方便开发；
2.实现简单，通常 UI 可以直接给到 css 文件，前端只需要导入即可【移动端注意屏幕适配】。

缺点：
1.css 没法动画交互，无法得知当前动画执行阶段；
2.transition: 需要触发，无法自动播放；
3.animation 兼容性需要加前缀，导致代码量成倍增长；
4.对于复杂动画的实现，导入的 css 文件过大，影响页面的渲染树生成，从而阻塞渲染。比如实现一个摇钱树的效果，css 文件达到百 kb，就要采取一些必要的压缩手段，缩减文件大小。

1.3 js 逐帧动画

JS 动画的原理是通过 setTimeout 或 requestAnimationFrame 方法绘制动画帧，从而动态地改变
网页中图形的显示属性(如 DOM 样式，canvas 位图数据，SVG 对象属性等)，进而达到动画的目的。

demo1:
------- js 实现一个正方形从左到右的移动动画 -----

1. setTimeout 实现

const element2 = document.getElementById('raf2');
const btn2 = document.getElementById('btn2');
let i = 0;
let timerId;
function move () {   
    element2.style.marginLeft = i + 'px'
    timerId = setTimeout(move, 0)
    i++;
    if (i > 200) {
        clearTimeout(timerId)
    }
}
btn2.addEventListener('click',function () {
    move()
})

2. requestAnimationFrame 实现

const element = document.getElementById('raf');
const btn1 = document.getElementById('btn1');
let r = 0;
let rafId;
function step () {
    element1.style.marginLeft = r+ 'px';
    rafId = window.requestAnimationFrame(step);
    r++;
    if (r > 200) { // 在两秒后停止动画
        cancelAnimationFrame(rafId);
    }
}
btn1.addEventListener('click', function () {
    step();
})

可以看出，实现的方式都是控制 dom 的 margin-left 样式，执行动画。

问题 1.1:demo1 中看出 setTimeout 的执行很快。这是为什么呢？请接着往后看～

第二部分 浏览器如何渲染与动画的渲染

2.1 浏览器的帧原理

问题 2：当 url 输入到一个页面展示出来经过了哪些过程？

这里我们忽略 http 请求静态文件之前的步骤，着重看浏览器渲染帧是怎么做的，从而找到浏览器是如何渲染动画的。

借助 chrome-performance【执行 raf.html】 同样可以看出上图不同阶段在 performance 里面的标注。⚠️注意：不是每帧都总是会经过管道每个部分的处理。实际上，不管是使用 JavaScript、CSS 还是网络动画，在实现视觉变化时，管道帧对指定帧的运行通常有三种方式:

【以下截图是以时间线为主轴，进行绘制】

-当修改一些会触发 layout 的属性，则会导致后面的同样被更新。

• 当修改只改变 paint 的属性， 则不会重新 layout。

• 如果改一些不涉及布局也不涉及重绘的数据，则可以直接进行合成渲染。

像 CSS 属性具体可以查询这个网站 ,去查阅哪些属性会引起怎样的帧管道：https://csstriggers.com/

例如：transform 变换，它是一个不会触发布局与绘制的变化的，所以使用它的时候，直接进入第三种状态，在合成之后，直接进入 Composite 阶段，是一个很好的优化手段。

问题 3: 控制台上显示出 requestAnimationFrame（rAF）的执行，那么这个 rAF 执行与浏览器帧有什么关系呢？我们接着往下看。

2.2 requestAnimationFrame 执行

我们还是运行 demo1 的代码：

可以看到 rAF 执行在 layout 与 paint 之前，在每帧只执行了一次 rAF，调用回调函数执行动画。

从 rAF 的执行时机，可以看出 setTimeout 的执行时机与 rAF 的不同。

我们通过对不同方式实现方块移动动画的 performance 抓取，可以看到：

• setTimeout 单位帧截图：

• rAF 单位帧截图：

对比两者可以看出，在 16.7ms 的时间里，seTimeout 执行了 4 次，导致此时设置的 marginLeft 和上一次渲染前 marginLeft 的差值要大于 1px 的。

而 raf 可以看出 marginLeft 和上一次渲染前 marginLeft 的差值要等于 1px 的。

从 rAf 的性能，可以看出 setTimeout 的性能会较差一点

那么如果 JS 执行的时间过长，导致在本该绘制一帧的时候，没有绘制，延迟到下一帧的执行绘制的时候，就会造成动画的卡顿。【这里可以跳到第三部分性能问题，就知道直观的看到卡顿】

从而可以总结出：

1.setTimeout 时间不准确，因为他的执行取决于主线程执行的时间。

2.如果计时器频率高于浏览器刷新的频率，即使代码执行了，浏览器没有刷新，也是没有显示的，出现掉帧情况，不流畅。

而 raf 解决了 setTimeout 动画带来的问题：

1.浏览器刷新屏幕时自动执行，无需设置时间间隔
和 setTimeout 一样是 n 毫秒之后再执行，但这个 n 毫秒，自动设置成浏览器刷新频率，浏览器刷新一次，执行一次，不需要手动设置；
浏览器不刷新，就不执行，没有排队掉帧的情况。

2.高频函数节流
对于 resize、scroll 高频触发事件来说，使用 requestAnimationFrame 可以保证在每个绘制区间内，函数只被执行一次，节省函数执行的开销。
如果使用 setTimeout、setInterval 可能会在浏览器刷新间隔中有无用的回调函数调用，浪费资源。

第三部分 性能分析以及高效能的动画

3.1 性能分析

通过 chrome-performance 可以看整体的 fps、GPU 的情况，也可以逐帧去分析影响 scripting\rendering\painting 时间的因素，从而有针对性的提高动画的性能。

demo3:
----- 小方块的上下运动 -----

demo 的在线地址：https://googlechrome.github.io/devtools-samples/jank/

源码截图：

未优化【每个方块都需要强制 layout 去计算 position】：

点击 Optimize 按钮优化后【只读一次，并存在 pos 变量中】：

再次优化【添加 transform:translateZ(0)，提高层级】：

以上就是一个动画逐步优化的小案例：具体操作可以查看原文：
https://developer.chrome.com/docs/devtools/evaluate-performance/

3.2 如何优化动画性能

根据上文的渲染机制的讨论，我们可以看出，影响动画渲染的因素就是帧管道所经历的各个阶段，从中我们可以总结一些用来优化动画性能的手段：

1. 提升每一帧的性能

• 避免频繁的重排
• 避免大面积的重绘
• 优化 JS 的性能

2. fps 稳定，避免掉帧，跳帧的情况

• 不在连续动画中，添加高耗能的操作
• 如果无法避免，看可以在动画的开头或者结尾进行操作

3. 开启 GUP 加速

第四部分 常用的动画库

综上的实现方式可以支持部分的动画开发，比如点击交互，轮播器、以及纯动画的展示，比如摇钱树、烟花等。

如果需要强交互，或者是需要一个重力世界的时候，原生 JS 的实现相对于困难。可以利用一些动画库，来进行开发，这些动画基于 canvas 与 webGL 实现的。

1. Pixi.js

• 添加场景
• 添加玩家
• 添加自身动作
• 添加交互

2. phaser.js
   物理系统、重力系统
   可以模仿下落状态

3. 其他：
   create.js、three.js 3d 渲染、layaAir、Egret 3d 游戏引擎等，可以根据不同的场景需要，选择不同的框架使用。

总结

1. 动画的实现手段

2. 浏览器渲染的简单流程

3. 开发动画分析性能参考 performance 的使用

鸣谢

非常感谢木杪、千寻对本文的校正与建议，同时感谢琉易、霜序等伙伴在业务产品技术上帮助与支持。