JavaScript内核与高级编程之：`requestAnimationFrame`：浏览器渲染周期的同步机制与动画优化。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位观众老爷们，大家好！今天咱们不聊风花雪月，专攻前端硬核技术—— requestAnimationFrame！别怕，听着高大上，其实它就是个帮你优化动画的小能手。今天咱们就来扒一扒它的底裤，看看它到底是怎么跟浏览器的渲染周期眉来眼去，以及怎么帮我们写出更流畅的动画。

开场白：动画的那些“坑”

咱们先来想想，如果没有 requestAnimationFrame，你打算怎么做动画？估计大部分人脑子里第一个蹦出来的就是 setTimeout 或者 setInterval。

// 简单的setInterval动画示例 (不推荐)
let element = document.getElementById('myElement');
let position = 0;
let intervalId = setInterval(() => {
  position += 5;
  element.style.left = position + 'px';
  if (position > 500) {
    clearInterval(intervalId);
  }
}, 20); // 每20毫秒执行一次

看起来很美好，但问题来了：

时间不准： setTimeout 和 setInterval 的回调函数并不是每次都能准时执行的。浏览器很忙的，它有很多事情要做，可能正在处理用户交互，可能正在解析 HTML，也可能正在进行垃圾回收。你的定时器只是众多任务中的一个，它需要排队等待，实际执行时间可能会延迟。
掉帧： 如果你的动画逻辑比较复杂，执行时间超过了定时器设定的间隔，就会导致掉帧，动画看起来卡顿。
CPU 占用高： 就算动画逻辑很简单，setTimeout 和 setInterval 也会一直占用 CPU 资源，即使页面隐藏或者最小化了，它们仍然会继续执行，浪费电量。
与浏览器渲染周期不同步： 这是最关键的问题。浏览器有一套自己的渲染周期，它会在特定的时间点进行重绘。如果你的动画更新发生在重绘之前或者之后，就会导致不必要的渲染，或者动画看起来不连贯。

所以，setTimeout 和 setInterval 就像两个不靠谱的猪队友，虽然能帮你实现动画，但总是状况百出。

正餐：requestAnimationFrame 的闪亮登场

requestAnimationFrame (简称 rAF) 的出现，就是为了解决上述这些问题。它的作用很简单：告诉浏览器，你希望执行一个动画，并且请求浏览器在下一次重绘之前调用你的动画函数。

// 使用requestAnimationFrame的动画示例 (推荐)
let element = document.getElementById('myElement');
let position = 0;

function animate() {
  position += 5;
  element.style.left = position + 'px';
  if (position <= 500) {
    requestAnimationFrame(animate); // 请求下一次重绘之前执行animate
  }
}

requestAnimationFrame(animate); // 启动动画

是不是感觉清爽多了？它的优势也很明显：

与浏览器渲染周期同步： requestAnimationFrame 的回调函数会在浏览器下一次重绘之前执行，保证了动画的流畅性和连贯性。
节省 CPU 资源： 当页面隐藏或者最小化时，浏览器会自动停止 requestAnimationFrame 的回调函数，节省 CPU 资源。当页面重新可见时，又会重新开始执行。
性能优化： 浏览器可以根据硬件性能和页面状态来优化 requestAnimationFrame 的执行频率，从而提高动画的性能。
避免掉帧： 由于 rAF 与浏览器渲染周期同步，因此可以尽可能避免不必要的渲染，从而减少掉帧的概率。

可以用表格来对比一下：

特性	`setTimeout` / `setInterval`	`requestAnimationFrame`
执行时机	定时器设定的间隔	浏览器下一次重绘之前
同步性	不同步	与浏览器渲染周期同步
CPU 占用	持续占用	页面不可见时暂停
性能	较差	较好
是否掉帧	容易掉帧	较少掉帧

深入剖析：浏览器渲染周期

要理解 requestAnimationFrame 的工作原理，就必须先了解浏览器的渲染周期。简单来说，浏览器渲染页面的过程可以分为以下几个步骤：

解析 HTML： 浏览器解析 HTML 文档，构建 DOM 树。
解析 CSS： 浏览器解析 CSS 样式，构建 CSSOM 树。
生成渲染树 (Render Tree)： 浏览器将 DOM 树和 CSSOM 树合并，生成渲染树。渲染树只包含需要显示的节点，例如 <body>、<div>、<p> 等，而像 <head>、display: none 的节点则会被排除。
布局 (Layout)： 浏览器根据渲染树计算每个节点的位置和大小，这个过程也称为“回流 (Reflow)”。
绘制 (Paint)： 浏览器将每个节点绘制到屏幕上，这个过程也称为“重绘 (Repaint)”。
合成 (Composite)： 浏览器将各个图层合并成最终的图像，并显示在屏幕上。

而 requestAnimationFrame 的回调函数，就是在布局 (Layout) 之前执行的。也就是说，你可以在回调函数中修改 DOM 元素的样式，然后浏览器会在下一次重绘之前重新计算布局和绘制。

实战演练：更复杂的动画示例

光说不练假把式，咱们来搞个更复杂的动画示例，看看 requestAnimationFrame 怎么大显身手。比如，我们要实现一个让多个元素同时移动，并且可以控制速度和方向的动画。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>requestAnimationFrame 动画示例</title>
  <style>
    .element {
      width: 50px;
      height: 50px;
      background-color: red;
      position: absolute;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div id="element1" class="element"></div>
  <div id="element2" class="element"></div>
  <div id="element3" class="element"></div>

  <script>
    const elements = [
      { element: document.getElementById('element1'), x: 0, y: 0, speedX: 2, speedY: 1 },
      { element: document.getElementById('element2'), x: 100, y: 50, speedX: -1, speedY: 3 },
      { element: document.getElementById('element3'), x: 200, y: 100, speedX: 3, speedY: -2 }
    ];

    function animate() {
      elements.forEach(item => {
        item.x += item.speedX;
        item.y += item.speedY;
        item.element.style.left = item.x + 'px';
        item.element.style.top = item.y + 'px';

        // 边界检测，让元素在屏幕内反弹
        if (item.x < 0 || item.x > window.innerWidth - 50) {
          item.speedX = -item.speedX;
        }
        if (item.y < 0 || item.y > window.innerHeight - 50) {
          item.speedY = -item.speedY;
        }
      });

      requestAnimationFrame(animate);
    }

    requestAnimationFrame(animate); // 启动动画
  </script>
</body>
</html>

在这个例子中，我们创建了三个红色的方块，每个方块都有自己的初始位置和速度。 animate 函数会不断更新每个方块的位置，并进行边界检测，让它们在屏幕内反弹。

这个例子充分展示了 requestAnimationFrame 的威力：

可以同时处理多个元素的动画。
可以灵活控制动画的速度和方向。
可以轻松实现复杂的动画效果。

进阶技巧：时间戳和缓动函数

为了让动画更加平滑自然，我们还可以使用时间戳和缓动函数。

时间戳： requestAnimationFrame 的回调函数会接收一个时间戳参数，表示当前帧的开始时间。我们可以利用时间戳来计算动画的进度，从而实现更精确的控制。
缓动函数： 缓动函数 (Easing Functions) 是一种用于控制动画速度变化的函数。常见的缓动函数包括线性、加速、减速、弹跳等。通过使用缓动函数，我们可以让动画看起来更加生动有趣。

下面是一个使用时间戳和缓动函数的例子：

let element = document.getElementById('myElement');
let start = null;
let duration = 1000; // 动画持续时间 (毫秒)
let startPosition = 0;
let endPosition = 500;

function animate(timestamp) {
  if (!start) start = timestamp;
  let progress = (timestamp - start) / duration;

  // 确保progress在0和1之间
  progress = Math.min(progress, 1);

  // 使用缓动函数 (这里使用简单的线性缓动)
  let position = startPosition + (endPosition - startPosition) * progress;

  element.style.left = position + 'px';

  if (progress < 1) {
    requestAnimationFrame(animate);
  }
}

requestAnimationFrame(animate);

在这个例子中，我们使用时间戳来计算动画的进度，并使用一个简单的线性缓动函数来控制动画的速度。你可以尝试使用不同的缓动函数，看看效果有什么不同。一些常用的缓动函数库，例如Tween.js，提供了丰富的缓动函数供你选择。

兼容性处理：polyfill 的妙用

虽然 requestAnimationFrame 已经被大多数现代浏览器支持，但为了兼容老旧浏览器，我们需要使用 polyfill。 Polyfill 是一种用于弥补浏览器缺失功能的代码。

下面是一个简单的 requestAnimationFrame polyfill：

(function() {
  var lastTime = 0;
  var vendors = ['ms', 'moz', 'webkit', 'o'];
  for(var x = 0; x < vendors.length && !window.requestAnimationFrame; ++x) {
    window.requestAnimationFrame = window[vendors[x]+'RequestAnimationFrame'];
    window.cancelAnimationFrame = window[vendors[x]+'CancelAnimationFrame']
                               || window[vendors[x]+'CancelRequestAnimationFrame'];
  }

  if (!window.requestAnimationFrame)
    window.requestAnimationFrame = function(callback, element) {
      var currTime = new Date().getTime();
      var timeToCall = Math.max(0, 16 - (currTime - lastTime));
      var id = window.setTimeout(function() { callback(currTime + timeToCall); },
        timeToCall);
      lastTime = currTime + timeToCall;
      return id;
    };

  if (!window.cancelAnimationFrame)
    window.cancelAnimationFrame = function(id) {
      clearTimeout(id);
    };
}());

这段代码会检测浏览器是否支持 requestAnimationFrame，如果不支持，则使用 setTimeout 来模拟 requestAnimationFrame 的功能。

最佳实践：避免回流和重绘

回流 (Reflow) 和重绘 (Repaint) 是浏览器渲染过程中最耗费性能的操作。为了提高动画的性能，我们应该尽量避免回流和重绘。

以下是一些避免回流和重绘的最佳实践：

批量更新 DOM： 尽量避免频繁地修改 DOM 元素的样式。可以先将所有的修改操作收集起来，然后一次性应用到 DOM 元素上。
使用 CSS transform： CSS transform 可以实现平移、旋转、缩放等动画效果，而这些效果通常不会引起回流。
使用 will-change 属性： will-change 属性可以告诉浏览器，你将要修改某个元素的属性。浏览器可以提前进行优化，从而提高动画的性能。
离线修改 DOM： 可以先将 DOM 元素从文档流中移除，然后进行修改，最后再将它重新插入到文档流中。
避免读取布局信息： 尽量避免在动画循环中读取 DOM 元素的布局信息，例如 offsetWidth、offsetHeight、offsetTop 等。这些操作会强制浏览器进行回流。

总结：requestAnimationFrame 是你的动画好帮手

requestAnimationFrame 是一个强大的动画 API，它可以帮助你写出更流畅、更高效的动画。通过理解浏览器的渲染周期，并遵循最佳实践，你可以充分发挥 requestAnimationFrame 的威力，打造令人惊艳的 Web 应用。

记住，requestAnimationFrame 不是万能的，但它是优化动画的关键一步。掌握它，你就能在前端开发的道路上更上一层楼！

最后，留个小作业：

尝试使用 requestAnimationFrame 实现一个简单的游戏，例如一个不断移动的球，或者一个可以控制方向的飞机。相信通过实践，你一定能更深入地理解 requestAnimationFrame 的原理和用法。

好啦，今天的讲座就到这里，希望大家有所收获！咱们下回再见！

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