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CSS `OffscreenCanvas` 与 `Paint Worklet` 结合：在 Web Worker 中执行复杂绘制

各位 Web 开发者们，大家好！我是你们今天的主讲人，很高兴能和大家一起探索 CSS OffscreenCanvas 与 Paint Worklet 结合的奇妙世界，以及如何在 Web Worker 中执行复杂的绘制任务。准备好了吗？让我们开始吧！

开场：为什么我们需要更强大的绘制能力？

在 Web 开发的早期，我们的页面还很简单，几个按钮、一些文字就足以满足需求。但随着互联网的发展，用户对视觉体验的要求越来越高，复杂的动画、精美的图表、炫酷的特效层出不穷。传统的 DOM 操作和 Canvas 绘制方式逐渐暴露出性能瓶颈。

想象一下，你正在开发一个在线绘图应用，用户可以自由地绘制各种图形，进行复杂的滤镜处理。如果所有的绘制逻辑都在主线程中执行，当用户进行复杂操作时，页面就会卡顿，用户体验直线下降。

这就是我们需要更强大的绘制能力的原因。我们需要一种能够将绘制任务从主线程中解放出来，充分利用多核 CPU 的能力，提供流畅、高性能的 Web 应用的方案。

什么是 OffscreenCanvas？

OffscreenCanvas 顾名思义，就是一个离屏的 Canvas。它与普通的 Canvas 最大的区别在于，它不需要插入到 DOM 树中，可以在 Web Worker 中使用。

OffscreenCanvas 的优势：

  • 异步绘制： 可以在 Web Worker 中进行绘制，避免阻塞主线程。
  • 高性能： 可以利用硬件加速进行渲染。
  • 更好的用户体验： 避免页面卡顿，提供流畅的交互体验。

如何创建 OffscreenCanvas：

有两种方式创建 OffscreenCanvas：

  1. 从现有的 Canvas 元素获取：

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

    这个方法会将 canvas 的控制权转移到 offscreenCanvas，原来的 canvas 元素将不再可用。
    转移完成后，需要将 offscreenCanvas 通过 postMessage 发送到 Web Worker 中。

  2. 直接创建：

    const offscreenCanvas = new OffscreenCanvas(width, height);

    这种方式直接创建一个新的 OffscreenCanvas 对象，不需要依赖 DOM 元素。可以直接在 Web Worker 中使用。

一个简单的 OffscreenCanvas 例子：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>OffscreenCanvas Example</title>
</head>
<body>
  <canvas id="myCanvas" width="500" height="300"></canvas>
  <script>
    const canvas = document.getElementById('myCanvas');
    const ctx = canvas.getContext('2d');

    // 绘制一些东西到 Canvas (主线程)
    ctx.fillStyle = 'red';
    ctx.fillRect(10, 10, 50, 50);

    // 创建 Web Worker
    const worker = new Worker('worker.js');

    // 将 Canvas 的控制权转移到 OffscreenCanvas
    const offscreenCanvas = canvas.transferControlToOffscreen();

    // 将 OffscreenCanvas 发送到 Web Worker
    worker.postMessage({ type: 'init', canvas: offscreenCanvas }, [offscreenCanvas]);

    // 监听来自 Web Worker 的消息
    worker.onmessage = function(event) {
      if (event.data.type === 'renderComplete') {
        console.log('Rendering complete in worker!');
      }
    };
  </script>
</body>
</html>

对应的 worker.js 文件：

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

    // 在 OffscreenCanvas 上绘制一些东西 (Web Worker)
    ctx.fillStyle = 'blue';
    ctx.fillRect(70, 70, 50, 50);

    // 发送消息到主线程，表示渲染完成
    self.postMessage({ type: 'renderComplete' });
  }
};

在这个例子中，我们在主线程中创建了一个 Canvas 元素，并将其控制权转移到 OffscreenCanvas。然后，我们将 OffscreenCanvas 发送到 Web Worker 中，在 Web Worker 中进行绘制。这样，绘制任务就不会阻塞主线程，提高了页面的响应速度。

什么是 Paint Worklet？

Paint Worklet 是一种允许你使用 JavaScript 定义自定义 CSS 绘制逻辑的 API。你可以把它看作是一个微型的 Web Worker，专门用于绘制 CSS 背景、边框等。

Paint Worklet 的优势：

  • 高性能： 使用硬件加速进行渲染。
  • 可复用： 可以将自定义绘制逻辑封装成独立的模块，在不同的 CSS 属性中使用。
  • 灵活： 可以使用 JavaScript 编写复杂的绘制逻辑，实现各种炫酷的视觉效果。

如何注册 Paint Worklet：

CSS.paintWorklet.addModule('my-paint-worklet.js');

这个方法会将 my-paint-worklet.js 文件注册为一个 Paint Worklet 模块。

Paint Worklet 的基本结构：

// my-paint-worklet.js
registerPaint('my-painter', class {
  static get inputProperties() { return ['--my-color']; }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const color = properties.get('--my-color').toString();
    ctx.fillStyle = color;
    ctx.fillRect(0, 0, geom.width, geom.height);
  }
});
  • registerPaint 函数用于注册一个 Paint Worklet 类。
  • inputProperties 属性用于声明 Paint Worklet 需要接收的 CSS 属性。
  • paint 方法是 Paint Worklet 的核心，用于执行绘制逻辑。

在 CSS 中使用 Paint Worklet：

.my-element {
  background-image: paint(my-painter);
  --my-color: red;
}

在这个例子中，我们将 my-painter Paint Worklet 应用于 .my-element 的 background-image 属性。通过 --my-color 属性，我们可以动态地控制 Paint Worklet 的绘制效果。

一个简单的 Paint Worklet 例子：

// gradient-painter.js
registerPaint('gradient-painter', class {
  static get inputProperties() {
    return [
      '--gradient-color-1',
      '--gradient-color-2',
      '--gradient-angle'
    ];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const color1 = properties.get('--gradient-color-1').toString();
    const color2 = properties.get('--gradient-color-2').toString();
    const angle = parseFloat(properties.get('--gradient-angle').toString()) || 0;

    const gradient = ctx.createLinearGradient(0, 0, geom.width * Math.cos(angle * Math.PI / 180), geom.height * Math.sin(angle * Math.PI / 180));
    gradient.addColorStop(0, color1);
    gradient.addColorStop(1, color2);

    ctx.fillStyle = gradient;
    ctx.fillRect(0, 0, geom.width, geom.height);
  }
});
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Paint Worklet Example</title>
  <style>
    .gradient-box {
      width: 200px;
      height: 100px;
      background-image: paint(gradient-painter);
      --gradient-color-1: red;
      --gradient-color-2: blue;
      --gradient-angle: 45;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div class="gradient-box"></div>
  <script>
    CSS.paintWorklet.addModule('gradient-painter.js');
  </script>
</body>
</html>

在这个例子中，我们创建了一个 gradient-painter Paint Worklet，用于绘制渐变背景。我们可以通过 CSS 属性 --gradient-color-1、--gradient-color-2 和 --gradient-angle 来控制渐变的颜色和角度。

OffscreenCanvas + Paint Worklet + Web Worker：终极解决方案

现在，让我们将 OffscreenCanvas、Paint Worklet 和 Web Worker 结合起来，构建一个终极的绘制解决方案。

工作流程：

  1. 在主线程中创建一个 Canvas 元素。
  2. 将 Canvas 元素的控制权转移到 OffscreenCanvas。
  3. 将 OffscreenCanvas 发送到 Web Worker 中。
  4. 在 Web Worker 中注册 Paint Worklet 模块。
  5. 在 Web Worker 中使用 Paint Worklet 在 OffscreenCanvas 上进行绘制。
  6. 将绘制结果发送回主线程，显示在 Canvas 元素上（如果需要）。

代码示例：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>OffscreenCanvas + Paint Worklet + Web Worker Example</title>
  <style>
    #myCanvas {
      width: 500px;
      height: 300px;
      border: 1px solid black;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <canvas id="myCanvas"></canvas>
  <script>
    const canvas = document.getElementById('myCanvas');
    const offscreenCanvas = canvas.transferControlToOffscreen();
    const worker = new Worker('worker.js');

    worker.postMessage({ type: 'init', canvas: offscreenCanvas }, [offscreenCanvas]);

    worker.onmessage = (event) => {
      if (event.data.type === 'renderComplete') {
        console.log('Render complete!');
      }
      // 如果需要将绘制结果显示在主线程的 Canvas 上，
      // 需要将 OffscreenCanvas 的数据传输回主线程，并绘制到 Canvas 上。
      // 这部分代码取决于具体的应用场景，这里省略。
    };
  </script>
</body>
</html>

对应的 worker.js 文件：

self.onmessage = async (event) => {
  if (event.data.type === 'init') {
    const canvas = event.data.canvas;
    const ctx = canvas.getContext('2d');

    // 注册 Paint Worklet 模块
    try {
      await CSS.paintWorklet.addModule('paint-worklet.js');
      console.log('Paint Worklet module loaded successfully.');
    } catch (error) {
      console.error('Failed to load Paint Worklet module:', error);
    }

    // 使用 Paint Worklet 进行绘制
    const paintWorkletName = 'my-complex-painter';

    // 创建一个临时的 div 元素，用于应用 Paint Worklet
    const div = document.createElement('div');
    div.style.width = canvas.width + 'px';
    div.style.height = canvas.height + 'px';
    div.style.backgroundImage = `paint(${paintWorkletName})`;
    div.style.setProperty('--complex-data', JSON.stringify({ message: 'Hello from worker!' }));

    // 模拟 CSS 解析的过程（这部分可能需要根据实际情况调整）
    const style = div.style;

    // 获取 Paint Worklet 的输入属性值
    const complexData = JSON.parse(style.getPropertyValue('--complex-data'));

    // 手动调用 Paint Worklet 的 paint 方法
    const geom = { width: canvas.width, height: canvas.height };
    const properties = {
      get: (propertyName) => {
        if (propertyName === '--complex-data') {
          return { toString: () => JSON.stringify(complexData) };
        }
        return { toString: () => '' }; // 其他属性返回空字符串
      },
    };

    // 实例化 Paint Worklet 类
    const painter = new self.paintWorklet.get(paintWorkletName)();
    painter.paint(ctx, geom, properties);

    self.postMessage({ type: 'renderComplete' });
  }
};

对应的 paint-worklet.js 文件：

registerPaint('my-complex-painter', class {
  static get inputProperties() {
    return ['--complex-data'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const data = JSON.parse(properties.get('--complex-data').toString());
    const message = data.message;

    ctx.fillStyle = 'green';
    ctx.font = '30px Arial';
    ctx.fillText(message, 50, 50);

    //绘制一个复杂的图形
    ctx.beginPath();
    ctx.moveTo(100, 100);
    ctx.lineTo(200, 150);
    ctx.lineTo(300, 100);
    ctx.lineTo(250, 200);
    ctx.lineTo(150, 200);
    ctx.closePath();
    ctx.fillStyle = 'rgba(255, 0, 0, 0.5)';
    ctx.fill();
  }
});

在这个例子中，我们在 Web Worker 中注册了一个 my-complex-painter Paint Worklet，并使用它在 OffscreenCanvas 上绘制了一个包含文字和复杂图形的图像。

注意事项：

  • Paint Worklet 模块需要在 Web Worker 中注册，不能在主线程中注册。
  • Paint Worklet 的 paint 方法接收的 ctx 对象是 OffscreenCanvas 的 2D 渲染上下文。
  • 由于 Paint Worklet 在 Web Worker 中运行，因此不能直接访问 DOM 元素。如果需要访问 DOM 元素，需要通过 postMessage 将数据传递到 Web Worker 中。
  • 为了在Web Worker中使用Paint Worklet，需要手动模拟CSS解析的过程，创建一个临时的div元素，应用Paint Worklet，并从中提取属性值。这个过程可能比较复杂，需要根据实际情况进行调整。

性能优化技巧

  • 减少主线程和 Web Worker 之间的数据传输： 数据传输会消耗大量的性能。尽量减少需要传输的数据量，可以使用 ArrayBuffer 等高效的数据结构。
  • 使用 WebAssembly： 如果绘制逻辑非常复杂，可以考虑使用 WebAssembly 来提高性能。WebAssembly 是一种高性能的二进制指令格式，可以编译 C/C++ 等语言的代码，并在 Web 浏览器中运行。
  • 优化 Paint Worklet 的绘制逻辑： 避免在 Paint Worklet 中进行复杂的计算，尽量使用硬件加速进行渲染。
  • 使用合适的 Canvas 渲染上下文： 根据绘制的需求选择合适的 Canvas 渲染上下文。例如，如果只需要绘制简单的 2D 图形，可以使用 2D 渲染上下文。如果需要进行复杂的 3D 渲染，可以使用 WebGL 渲染上下文。

总结

OffscreenCanvas、Paint Worklet 和 Web Worker 的结合，为我们提供了一种强大的 Web 绘制解决方案。通过将绘制任务从主线程中解放出来，我们可以构建更加流畅、高性能的 Web 应用。

希望今天的讲座能够帮助大家更好地理解和应用这些技术。谢谢大家！

附录：常见问题解答

问题 回答
OffscreenCanvas 和普通 Canvas 有什么区别？ OffscreenCanvas 不需要插入到 DOM 树中，可以在 Web Worker 中使用。普通 Canvas 必须插入到 DOM 树中，只能在主线程中使用。
Paint Worklet 可以在主线程中使用吗？ 不可以。Paint Worklet 必须在 Web Worker 中注册和使用。
如何调试 Web Worker 中的代码？ 可以使用浏览器的开发者工具进行调试。在 Chrome 中，可以在 "Sources" 面板中找到 Web Worker 的代码，并设置断点进行调试。
如何将绘制结果显示在主线程的 Canvas 上？ 需要将 OffscreenCanvas 的数据传输回主线程，并使用 drawImage 方法将数据绘制到主线程的 Canvas 上。这部分代码取决于具体的应用场景。
Paint Worklet 中如何访问 DOM 元素？ 由于 Paint Worklet 在 Web Worker 中运行，因此不能直接访问 DOM 元素。如果需要访问 DOM 元素，需要通过 postMessage 将数据传递到 Web Worker 中。
如何处理 Paint Worklet 的错误？ 可以使用 try...catch 语句捕获 Paint Worklet 中的错误，并通过 postMessage 将错误信息发送回主线程。
为什么我的 Paint Worklet 没有生效？ 确保 Paint Worklet 模块已成功注册。检查 CSS 属性是否正确设置。检查 Paint Worklet 代码是否存在错误。

希望这些常见问题解答能够帮助大家解决在使用 OffscreenCanvas、Paint Worklet 和 Web Worker 时遇到的问题。

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