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。
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。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。
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。
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。
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