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Layer 树的合成（Compositing）：什么时候 `needsCompositing` 会变为 true

好的，我们开始今天的讲座，主题是Layer树的合成（Compositing）中 needsCompositing 何时变为 true。这是一个理解浏览器渲染引擎工作原理的关键点。

Compositing 的概念与意义

在深入 needsCompositing 之前，我们先回顾一下 Compositing 的概念。Compositing 是浏览器渲染引擎将页面中的不同部分（Layers）组合成最终图像的过程。这个过程允许浏览器以优化的方式应用变换（transform）、透明度（opacity）、裁剪（clip）等视觉效果，而无需每次都重新渲染整个页面。

如果没有 Compositing，每次页面上发生哪怕很小的变化，都需要重新绘制整个屏幕，这会导致性能问题，尤其是在复杂的动画或滚动场景中。通过将页面划分成多个层，浏览器可以独立地渲染和组合这些层，从而提高渲染效率。

Layer 树与 Render 树

理解 needsCompositing 离不开对 Layer 树和 Render 树的理解。

  • Render 树 (Render Tree): Render 树是由 DOM 树和 CSSOM 树合并生成的。它描述了页面上每个可见元素的外观和位置。RenderObject 是 Render 树中的节点，负责计算元素的布局、绘制背景、边框、文本等。

  • Layer 树 (Layer Tree): Layer 树是基于 Render 树构建的，但并非 Render 树中的每个 RenderObject 都会对应一个独立的 Layer。Layer 树中的节点称为 Layer。Compositing 就是在 Layer 树上进行的。

needsCompositing 的作用

needsCompositing 是一个布尔属性，通常存在于 RenderObject 或 Layer 对象上。它指示该对象是否需要被提升为一个独立的 Layer 进行 Compositing。当 needsCompositing 为 true 时，浏览器会创建一个新的 Layer，并将相应的 RenderObject 及其子树放入该 Layer 中。

何时 needsCompositing 变为 true？

现在进入我们今天讨论的核心：哪些情况会导致 needsCompositing 变为 true？ 浏览器渲染引擎会根据一系列规则来判断是否需要为某个 RenderObject 创建新的 Layer。以下是常见的触发 needsCompositing 变为 true 的情况：

  1. 显式的硬件加速属性:

    • CSS Transforms: 当元素应用了 transform 属性（例如 transform: translateZ(0) 或 transform: rotate(45deg)）时，needsCompositing 通常会变为 true。这是因为 Transforms 可以利用 GPU 进行加速，而 GPU 加速通常需要独立的 Layer。
    • CSS Opacity: 当元素的 opacity 属性值小于 1 时，needsCompositing 通常会变为 true。这是因为透明度需要进行混合（blending）操作，而混合操作在独立的 Layer 上进行效率更高。
    • CSS Filters: 当元素应用了 filter 属性（例如 filter: blur(5px)）时，needsCompositing 通常会变为 true。Filters 需要进行像素级别的处理，独立的 Layer 可以更好地利用 GPU 进行加速。
    • CSS Backdrop-filter: 当元素应用了 backdrop-filter 属性（例如 backdrop-filter: blur(5px)）时，needsCompositing 通常会变为 true。 backdrop-filter 影响的是元素背后的区域，因此需要独立的Layer。
    • will-change: will-change 属性允许开发者提前告知浏览器元素可能会发生哪些变化。如果将 will-change 设置为 transform、opacity、filter 等属性，needsCompositing 可能会变为 true。will-change 是一种优化手段，但过度使用可能会导致性能问题。

    示例代码：

    <!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>needsCompositing Example</title>
<style>
.transform {
    transform: translateZ(0); /* 触发 Compositing */
}

.opacity {
    opacity: 0.5; /* 触发 Compositing */
}

.filter {
    filter: blur(5px); /* 触发 Compositing */
}

.will-change {
    will-change: transform; /* 可能触发 Compositing */
}

.stacking-context {
  position: relative; /* or absolute or fixed */
  z-index: 1;
}
</style>
</head>
<body>
<div class="transform">Transform</div>
<div class="opacity">Opacity</div>
<div class="filter">Filter</div>
<div class="will-change">Will-Change</div>
<div class="stacking-context">Stacking Context</div>
</body>
</html>

  2. 3D Context 或加速的 2D Context 的 Canvas:

    当使用 <canvas> 元素创建了 3D Context (WebGL) 或加速的 2D Context 时，该 Canvas 元素通常会被提升为一个独立的 Layer。这是因为 Canvas 上的绘制操作通常需要 GPU 的参与。

    示例代码：

    <!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Canvas Compositing Example</title>
</head>
<body>
<canvas id="webglCanvas" width="200" height="100"></canvas>
<script>
var canvas = document.getElementById("webglCanvas");
var gl = canvas.getContext("webgl"); // 创建 WebGL Context

if (gl) {
    // WebGL is supported and enabled
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
} else {
    alert("WebGL not supported");
}
</script>
</body>
</html>

  3. 视频元素 (<video>)

    <video> 元素通常会被提升为一个独立的 Layer。这是因为视频的解码和渲染通常需要硬件加速，并且视频内容的变化频率很高，独立的 Layer 可以提高渲染效率。

    示例代码：

    <!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Video Compositing Example</title>
</head>
<body>
<video src="your-video.mp4" controls width="320" height="240"></video>
</body>
</html>

  4. <iframe> 元素

    <iframe> 元素（以及其他嵌入的内容，如 <object> 和 <embed>）通常会被提升为一个独立的 Layer。这是因为 iframe 包含独立的文档和渲染上下文，将其放在独立的 Layer 中可以避免与其他内容相互影响。

    示例代码：

    <!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Iframe Compositing Example</title>
</head>
<body>
<iframe src="other-page.html" width="400" height="300"></iframe>
</body>
</html>

  5. 元素拥有 Overlapping 的 z-index 值，且位于不同的 stacking context 中

    Stacking context 是 HTML 元素的一个属性，它决定了元素在 z 轴上的层叠顺序。当元素拥有 z-index 属性，且其 position 属性为 relative、absolute、fixed 或 sticky 时，会创建一个新的 stacking context。如果两个元素位于不同的 stacking context 中，并且它们的 z-index 值导致它们在视觉上发生重叠，那么它们通常会被提升到独立的 Layer 中，以确保正确的层叠顺序。

    示例代码：

    <!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Stacking Context Compositing Example</title>
<style>
.container {
    position: relative;
    width: 200px;
    height: 200px;
}

.box1 {
    position: absolute;
    top: 0;
    left: 0;
    width: 100px;
    height: 100px;
    background-color: red;
    z-index: 2;
}

.box2 {
    position: absolute;
    top: 50px;
    left: 50px;
    width: 100px;
    height: 100px;
    background-color: blue;
    z-index: 1;
}

.stacking-context {
    position: relative; /* 创建 stacking context */
    z-index: 1;
}

.box3 {
    position: absolute;
    top: 20px;
    left: 20px;
    width: 60px;
    height: 60px;
    background-color: green;
    z-index: 3;
}
</style>
</head>
<body>
<div class="container">
    <div class="box1">Box 1</div>
    <div class="box2">Box 2</div>
</div>

<div class="container stacking-context">
  <div class="box3">Box 3</div>
</div>

</body>
</html>

    在这个例子中，box1 和 box2 位于同一个 stacking context 中，它们之间的层叠关系由它们的 z-index 值决定。box3 位于 stacking-context 这个 div 创建的新的 stacking context 中，它和 box1 与 box2 的层叠关系需要通过 compositing 来实现。

  6. 元素拥有 Mask 或 Clip Path

    当元素应用了 mask 或 clip-path 属性时，needsCompositing 通常会变为 true。这是因为 Mask 和 Clip Path 需要进行复杂的像素级别的裁剪操作，独立的 Layer 可以更好地利用 GPU 进行加速。

    示例代码：

    <!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Mask Compositing Example</title>
<style>
.masked {
    width: 200px;
    height: 200px;
    background-color: red;
    -webkit-mask-image: url(mask.png); /* Safari */
    mask-image: url(mask.png);
}
</style>
</head>
<body>
<div class="masked"></div>
</body>
</html>

  7. 元素设置了 isolation: isolate

    CSS 属性 isolation 控制一个元素是否必须创建一个新的 stacking context。 当设置为 isolate 时，该元素会创建一个新的 stacking context，并且通常会导致 needsCompositing 变为 true。

    示例代码：

    <!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Isolation Compositing Example</title>
<style>
.isolate {
    isolation: isolate;
    width: 200px;
    height: 200px;
    background-color: lightblue;
}
</style>
</head>
<body>
<div class="isolate">
    This element has isolation: isolate;
</div>
</body>
</html>

  8. RenderObject的 content 发生改变

    如果 RenderObject 的内容发生改变，例如文本内容发生变化，或者图片加载完成，那么 needsCompositing 可能会变为 true。

  9. 拥有一个需要 compositing 的后代元素

    如果一个 RenderObject 拥有一个 needsCompositing 为 true 的后代元素，那么它自身也可能需要提升为一个独立的 Layer。这种情况称为 "compositing inheritance"。这是因为在 Compositing 过程中，父 Layer 需要与子 Layer 进行组合，如果子 Layer 需要 Compositing，那么父 Layer 也可能需要。

needsCompositing 与性能

虽然 Compositing 可以提高渲染效率，但过多的 Layer 也会带来性能问题。每个 Layer 都会消耗额外的内存，并且 Compositing 过程本身也需要消耗 GPU 资源。因此，开发者需要谨慎地使用这些属性，避免不必要的 Layer 创建。

如何诊断 Compositing 问题

Chrome DevTools 提供了强大的工具来诊断 Compositing 问题。在 "Layers" 面板中，可以查看 Layer 树的结构，并分析每个 Layer 的创建原因和性能消耗。

  1. 打开 Chrome DevTools: 按 F12 或右键单击页面选择 "Inspect"。
  2. 打开 "Layers" 面板: 在 DevTools 中，选择 "More tools" -> "Layers"。
  3. 分析 Layer 树: 在 "Layers" 面板中，可以查看 Layer 树的结构，并选择单个 Layer 来查看其详细信息。
  4. 查找 Compositing 的原因: 在 Layer 的详细信息中，可以找到该 Layer 被创建的原因 (Compositing Reasons)。
  5. 性能分析: 使用 DevTools 的 "Performance" 面板可以分析 Compositing 过程的性能消耗，找出潜在的性能瓶颈。

示例：使用 Chrome DevTools 诊断 Compositing 问题

假设我们有以下 HTML 代码：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Compositing Debugging Example</title>
<style>
.container {
    width: 200px;
    height: 200px;
    background-color: lightgray;
}

.box {
    width: 100px;
    height: 100px;
    background-color: lightblue;
    transform: translateZ(0); /* 触发 Compositing */
}
</style>
</head>
<body>
<div class="container">
    <div class="box"></div>
</div>
</body>
</html>

在这个例子中，.box 元素应用了 transform: translateZ(0) 属性，这会触发 Compositing。我们可以使用 Chrome DevTools 来验证这一点：

  1. 打开 Chrome DevTools 并选择 "Layers" 面板。
  2. 可以看到 Layer 树中存在一个独立的 Layer，对应于 .box 元素。
  3. 选择该 Layer，可以看到其 Compositing Reason 为 "Transform"。

总结

needsCompositing 是浏览器渲染引擎中一个重要的属性，它决定了 RenderObject 是否需要被提升为一个独立的 Layer 进行 Compositing。理解 needsCompositing 的触发条件对于优化 Web 页面性能至关重要。 通过合理地使用硬件加速属性、避免不必要的 Layer 创建，可以提高 Web 页面的渲染效率和用户体验。掌握这些，可以更好地理解浏览器渲染的底层原理。

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