CSS脏矩形（Dirty Rectangles）：浏览器重绘区域的增量更新策略 - 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

CSS 脏矩形（Dirty Rectangles）：浏览器重绘区域的增量更新策略

各位听众，大家好。今天我们来深入探讨一个在浏览器渲染优化中至关重要的概念：CSS 脏矩形，以及它所代表的浏览器重绘区域的增量更新策略。理解脏矩形机制，对于我们编写高性能的网页应用至关重要。

一、什么是重绘（Repaint）和回流（Reflow）？

在深入脏矩形之前，我们需要先了解浏览器渲染的核心流程以及两个关键概念：重绘和回流。

当浏览器接收到 HTML、CSS 和 JavaScript 代码后，它会进行以下几个主要步骤的渲染：

解析 HTML 构建 DOM 树（Document Object Model）： 浏览器将 HTML 代码解析成一个树形结构，代表文档的结构。
解析 CSS 构建 CSSOM 树（CSS Object Model）： 浏览器将 CSS 代码解析成另一个树形结构，代表样式规则。
将 DOM 树和 CSSOM 树合并成渲染树（Render Tree）： 渲染树只包含需要显示的节点，并且包含了每个节点对应的样式信息。 display: none 的元素不会出现在渲染树中。
布局（Layout，也称回流）： 浏览器计算渲染树中每个节点的几何位置和尺寸，即在屏幕上的坐标。
绘制（Paint，也称重绘）： 浏览器将渲染树中的节点绘制到屏幕上。

重绘（Repaint）： 当元素的样式改变并不影响其在文档流中的位置时（例如，改变 background-color、color、visibility 等），浏览器会重新绘制该元素。这意味着浏览器会跳过布局阶段，直接进行绘制阶段。

回流（Reflow，也称重排）： 当元素的尺寸、位置、内容或结构发生改变时，浏览器需要重新计算渲染树。这会导致整个渲染流程从布局阶段开始重新执行。回流通常比重绘的开销更大，因为它需要重新计算所有相关元素的几何属性。

回流一定会触发重绘，而重绘不一定会触发回流。例如，改变 width 或 height 属性会导致回流，并触发相关元素的重绘。

二、重绘性能问题：为何需要优化？

频繁的重绘和回流会严重影响网页的性能，导致页面卡顿、响应缓慢，用户体验下降。每次重绘都需要消耗 CPU 和 GPU 资源，尤其是在复杂的页面中，大量的元素需要重新绘制，这会造成明显的性能瓶颈。

假设我们有一个简单的 JavaScript 代码，频繁改变一个元素的背景颜色：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Repaint Example</title>
<style>
  #myElement {
    width: 100px;
    height: 100px;
    background-color: red;
  }
</style>
</head>
<body>

<div id="myElement"></div>

<script>
  const myElement = document.getElementById('myElement');

  function changeBackgroundColor() {
    const colors = ['red', 'green', 'blue'];
    let i = 0;
    setInterval(() => {
      myElement.style.backgroundColor = colors[i];
      i = (i + 1) % colors.length;
    }, 100);
  }

  changeBackgroundColor();
</script>

</body>
</html>

这段代码每 100 毫秒改变一次 myElement 的背景颜色，会导致频繁的重绘。虽然每次重绘的开销可能很小，但频繁的重复操作会累积成显著的性能问题，尤其是在性能较差的设备上。

三、脏矩形（Dirty Rectangles）：增量更新策略

为了优化重绘的性能，现代浏览器采用了脏矩形（Dirty Rectangles）技术，也称为“区域重绘”。脏矩形的核心思想是：只重绘页面中实际发生变化的区域，而不是整个页面。

工作原理：

跟踪变化： 浏览器会跟踪页面中每个元素的属性变化。当一个元素发生改变时，浏览器会记录该元素所在的矩形区域，并将该区域标记为“脏”。
合并脏矩形： 在一段时间内，可能会有多个元素发生改变，浏览器会将这些脏矩形合并成一个或多个更大的矩形区域。
优化重绘区域： 在重绘阶段，浏览器只会重绘这些脏矩形所覆盖的区域，而忽略页面中没有发生变化的区域。

举例说明：

假设我们有一个页面，包含三个元素 A、B 和 C，如下图所示：

+---+---+---+
| A | B | C |
+---+---+---+

如果元素 B 的背景颜色发生了改变，浏览器会将元素 B 所在的矩形区域标记为脏矩形。在重绘阶段，浏览器只会重绘元素 B 所在的区域，而元素 A 和 C 所在的区域则不会被重绘。

如果元素 A 和 C 也发生了改变，浏览器会将它们所在的区域也标记为脏矩形。在重绘阶段，浏览器会将这三个脏矩形合并成一个更大的矩形区域，并只重绘该区域。

四、脏矩形如何提高性能？

脏矩形技术通过以下方式提高性能：

减少重绘区域： 只重绘页面中实际发生变化的区域，避免了对整个页面的不必要的重绘。
降低 CPU 和 GPU 消耗： 由于重绘区域减小，因此 CPU 和 GPU 的计算量也相应减少，从而降低了资源的消耗。
提高页面响应速度： 减少了重绘的开销，页面可以更快地响应用户的操作，提高了用户体验。

五、脏矩形的实现细节（简化模型）

虽然脏矩形的具体实现细节比较复杂，但我们可以通过一个简化的模型来理解其核心概念。

假设我们有一个简单的渲染引擎，它维护一个脏矩形列表，并提供以下方法：

addDirtyRect(x, y, width, height)：添加一个脏矩形到列表中。
mergeDirtyRects()：合并相邻或重叠的脏矩形。
repaintDirtyRects(context)：重绘脏矩形所覆盖的区域。

以下是一个简单的 JavaScript 代码示例，模拟了脏矩形的添加和合并过程：

class DirtyRect {
  constructor(x, y, width, height) {
    this.x = x;
    this.y = y;
    this.width = width;
    this.height = height;
  }

  intersects(other) {
    return !(
      this.x + this.width < other.x ||
      other.x + other.width < this.x ||
      this.y + this.height < other.y ||
      other.y + other.height < this.y
    );
  }

  merge(other) {
    this.x = Math.min(this.x, other.x);
    this.y = Math.min(this.y, other.y);
    this.width = Math.max(this.x + this.width, other.x + other.width) - this.x;
    this.height = Math.max(this.y + this.height, other.y + other.height) - this.y;
  }
}

class RenderEngine {
  constructor() {
    this.dirtyRects = [];
  }

  addDirtyRect(x, y, width, height) {
    this.dirtyRects.push(new DirtyRect(x, y, width, height));
  }

  mergeDirtyRects() {
    if (this.dirtyRects.length <= 1) {
      return;
    }

    let merged = true;
    while (merged) {
      merged = false;
      for (let i = 0; i < this.dirtyRects.length; i++) {
        for (let j = i + 1; j < this.dirtyRects.length; j++) {
          if (this.dirtyRects[i].intersects(this.dirtyRects[j])) {
            this.dirtyRects[i].merge(this.dirtyRects[j]);
            this.dirtyRects.splice(j, 1);
            merged = true;
            break;
          }
        }
        if (merged) {
          break;
        }
      }
    }
  }

  repaintDirtyRects(context) {
    this.mergeDirtyRects();
    this.dirtyRects.forEach(rect => {
      // 在实际的渲染引擎中，这里会调用底层的绘图 API 来重绘矩形区域。
      console.log(`Repainting area: x=${rect.x}, y=${rect.y}, width=${rect.width}, height=${rect.height}`);
      context.clearRect(rect.x, rect.y, rect.width, rect.height); //模拟清除
      context.fillRect(rect.x, rect.y, rect.width, rect.height); //模拟填充
    });
    this.dirtyRects = []; // 清空脏矩形列表
  }
}

// 示例用法：
const engine = new RenderEngine();
const canvas = document.createElement('canvas');
canvas.width = 500;
canvas.height = 500;
document.body.appendChild(canvas);
const context = canvas.getContext('2d');
context.fillStyle = 'lightgrey'; //默认背景
context.fillRect(0,0,500,500);

engine.addDirtyRect(10, 10, 50, 50);
engine.addDirtyRect(70, 10, 50, 50);
engine.addDirtyRect(40, 60, 50, 50);
engine.repaintDirtyRects(context);

这段代码创建了一个 RenderEngine 类，它可以添加脏矩形，合并脏矩形，并模拟重绘脏矩形所覆盖的区域。 intersects 函数判断两个矩形是否相交，merge 函数合并两个相交的矩形。

六、如何利用脏矩形优化 CSS 性能？

虽然脏矩形是浏览器底层的优化技术，但我们可以通过编写优化的 CSS 代码来更好地利用它，从而提高页面性能。

避免频繁的重绘和回流： 尽量避免频繁地改变元素的样式，尤其是一些会导致回流的属性，如 width、height、position 等。
- 使用 transform 替代 top、left： 改变 transform 属性通常只会触发重绘，而改变 top 和 left 属性可能会导致回流。
```
/* 不好的做法 */
.element {
  position: absolute;
  top: 10px;
  left: 20px;
}

/* 好的做法 */
.element {
  position: absolute;
  transform: translate(20px, 10px);
}
```
- 使用 opacity 替代 visibility： 改变 opacity 属性通常只会触发重绘，而改变 visibility 属性可能会导致回流。
```
/* 不好的做法 */
.element {
  visibility: hidden; /* 或 visible */
}

/* 好的做法 */
.element {
  opacity: 0; /* 或 1 */
}
```
批量更新样式： 如果需要改变多个元素的样式，尽量将这些改变合并成一个操作，避免多次触发重绘和回流。
- 使用 CSS 类： 通过改变元素的 CSS 类来批量更新样式。
```
// 不好的做法
element.style.backgroundColor = 'red';
element.style.color = 'white';

// 好的做法
element.classList.add('highlighted');
```
```
.highlighted {
  background-color: red;
  color: white;
}
```
使用 will-change 属性： will-change 属性可以提前告知浏览器元素将要发生的变化，从而让浏览器提前进行优化。
```
.element {
  will-change: transform; /* 告诉浏览器该元素将要进行 transform 动画 */
}
```
需要注意的是，过度使用 will-change 可能会导致性能问题，因为它会占用更多的内存。只有在确实需要优化性能的情况下才应该使用它。
减少 DOM 操作： 频繁的 DOM 操作会导致大量的重绘和回流。尽量减少 DOM 操作的次数，可以使用虚拟 DOM 等技术来优化 DOM 操作。
避免强制同步布局： 强制同步布局是指在 JavaScript 代码中读取元素的样式信息，然后立即修改元素的样式。这会导致浏览器强制进行布局，从而影响性能。
```
// 不好的做法
element.style.width = '100px';
const width = element.offsetWidth; // 强制同步布局

// 好的做法
// 尽量避免在读取样式信息后立即修改样式
```
合理使用动画： 动画会导致频繁的重绘。尽量使用 CSS 动画或 Web Animations API 来创建动画，并避免使用 JavaScript 来实现复杂的动画。

七、如何检测重绘区域？

虽然我们无法直接访问浏览器内部的脏矩形信息，但我们可以使用一些工具来检测页面中的重绘区域。

Chrome DevTools： Chrome DevTools 提供了重绘区域高亮显示功能。在 DevTools 的 "Rendering" 面板中，勾选 "Paint flashing" 选项，浏览器会在每次重绘时将重绘区域高亮显示。
Performance API： 可以使用 Performance API 来测量重绘的时间和次数。

八、脏矩形与其他优化技术的结合

脏矩形只是浏览器渲染优化中的一个环节。为了获得更好的性能，我们需要将脏矩形与其他优化技术结合起来使用。

分层渲染（Layering）： 浏览器会将页面中的元素分成多个层，每个层都有自己的纹理。这样可以减少重绘的区域，提高渲染性能。例如，使用 transform: translateZ(0) 或 will-change: transform 可以将元素提升到新的层。
GPU 加速： 使用 GPU 来进行渲染可以提高渲染性能。例如，使用 CSS 动画或 WebGL 可以利用 GPU 加速。
虚拟 DOM： 虚拟 DOM 可以减少 DOM 操作的次数，从而减少重绘和回流。

九、脏矩形的局限性

虽然脏矩形是一种有效的优化技术，但它也有一些局限性。

复杂性： 脏矩形的实现比较复杂，需要消耗一定的计算资源。
覆盖率： 在某些情况下，脏矩形可能无法完全覆盖所有需要重绘的区域，导致一些不必要的重绘。
全屏重绘： 某些操作可能会导致全屏重绘，例如改变 <html> 或 <body> 元素的样式。

十、真实案例分析

假设我们有一个复杂的列表组件，其中包含大量的列表项。当用户滚动列表时，我们需要动态加载新的列表项。

优化前：

在优化前，我们可能会直接使用 DOM 操作来添加新的列表项，这会导致频繁的重绘和回流，影响滚动性能。

优化后：

使用虚拟 DOM 来管理列表项。
使用 transform 属性来移动列表项，而不是 top 和 left 属性。
使用 will-change 属性来告知浏览器列表项将要进行 transform 动画。
利用脏矩形技术，只重绘新添加的列表项所在的区域。

通过以上优化，我们可以显著提高列表的滚动性能，改善用户体验。

总结来说，脏矩形是一种浏览器底层的优化技术，它通过只重绘页面中实际发生变化的区域来提高渲染性能。虽然我们无法直接控制脏矩形的行为，但我们可以通过编写优化的 CSS 代码来更好地利用它，从而提高网页应用的性能。结合分层渲染、GPU加速和虚拟DOM，可以进一步提升用户体验。

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