Vue 3调度器与`requestAnimationFrame`的集成：优化动画与高频更新的性能平滑 - 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

Vue 3 调度器与 `requestAnimationFrame` 的集成：优化动画与高频更新的性能平滑

大家好，今天我们来深入探讨 Vue 3 调度器与 requestAnimationFrame 的集成，以及如何利用它们来优化动画和高频更新场景下的性能表现。这对于构建流畅、响应迅速的 Vue 应用至关重要。

Vue 3 调度器的作用与机制

Vue 3 的响应式系统和虚拟 DOM 带来了高效的更新机制。然而，频繁的状态变化会导致组件进行大量的重新渲染，尤其是在动画和高频更新的场景下。如果没有合理的调度策略，这些渲染操作可能会阻塞主线程，导致页面卡顿。

Vue 3 调度器的核心作用就是管理组件的更新时机，避免不必要的重复渲染，并将更新操作合并成批处理，从而提升性能。它主要基于以下几个关键概念：

异步更新： Vue 3 默认采用异步更新策略。当响应式数据发生变化时，不会立即触发组件的重新渲染。而是将更新操作加入到一个队列中。
更新队列： 所有待更新的组件都会被放入到一个更新队列中。
调度循环： Vue 3 会在一个微任务队列（microtask queue）中执行一个调度循环。这个循环负责从更新队列中取出组件，并触发它们的重新渲染。
优先级： Vue 3 允许开发者为组件的更新设置优先级。高优先级的组件会优先被更新。
去重： 在同一个调度循环中，如果同一个组件多次被标记为需要更新，调度器会进行去重，只保留一次更新操作。

简单来说，Vue 3 的调度器就像一个交通指挥中心，它负责协调各个组件的更新请求，确保它们按照合理的顺序和频率执行，从而避免交通堵塞（主线程阻塞）。

`requestAnimationFrame` 的优势与使用场景

requestAnimationFrame(callback) 是一个浏览器 API，它的作用是告诉浏览器你希望执行一个动画，并且要求浏览器在下次重绘之前调用指定的回调函数。

相比于 setTimeout 或 setInterval，requestAnimationFrame 具有以下优势：

性能更高： requestAnimationFrame 由浏览器统一调度，它会与浏览器的重绘频率保持同步。通常，浏览器的刷新频率是 60Hz，这意味着 requestAnimationFrame 的回调函数大约每 16.7ms 执行一次。这避免了不必要的重绘，节省了 CPU 和 GPU 资源。
节能： 当页面处于隐藏状态或最小化时，requestAnimationFrame 会自动暂停执行，从而节省电量。
更流畅： requestAnimationFrame 能够确保动画在浏览器的下一次重绘之前执行，这有助于避免动画卡顿和撕裂。

requestAnimationFrame 非常适合以下场景：

动画： 任何需要平滑过渡效果的动画，例如 CSS 过渡、Canvas 动画、SVG 动画等。
高频更新： 需要频繁更新 UI 的场景，例如游戏、实时数据可视化等。
自定义渲染： 如果你需要在 Vue 组件中进行自定义渲染，例如使用 Canvas 或 WebGL，requestAnimationFrame 可以帮助你实现平滑的渲染效果。

Vue 3 调度器与 `requestAnimationFrame` 的集成策略

将 Vue 3 调度器与 requestAnimationFrame 集成，可以进一步优化动画和高频更新场景下的性能。核心思路是利用 requestAnimationFrame 来控制 Vue 组件的更新时机，确保更新操作与浏览器的重绘同步。

以下是一些常见的集成策略：

在 requestAnimationFrame 回调中触发组件更新：

这是最直接的集成方式。当响应式数据发生变化时，不要立即触发组件更新，而是将更新操作放入 requestAnimationFrame 的回调函数中。
```
<template>
  <div>
    <div :style="{ transform: `translateX(${x}px)` }"></div>
  </div>
</template>

<script>
import { ref, onMounted } from 'vue';

export default {
  setup() {
    const x = ref(0);
    let animationFrameId = null;

    const animate = () => {
      x.value += 1; // 模拟数据更新

      animationFrameId = requestAnimationFrame(animate);
    };

    onMounted(() => {
      animationFrameId = requestAnimationFrame(animate);
    });

    onBeforeUnmount(() => {
      cancelAnimationFrame(animationFrameId);
    });

    return {
      x,
    };
  },
};
</script>
```
在这个例子中，我们使用 requestAnimationFrame 来不断更新 x 的值，从而触发组件的重新渲染。

优点： 简单易懂，适用于简单的动画场景。

缺点： 如果组件的更新逻辑比较复杂，可能会导致 requestAnimationFrame 的回调函数执行时间过长，从而影响性能。并且直接操作 ref 可能会导致不必要的重复渲染。

使用 nextTick 结合 requestAnimationFrame：

Vue 3 提供了 nextTick 函数，它允许你在 DOM 更新完成后执行一个回调函数。我们可以将 requestAnimationFrame 的回调函数放入 nextTick 中，确保更新操作在 DOM 更新完成后执行。

<template>
  <div>
    <div :style="{ transform: `translateX(${x}px)` }"></div>
  </div>
</template>

<script>
import { ref, onMounted, nextTick } from 'vue';

export default {
  setup() {
    const x = ref(0);
    let animationFrameId = null;

    const animate = () => {
      x.value += 1; // 模拟数据更新

      nextTick(() => {
        animationFrameId = requestAnimationFrame(animate);
      });
    };

    onMounted(() => {
      animationFrameId = requestAnimationFrame(animate);
    });

    onBeforeUnmount(() => {
      cancelAnimationFrame(animationFrameId);
    });

    return {
      x,
    };
  },
};
</script>

优点： 确保更新操作在 DOM 更新完成后执行，避免了不必要的渲染错误。

缺点： 仍然可能存在频繁更新导致性能问题。

使用 throttle 或 debounce 结合 requestAnimationFrame：

throttle 和 debounce 是两种常用的函数节流技术，它们可以限制函数的执行频率。我们可以使用 throttle 或 debounce 来控制 requestAnimationFrame 的执行频率，从而减少组件的更新次数。

<template>
  <div>
    <div :style="{ transform: `translateX(${x}px)` }"></div>
  </div>
</template>

<script>
import { ref, onMounted, onBeforeUnmount } from 'vue';
import { throttle } from 'lodash-es'; // 引入 lodash-es 的 throttle 函数

export default {
  setup() {
    const x = ref(0);
    let animationFrameId = null;

    const updateX = () => {
      x.value += 1; // 模拟数据更新
    };

    // 使用 throttle 限制 updateX 的执行频率
    const throttledUpdateX = throttle(updateX, 16); // 约等于 60fps

    const animate = () => {
      throttledUpdateX();
      animationFrameId = requestAnimationFrame(animate);
    };

    onMounted(() => {
      animationFrameId = requestAnimationFrame(animate);
    });

    onBeforeUnmount(() => {
      cancelAnimationFrame(animationFrameId);
      throttledUpdateX.cancel(); // 取消节流
    });

    return {
      x,
    };
  },
};
</script>

在这个例子中，我们使用 lodash-es 的 throttle 函数来限制 updateX 的执行频率，确保它大约每 16ms 执行一次。这可以有效地减少组件的更新次数，从而提升性能。

优点： 有效地减少组件的更新次数，提升性能。

缺点： 需要引入额外的库（例如 lodash-es）。

自定义渲染函数：

对于复杂的动画或高频更新场景，可以考虑使用自定义渲染函数来直接操作 DOM，避免 Vue 虚拟 DOM 的开销。

<template>
  <canvas ref="canvas" width="200" height="200"></canvas>
</template>

<script>
import { ref, onMounted, onBeforeUnmount } from 'vue';

export default {
  setup() {
    const canvas = ref(null);
    let animationFrameId = null;
    let x = 0;

    const draw = () => {
      const ctx = canvas.value.getContext('2d');
      ctx.clearRect(0, 0, 200, 200);
      ctx.fillStyle = 'red';
      ctx.fillRect(x, 50, 50, 50);
      x += 1;

      animationFrameId = requestAnimationFrame(draw);
    };

    onMounted(() => {
      animationFrameId = requestAnimationFrame(draw);
    });

    onBeforeUnmount(() => {
      cancelAnimationFrame(animationFrameId);
    });

    return {
      canvas,
    };
  },
};
</script>

在这个例子中，我们使用 Canvas API 来绘制一个移动的矩形，直接操作 Canvas 的 DOM 元素，避免了 Vue 虚拟 DOM 的开销。

优点： 性能最高，适用于复杂的动画和高频更新场景。

缺点： 需要手动管理 DOM，代码复杂度较高。

代码示例：对比不同策略的性能

为了更直观地了解不同集成策略的性能差异，我们可以编写一个简单的示例，对比它们的渲染性能。

以下是一个简单的示例，它模拟了一个高频更新的场景：

<template>
  <div>
    <p>Counter: {{ counter }}</p>
  </div>
</template>

<script>
import { ref, onMounted, onBeforeUnmount } from 'vue';

export default {
  props: {
    strategy: {
      type: String,
      required: true,
      validator: (value) => ['default', 'raf', 'throttle'].includes(value),
    },
  },
  setup(props) {
    const counter = ref(0);
    let intervalId = null;
    let animationFrameId = null;

    const incrementCounter = () => {
      counter.value++;
    };

    const incrementCounterRaf = () => {
      counter.value++;
      animationFrameId = requestAnimationFrame(incrementCounterRaf);
    };

    onMounted(() => {
      if (props.strategy === 'default') {
        intervalId = setInterval(incrementCounter, 0); // 尽可能快的更新
      } else if (props.strategy === 'raf') {
        animationFrameId = requestAnimationFrame(incrementCounterRaf);
      } else if (props.strategy === 'throttle') {
        const throttledIncrement = _.throttle(incrementCounter, 16); // 使用 lodash 的 throttle
        intervalId = setInterval(throttledIncrement, 0);
      }
    });

    onBeforeUnmount(() => {
      clearInterval(intervalId);
      cancelAnimationFrame(animationFrameId);
    });

    return {
      counter,
    };
  },
};
</script>

我们创建了一个名为 CounterComponent 的组件，它根据 strategy prop 的值，选择不同的更新策略：

default：使用 setInterval 尽可能快地更新 counter 的值。
raf：使用 requestAnimationFrame 来更新 counter 的值。
throttle：使用 throttle 函数来限制 counter 的更新频率。

我们可以使用 Vue Devtools 或浏览器的性能分析工具来测量不同策略的渲染性能。通常情况下，raf 和 throttle 策略的性能会优于 default 策略。

不同集成策略的对比

为了更清晰地了解不同集成策略的优缺点，我们可以使用一个表格进行对比：

集成策略	优点	缺点	适用场景
在 `requestAnimationFrame` 回调中触发组件更新	简单易懂	如果组件的更新逻辑比较复杂，可能会导致 `requestAnimationFrame` 的回调函数执行时间过长，从而影响性能。并且直接操作 ref 可能会导致不必要的重复渲染。	简单的动画场景，数据变化不频繁。
使用 `nextTick` 结合 `requestAnimationFrame`	确保更新操作在 DOM 更新完成后执行，避免了不必要的渲染错误。	仍然可能存在频繁更新导致性能问题。	需要确保 DOM 更新完成后再执行动画的场景。
使用 `throttle` 或 `debounce` 结合 `requestAnimationFrame`	有效地减少组件的更新次数，提升性能。	需要引入额外的库（例如 `lodash-es`）。	数据变化非常频繁，但不需要立即反映到 UI 上的场景，例如鼠标移动事件、窗口大小变化事件等。
自定义渲染函数	性能最高，避免 Vue 虚拟 DOM 的开销。	需要手动管理 DOM，代码复杂度较高。	复杂的动画和高频更新场景，例如游戏、实时数据可视化等。

实际应用案例分析

滚动动画： 在实现滚动动画时，例如视差滚动效果，可以使用 requestAnimationFrame 来平滑地更新元素的 transform 属性，从而实现流畅的滚动效果。同时配合 throttle 可以避免滚动事件过于频繁触发更新。
实时数据可视化： 在实时数据可视化场景中，例如股票行情图，可以使用自定义渲染函数来直接操作 Canvas 或 WebGL，避免 Vue 虚拟 DOM 的开销，从而实现高性能的渲染效果。
游戏开发： 在游戏开发中，可以使用 requestAnimationFrame 来控制游戏的帧率，确保游戏运行流畅。

避免过度优化，关注用户体验

虽然性能优化很重要，但也要避免过度优化。过度优化可能会导致代码复杂度增加，维护成本提高，甚至影响用户体验。

在进行性能优化时，应该始终关注用户体验，确保优化后的代码能够带来更好的用户体验。例如，不要为了追求极致的性能而牺牲动画的流畅性。

优化动画与高频更新，性能平滑用户体验佳

Vue 3 调度器与 requestAnimationFrame 的集成是优化动画和高频更新场景下的重要手段。合理选择集成策略，可以有效地提升应用的性能，并带来更流畅的用户体验。

更多IT精英技术系列讲座，到智猿学院