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JS `OffscreenCanvas`：在 Web Worker 中进行高性能渲染

各位观众，大家好！今天咱们来聊聊一个在Web开发中能让你的渲染性能飞起来的秘密武器：OffscreenCanvas，以及如何在Web Worker中玩转它。准备好了吗？咱们这就开始！

开场白：浏览器性能的那些事儿

咱们先来唠唠嗑，说说浏览器性能。想象一下，你的网页界面华丽炫酷，动画流畅丝滑，用户体验简直棒呆！但是，如果你的渲染逻辑全都挤在主线程里，那可就惨了。主线程忙着处理各种UI事件、JavaScript脚本，再分心去搞渲染，分分钟卡成PPT。

这时候，Web Worker就像一位默默奉献的幕后英雄，它可以在独立的线程中执行JavaScript代码，不会阻塞主线程。而OffscreenCanvas，就是让Web Worker能够接管渲染任务的关键。

什么是OffscreenCanvas？

简单来说，OffscreenCanvas就是一个脱离屏幕的Canvas。它提供了一个可以使用Canvas API进行绘制的画布，但是这个画布并不直接显示在页面上。你可以把它想象成一个秘密的绘画工作室，你可以在里面尽情创作，然后把完成的作品（渲染结果）交给主线程去展示。

为什么要用OffscreenCanvas？

原因很简单：性能！

  • 减轻主线程负担： 将渲染任务放到Web Worker中，可以释放主线程的压力，让它专注于处理UI交互和用户事件。
  • 提高渲染性能： Web Worker可以并行执行渲染任务，充分利用多核CPU的优势，提升渲染速度。
  • 避免UI阻塞： 即便渲染任务非常复杂耗时，也不会阻塞主线程，保证UI的响应性。

OffscreenCanvas的基本用法

说了这么多，咱们来点实际的。先看看OffscreenCanvas的基本用法：

  1. 创建OffscreenCanvas对象：

    在主线程中，你可以通过两种方式创建OffscreenCanvas对象：

    • new OffscreenCanvas(width, height)：创建一个新的OffscreenCanvas对象，指定宽度和高度。
    • canvas.transferControlToOffscreen()：将现有的Canvas元素的所有权转移到OffscreenCanvas对象。
    // 方式一：创建新的OffscreenCanvas对象
const offscreenCanvas = new OffscreenCanvas(500, 300);

// 方式二：转移现有Canvas元素的所有权
const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const offscreenCanvas2 = canvas.transferControlToOffscreen();

  2. 将OffscreenCanvas对象传递给Web Worker：

    使用postMessage()方法将OffscreenCanvas对象传递给Web Worker。注意，这里需要使用transferable对象的方式传递，这样可以避免数据复制，提高性能。

    const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage({ canvas: offscreenCanvas }, [offscreenCanvas]);

  3. 在Web Worker中进行渲染：

    在Web Worker中，通过message事件监听器接收主线程传递过来的OffscreenCanvas对象，然后就可以使用Canvas API进行渲染了。

    // worker.js
self.onmessage = function(event) {
  const canvas = event.data.canvas;
  const ctx = canvas.getContext('2d');

  // 在OffscreenCanvas上进行渲染
  ctx.fillStyle = 'red';
  ctx.fillRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
};

  4. 将渲染结果传递回主线程（可选）：

    如果你需要在主线程中显示渲染结果，可以使用transferToImageBitmap()方法将OffscreenCanvas对象转换为ImageBitmap对象，然后将ImageBitmap对象传递回主线程。

    // worker.js
self.onmessage = function(event) {
  const canvas = event.data.canvas;
  const ctx = canvas.getContext('2d');

  // 在OffscreenCanvas上进行渲染
  ctx.fillStyle = 'red';
  ctx.fillRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);

  // 将OffscreenCanvas转换为ImageBitmap
  const bitmap = canvas.transferToImageBitmap();

  // 将ImageBitmap传递回主线程
  self.postMessage({ bitmap: bitmap }, [bitmap]);
};

    在主线程中，接收到ImageBitmap对象后，可以使用drawImage()方法将其绘制到Canvas元素上。

    worker.onmessage = function(event) {
  const bitmap = event.data.bitmap;
  const canvas = document.getElementById('myCanvas');
  const ctx = canvas.getContext('2d');

  // 将ImageBitmap绘制到Canvas元素上
  ctx.drawImage(bitmap, 0, 0);
};

一个完整的例子：绘制一个旋转的矩形

光说不练假把式，咱们来个完整的例子，演示如何使用OffscreenCanvas和Web Worker绘制一个旋转的矩形：

1. HTML文件 (index.html):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>OffscreenCanvas Example</title>
</head>
<body>
  <canvas id="myCanvas" width="500" height="300"></canvas>
  <script src="main.js"></script>
</body>
</html>

2. JavaScript文件 (main.js):

const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const offscreenCanvas = canvas.transferControlToOffscreen();

const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage({ canvas: offscreenCanvas }, [offscreenCanvas]);

worker.onmessage = function(event) {
  const bitmap = event.data.bitmap;
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.drawImage(bitmap, 0, 0);
  bitmap.close(); // 重要：释放ImageBitmap资源
};

3. Web Worker文件 (worker.js):

let angle = 0;

self.onmessage = function(event) {
  const canvas = event.data.canvas;
  const ctx = canvas.getContext('2d');

  function render() {
    ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);

    ctx.save(); // 保存当前状态
    ctx.translate(canvas.width / 2, canvas.height / 2); // 将坐标原点移动到中心
    ctx.rotate(angle); // 旋转
    ctx.fillStyle = 'blue';
    ctx.fillRect(-50, -50, 100, 100); // 绘制矩形
    ctx.restore(); // 恢复之前保存的状态

    angle += 0.01; // 增加旋转角度

    const bitmap = canvas.transferToImageBitmap();
    self.postMessage({ bitmap: bitmap }, [bitmap]);
    requestAnimationFrame(render);
  }

  render();
};

代码解释：

  • index.html: 创建了一个Canvas元素，用于显示渲染结果。
  • main.js: 获取Canvas元素，并将其所有权转移到OffscreenCanvas对象。然后，创建一个Web Worker，并将OffscreenCanvas对象传递给它。在接收到Web Worker传递回来的ImageBitmap对象后，将其绘制到Canvas元素上。
  • worker.js: 接收主线程传递过来的OffscreenCanvas对象，并使用Canvas API绘制一个旋转的矩形。然后，将OffscreenCanvas对象转换为ImageBitmap对象，并传递回主线程。使用requestAnimationFrame函数循环渲染。

注意事项：

  • Transferable Objects： 传递OffscreenCanvas对象和ImageBitmap对象时，必须使用transferable对象的方式，以避免数据复制，提高性能。
  • ImageBitmap的释放： 在主线程中，接收到ImageBitmap对象并绘制到Canvas元素上后，必须调用bitmap.close()方法释放ImageBitmap资源，否则会导致内存泄漏。
  • requestAnimationFrame： 在Web Worker中使用requestAnimationFrame函数循环渲染，可以保证渲染的流畅性。

高级用法：共享内存 (SharedArrayBuffer)

如果你需要更高效的共享数据方式，可以使用SharedArrayBuffer。SharedArrayBuffer允许在主线程和Web Worker之间共享一块内存区域，而无需进行数据复制。

使用SharedArrayBuffer的步骤：

  1. 创建SharedArrayBuffer：

    在主线程中，创建一个SharedArrayBuffer对象，指定大小。

    const buffer = new SharedArrayBuffer(1024 * 1024); // 1MB

  2. 创建TypedArray：

    基于SharedArrayBuffer对象，创建TypedArray对象，例如Uint8Array、Float32Array等，用于读写数据。

    const array = new Float32Array(buffer);

  3. 将SharedArrayBuffer传递给Web Worker：

    使用postMessage()方法将SharedArrayBuffer对象传递给Web Worker。

    const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage({ buffer: buffer });

  4. 在Web Worker中读写SharedArrayBuffer：

    在Web Worker中，通过message事件监听器接收主线程传递过来的SharedArrayBuffer对象，并创建相应的TypedArray对象，然后就可以读写共享内存了。

    // worker.js
self.onmessage = function(event) {
  const buffer = event.data.buffer;
  const array = new Float32Array(buffer);

  // 读写共享内存
  array[0] = 123.456;
  console.log(array[0]); // 输出：123.456
};

SharedArrayBuffer与OffscreenCanvas的结合

你可以使用SharedArrayBuffer来存储像素数据，然后让Web Worker直接操作这些像素数据，最后将SharedArrayBuffer传递给OffscreenCanvas，从而实现高性能的渲染。

示例代码（简化版）：

主线程：

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

const width = canvas.width;
const height = canvas.height;

const buffer = new SharedArrayBuffer(width * height * 4); // RGBA
const imageData = new Uint8ClampedArray(buffer);

const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage({ canvas: offscreenCanvas, buffer: buffer, width: width, height: height }, [buffer]);

worker.onmessage = function(event) {
  const bitmap = offscreenCanvas.transferToImageBitmap();
  canvas.getContext('2d').drawImage(bitmap, 0, 0);
  bitmap.close();
};

Web Worker：

self.onmessage = function(event) {
  const canvas = event.data.canvas;
  const width = event.data.width;
  const height = event.data.height;
  const buffer = event.data.buffer;
  const imageData = new Uint8ClampedArray(buffer);

  function render() {
    // 修改imageData中的像素数据 (示例：设置为红色)
    for (let i = 0; i < imageData.length; i += 4) {
      imageData[i] = 255;     // Red
      imageData[i + 1] = 0;   // Green
      imageData[i + 2] = 0;   // Blue
      imageData[i + 3] = 255;  // Alpha
    }

    // 将imageData绘制到OffscreenCanvas (模拟 putImageData)
    const ctx = canvas.getContext('2d');
    const imgData = new ImageData(imageData, width, height);
    ctx.putImageData(imgData, 0, 0);

    const bitmap = canvas.transferToImageBitmap();
    self.postMessage({ bitmap: bitmap }, [bitmap]);
    requestAnimationFrame(render);
  }
  render();
};

表格总结：OffscreenCanvas vs. 传统Canvas

特性 OffscreenCanvas 传统Canvas
渲染线程 Web Worker (独立线程) 主线程
UI阻塞 不会阻塞UI 可能阻塞UI
性能 更高，尤其在复杂渲染场景中 较低，容易出现卡顿
适用场景 复杂、高性能的渲染需求，例如游戏、图表、动画等 简单的图形绘制，对性能要求不高的场景
使用复杂度 稍高，需要配合Web Worker使用 较低，直接在主线程中使用

一些最佳实践建议

  • 尽量减少主线程和Web Worker之间的数据传递。 使用transferable对象或SharedArrayBuffer可以避免数据复制，提高性能。
  • 合理划分渲染任务。 将复杂的渲染任务分解成多个小任务，并在Web Worker中并行执行，可以充分利用多核CPU的优势。
  • 使用requestAnimationFrame进行循环渲染。 requestAnimationFrame函数可以保证渲染的流畅性，并避免不必要的重绘。
  • 注意内存管理。 及时释放不再使用的资源，例如ImageBitmap对象，以避免内存泄漏。

总结：让你的渲染飞起来！

OffscreenCanvas和Web Worker的组合，就像给你的渲染引擎装上了涡轮增压，能够大幅提升网页的性能和用户体验。虽然使用起来稍微复杂一些，但绝对值得你花时间去学习和掌握。希望今天的讲座能帮助你更好地理解OffscreenCanvas，并在实际项目中灵活运用。

好了，今天的分享就到这里，谢谢大家！下次有机会再和大家聊聊其他的Web开发技巧！

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