JavaScript内核与高级编程之：`JavaScript` 的 `OffscreenCanvas`：其在 `Web Worker` 中离屏渲染的线程模型。 - 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

观众朋友们，晚上好！我是你们的老朋友，今天咱们来聊聊JavaScript里一个有点酷，但可能平时不怎么用到的东西：OffscreenCanvas。这玩意儿跟Web Worker结合起来，能让你的网页渲染性能飞起，而且还能让主线程清闲不少。准备好了吗？咱们开始吧！

一、啥是 OffscreenCanvas？你为何没听过它？

想象一下，你有个画板，平时你在画板上画东西，观众直接看到。这就是普通的 <canvas> 元素。但 OffscreenCanvas 就相当于一个秘密的画板，你在这个画板上画的东西，观众一开始是看不到的。只有当你画好之后，你才能把画板的内容展示给观众。

这么说可能有点抽象。简单来说，OffscreenCanvas 是一个脱离了 DOM 的 Canvas API 实现。这意味着你可以在没有可视 DOM 元素的情况下进行画布操作。它主要解决的问题就是： 把耗时的渲染操作从主线程搬走。

你可能没听过它，原因很简单：

兼容性问题： 虽然现在主流浏览器都支持了，但早些年支持度不高，所以大家不太敢用。
概念复杂： 涉及到 Web Worker，线程通信，理解起来稍微有点门槛。
需求不迫切： 对于简单的网页来说，普通的 <canvas> 就足够了。但对于需要大量图形计算或者动画的网页，OffscreenCanvas 就能派上大用场了。

二、Web Worker：让渲染飞起来的秘密武器

既然 OffscreenCanvas 要从主线程搬走渲染操作，那搬到哪里去呢？答案就是： Web Worker。

Web Worker 允许你在后台线程中运行 JavaScript 代码，而不会阻塞主线程。你可以把耗时的计算、数据处理、图形渲染等任务交给 Web Worker 去做，这样你的网页就不会卡顿了。

你可以简单理解为：你雇了一个工人（Web Worker）帮你干活，你只负责告诉他做什么，他干完活之后再把结果告诉你。

三、OffscreenCanvas + Web Worker：绝配！

OffscreenCanvas 和 Web Worker 简直是天生一对，完美搭档。它们结合起来，可以实现：

高性能渲染： 把复杂的渲染操作放到 Web Worker 中进行，避免阻塞主线程，提高网页的响应速度。
流畅的动画： 在 Web Worker 中进行动画计算，然后将结果传递给主线程进行显示，可以实现更流畅的动画效果。
后台处理： 可以在 Web Worker 中进行图像处理、视频解码等操作，而不会影响用户体验。

四、实战演练：一个简单的粒子动画

为了更好地理解 OffscreenCanvas 和 Web Worker 的用法，我们来写一个简单的粒子动画。

1. HTML 结构 (index.html)

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>OffscreenCanvas + Web Worker</title>
    <style>
        body { margin: 0; overflow: hidden; }
        canvas { display: block; }
    </style>
</head>
<body>
    <canvas id="myCanvas"></canvas>
    <script src="main.js"></script>
</body>
</html>

2. 主线程代码 (main.js)

const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');

canvas.width = window.innerWidth;
canvas.height = window.innerHeight;

const worker = new Worker('worker.js');

// 将 OffscreenCanvas 传递给 Web Worker
const offscreenCanvas = canvas.transferControlToOffscreen();
worker.postMessage({ type: 'init', canvas: offscreenCanvas, width: canvas.width, height: canvas.height }, [offscreenCanvas]);

// 监听 Web Worker 发来的消息
worker.onmessage = function(event) {
    if (event.data.type === 'render') {
       //主线程什么也不做，渲染在 worker 线程中完成
    }
};

window.addEventListener('resize', function() {
    canvas.width = window.innerWidth;
    canvas.height = window.innerHeight;
    worker.postMessage({ type: 'resize', width: canvas.width, height: canvas.height });
});

3. Web Worker 代码 (worker.js)

let canvas;
let ctx;
let width;
let height;
let particles = [];
const particleCount = 200;

// 初始化粒子
function initParticles() {
    particles = [];
    for (let i = 0; i < particleCount; i++) {
        particles.push({
            x: Math.random() * width,
            y: Math.random() * height,
            radius: Math.random() * 5 + 1,
            speedX: (Math.random() - 0.5) * 2,
            speedY: (Math.random() - 0.5) * 2,
            color: `rgba(${Math.random() * 255}, ${Math.random() * 255}, ${Math.random() * 255}, 0.5)`
        });
    }
}

// 绘制粒子
function drawParticles() {
    ctx.clearRect(0, 0, width, height); // 清空画布
    for (const particle of particles) {
        ctx.beginPath();
        ctx.arc(particle.x, particle.y, particle.radius, 0, Math.PI * 2);
        ctx.fillStyle = particle.color;
        ctx.fill();
        particle.x += particle.speedX;
        particle.y += particle.speedY;

        // 边界检测
        if (particle.x < 0 || particle.x > width) {
            particle.speedX = -particle.speedX;
        }
        if (particle.y < 0 || particle.y > height) {
            particle.speedY = -particle.speedY;
        }
    }
    postMessage({ type: 'render' }); // 通知主线程渲染完成
}

// 动画循环
function animate() {
    drawParticles();
    requestAnimationFrame(animate); // 注意：Web Worker 也可以使用 requestAnimationFrame
}

// 监听主线程发来的消息
self.onmessage = function(event) {
    if (event.data.type === 'init') {
        canvas = event.data.canvas;
        width = event.data.width;
        height = event.data.height;
        ctx = canvas.getContext('2d'); // 在 Web Worker 中获取 Canvas 上下文
        initParticles();
        animate();
    } else if (event.data.type === 'resize') {
        width = event.data.width;
        height = event.data.height;
        initParticles();
    }
};

代码解释：

main.js (主线程):
- 获取 <canvas> 元素。
- 创建 Web Worker。
- 调用 canvas.transferControlToOffscreen() 将 Canvas 的控制权转移到 OffscreenCanvas 对象。注意，这一步之后，canvas 对象就不能再使用了，因为它已经失去了控制权。
- 通过 worker.postMessage() 将 OffscreenCanvas 对象传递给 Web Worker。注意，第二个参数 [offscreenCanvas] 是一个数组，表示需要转移所有权的 Transferable 对象。 只有 Transferable 对象才能在线程之间高效地传递数据，而不会发生复制。
- 监听 Web Worker 发来的消息，这里我们只是简单地接收 render 消息。
- 监听窗口大小变化，并将新的尺寸传递给 Web Worker。
worker.js (Web Worker):
- 监听主线程发来的消息。
- 接收 init 消息，获取 OffscreenCanvas 对象，以及画布的宽高。
- 获取 OffscreenCanvas 的 2D 渲染上下文。
- 初始化粒子。
- 使用 requestAnimationFrame() 创建动画循环。注意，Web Worker 也可以使用 requestAnimationFrame()，但是它不会触发浏览器的重绘，所以我们需要手动通知主线程渲染完成。
- 在 drawParticles() 函数中，绘制粒子，并更新粒子的位置。
- 通过 postMessage() 向主线程发送 render 消息。
- 接收 resize 消息，更新画布的宽高，并重新初始化粒子。

五、关键技术点解析

transferControlToOffscreen(): 这是将 <canvas> 转换为 OffscreenCanvas 的关键方法。 它会把 Canvas 的控制权转移到 OffscreenCanvas 对象，并且原来的 canvas 对象会变成不可用状态。 你可以把它想象成把画板的控制权交给了 Web Worker。
postMessage() 和 Transferable 对象: postMessage() 是在主线程和 Web Worker 之间传递消息的手段。为了提高性能，可以使用 Transferable 对象来避免数据复制。 Transferable 对象的所有权会从一个线程转移到另一个线程，而不是进行复制。 OffscreenCanvas 就是一个 Transferable 对象。除了 OffscreenCanvas 之外，还有 ArrayBuffer, MessagePort, ImageBitmap 等也是 Transferable 对象。
requestAnimationFrame() in Web Worker: requestAnimationFrame() 在 Web Worker 中仍然可以使用，但是它不会触发浏览器的重绘。所以，我们需要手动通知主线程渲染完成。
性能优化: 使用 OffscreenCanvas 和 Web Worker 的主要目的是提高性能。通过将耗时的渲染操作放到后台线程中进行，可以避免阻塞主线程，提高网页的响应速度。

六、OffscreenCanvas 的适用场景

复杂的图形渲染： 比如游戏、数据可视化、地图应用等。
高性能动画： 需要流畅动画效果的网页。
图像处理： 比如图像滤镜、图像编辑等。
视频解码： 比如在线视频播放器。
任何需要大量 CPU 计算的任务: 只要是会阻塞主线程的任务，都可以考虑放到 Web Worker 中处理。

七、注意事项和坑

调试问题： Web Worker 的调试相对麻烦一些，需要使用浏览器的开发者工具进行调试。
线程通信开销： 线程之间的通信会带来一定的开销，所以不要频繁地在线程之间传递消息。
共享数据： 在多线程环境下，需要注意共享数据的同步问题。可以使用 Atomics 和 SharedArrayBuffer 来实现线程之间的共享内存。但是使用它们需要特别小心，以避免出现数据竞争和死锁等问题。目前 SharedArrayBuffer 默认是禁用的，需要设置合适的 HTTP 头部才能启用。
兼容性： 虽然现在主流浏览器都支持 OffscreenCanvas 和 Web Worker，但还是需要考虑兼容性问题。可以使用 polyfill 来提供兼容性支持。

八、总结

OffscreenCanvas 结合 Web Worker，是提升 Web 应用性能的一大利器。它可以将耗时的渲染操作从主线程搬走，从而提高网页的响应速度和流畅度。虽然使用起来稍微复杂一些，但是掌握了它，就能让你的网页性能更上一层楼。

希望今天的讲座能帮助大家更好地理解 OffscreenCanvas 和 Web Worker。以后有机会，咱们再聊聊其他的 Web 开发技术。谢谢大家！

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