CSS `Constraint-Based Layout` 与 `Constraint Programming` 在 CSS 中的未来

各位前端的伙伴们，早上好/下午好/晚上好！我是你们的老朋友，今天咱们来聊聊一个听起来高大上，但其实未来可能很接地气的CSS新方向：Constraint-Based Layout，以及它背后的理论基础 Constraint Programming。

啥是 Constraint-Based Layout？

简单来说，Constraint-Based Layout 就是一种让咱们不用死板地告诉浏览器元素应该放在哪里，而是告诉它元素之间应该满足什么样的关系的布局方式。就像你跟你爸妈说：“我要找个比我高，比我有钱，对我好的对象”，而不是说：“我要找隔壁老王家的儿子”。

这种布局方式的好处是：

自适应性强： 元素的位置不再是固定的，而是会根据约束条件自动调整，适应不同的屏幕尺寸和设备。
易于维护： 如果布局需要调整，只需要修改约束条件，而不需要修改大量的像素值。
更灵活： 可以表达一些传统的 CSS 布局难以表达的布局关系。

Constraint Programming：背后的男人

Constraint-Based Layout 的核心思想来自于 Constraint Programming（约束编程）。Constraint Programming 是一种声明式编程范式，它允许我们描述问题的约束条件，然后由求解器（Solver）自动找到满足这些约束的解。

你可以把 Constraint Programming 想象成一个超级聪明的数学家，你告诉它一堆方程组，它就能帮你解出所有未知数。

CSS 里的 Constraint-Based Layout：现在进行到哪一步了？

目前，CSS 中还没有原生的 Constraint-Based Layout 实现。但是，已经有一些提案和库在尝试将这种思想引入 CSS。

CSS Houdini API： Houdini API 允许开发者自定义 CSS 引擎的行为。我们可以使用 Houdini API 来实现自己的 Constraint-Based Layout 引擎。
LayoutNG： Chromium 正在开发的新的布局引擎，它采用了一种更高效的布局算法，为未来实现 Constraint-Based Layout 奠定了基础。
第三方库： 已经有一些 JavaScript 库提供了 Constraint-Based Layout 的功能，例如 Cassowary.js。

代码说话：用 Cassowary.js 实现简单的 Constraint-Based Layout

咱们先用一个简单的例子来感受一下 Constraint-Based Layout 的魅力。假设我们想要实现一个这样的布局：

一个按钮和一个文本框水平排列。
按钮和文本框之间有一个固定的间距。
文本框的宽度是按钮宽度的两倍。

用传统的 CSS，你可能需要这样写：

<div class="container">
  <button class="button">Button</button>
  <input type="text" class="text-box">
</div>

<style>
.container {
  display: flex;
  align-items: center;
}

.button {
  width: 100px; /* 假设按钮宽度是 100px */
}

.text-box {
  width: 200px; /* 文本框宽度是按钮宽度的两倍 */
  margin-left: 10px; /* 按钮和文本框之间的间距 */
}
</style>

如果按钮的宽度发生了变化，你还需要手动修改文本框的宽度。这很麻烦！

现在，让我们用 Cassowary.js 来实现同样的布局：

<div class="container">
  <button class="button">Button</button>
  <input type="text" class="text-box">
</div>

<style>
.container {
  position: relative; /*  使用绝对定位需要设置父容器为relative */
}

.button {
  position: absolute; /* 使用绝对定位 */
  left: 0;
  top: 0; /* 假设按钮和文本框在同一水平线上 */
}

.text-box {
  position: absolute; /* 使用绝对定位 */
  top: 0; /* 假设按钮和文本框在同一水平线上 */
}
</style>

<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/[email protected]/dist/cassowary.min.js"></script>
<script>
// 创建一个求解器
const solver = new c.SimplexSolver();

// 获取按钮和文本框的 DOM 元素
const button = document.querySelector('.button');
const textBox = document.querySelector('.text-box');

// 创建变量
const buttonWidth = new c.Variable({name: "buttonWidth"});
const textBoxWidth = new c.Variable({name: "textBoxWidth"});
const buttonLeft = new c.Variable({name: "buttonLeft"});
const textBoxLeft = new c.Variable({name: "textBoxLeft"});
const spacing = 10;

// 添加约束
solver.addConstraint(new c.Equation(textBoxWidth, buttonWidth.multiply(2))); // 文本框宽度是按钮宽度的两倍
solver.addConstraint(new c.Equation(textBoxLeft, buttonWidth.plus(spacing))); // 文本框的 left 是按钮的宽度加上间距
solver.addConstraint(new c.Equation(buttonLeft, 0)); // 按钮的 left 是 0

// 设置按钮宽度
buttonWidth.assignValue(100);

// 求解
solver.resolve();

// 应用结果
button.style.width = buttonWidth.value + 'px';
textBox.style.width = textBoxWidth.value + 'px';
button.style.left = buttonLeft.value + 'px';
textBox.style.left = textBoxLeft.value + 'px';

// 当按钮宽度变化时，重新求解
button.addEventListener('click', () => {
  buttonWidth.assignValue(buttonWidth.value + 20);
  solver.resolve();
  button.style.width = buttonWidth.value + 'px';
  textBox.style.width = textBoxWidth.value + 'px';
    textBox.style.left = textBoxLeft.value + 'px';
    button.style.left = buttonLeft.value + 'px';
});
</script>

在这个例子中，我们：

创建了一个 SimplexSolver 对象，它是 Cassowary.js 提供的求解器。
创建了一些变量，例如 buttonWidth、textBoxWidth，用来表示按钮和文本框的宽度。
添加了一些约束，例如 textBoxWidth = buttonWidth * 2，用来描述按钮和文本框之间的关系。
设置了按钮的初始宽度。
调用 solver.resolve() 方法来求解约束。
将求解结果应用到 DOM 元素上。

现在，无论按钮的宽度如何变化，文本框的宽度都会自动调整，始终保持是按钮宽度的两倍。

更复杂的例子：网格布局

Constraint-Based Layout 还可以用于实现更复杂的布局，例如网格布局。

<div class="grid-container">
  <div class="grid-item">Item 1</div>
  <div class="grid-item">Item 2</div>
  <div class="grid-item">Item 3</div>
  <div class="grid-item">Item 4</div>
</div>

<style>
.grid-container {
  position: relative;
  width: 400px; /* 设置容器宽度 */
  height: 300px; /* 设置容器高度 */
}

.grid-item {
  position: absolute; /* 使用绝对定位 */
  width: 0; /* 初始宽度为 0，稍后由约束确定 */
  height: 0; /* 初始高度为 0，稍后由约束确定 */
  background-color: #eee;
  border: 1px solid #ccc;
  box-sizing: border-box; /* 确保边框不影响元素的总尺寸 */
}
</style>

<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/[email protected]/dist/cassowary.min.js"></script>
<script>
const container = document.querySelector('.grid-container');
const items = document.querySelectorAll('.grid-item');
const solver = new c.SimplexSolver();

const containerWidth = container.offsetWidth;
const containerHeight = container.offsetHeight;

const numCols = 2;
const numRows = 2;

const itemWidth = new c.Variable({name: "itemWidth"});
const itemHeight = new c.Variable({name: "itemHeight"});

// 约束：itemWidth = containerWidth / numCols
solver.addConstraint(new c.Equation(itemWidth, containerWidth / numCols));
// 约束：itemHeight = containerHeight / numRows
solver.addConstraint(new c.Equation(itemHeight, containerHeight / numRows));

// 求解
solver.resolve();

// 循环处理每个 grid-item
items.forEach((item, index) => {
  const row = Math.floor(index / numCols);
  const col = index % numCols;

  // 创建变量表示 item 的 left 和 top
  const itemLeft = new c.Variable({name: `itemLeft_${index}`});
  const itemTop = new c.Variable({name: `itemTop_${index}`});

  // 约束：itemLeft = col * itemWidth
  solver.addConstraint(new c.Equation(itemLeft, col * itemWidth));
  // 约束：itemTop = row * itemHeight
  solver.addConstraint(new c.Equation(itemTop, row * itemHeight));

  // 求解 (虽然 itemWidth 和 itemHeight 已经解出，但每次循环都需要更新位置)
  solver.resolve();

  // 应用样式
  item.style.width = itemWidth.value + 'px';
  item.style.height = itemHeight.value + 'px';
  item.style.left = itemLeft.value + 'px';
  item.style.top = itemTop.value + 'px';
});
</script>

在这个例子中，我们：

定义了一个 2×2 的网格。
创建了 itemWidth 和 itemHeight 变量，表示网格项的宽度和高度。
添加了约束，使得 itemWidth 等于容器宽度除以列数，itemHeight 等于容器高度除以行数。
循环处理每个网格项，并根据其行和列计算出其 left 和 top 值。

这样，我们就实现了一个简单的网格布局。无论容器的尺寸如何变化，网格项都会自动调整，保持网格的结构。

Constraint-Based Layout 的优势和劣势

优势：

灵活性： 能够表达复杂的布局关系，例如比例关系、对齐关系、间距关系等。
自适应性： 能够自动适应不同的屏幕尺寸和设备。
可维护性： 布局逻辑集中在约束条件中，易于修改和维护。
声明式： 只需要描述布局的约束条件，而不需要关心具体的布局算法。

劣势：

性能： 求解约束可能需要消耗大量的计算资源，尤其是在复杂的布局中。
复杂性： 学习和使用 Constraint Programming 需要一定的数学基础。
工具支持： 目前 CSS 中还没有原生的 Constraint-Based Layout 实现，需要借助第三方库或 Houdini API。

特性	Constraint-Based Layout	传统 CSS 布局 (Flexbox/Grid)
灵活性	非常高	中等
自适应性	非常好	较好
可维护性	高	中等
声明式	是	否
性能	可能较差	较好
复杂性	较高	较低
工具支持	有限	良好

Constraint-Based Layout 的未来展望

虽然 Constraint-Based Layout 目前还处于起步阶段，但它具有巨大的潜力。随着 CSS Houdini API 的成熟和 LayoutNG 的发展，我们有理由相信，Constraint-Based Layout 将会在未来的 CSS 中扮演越来越重要的角色。

可能的应用场景：

仪表盘布局： 仪表盘通常需要展示各种数据，并且需要根据屏幕尺寸自动调整布局。Constraint-Based Layout 可以很好地解决这个问题。
游戏界面： 游戏界面通常需要高度的灵活性和自适应性。Constraint-Based Layout 可以用于创建动态的游戏界面。
自适应表单： 表单的布局通常比较复杂，需要根据不同的输入类型和屏幕尺寸进行调整。Constraint-Based Layout 可以用于创建自适应的表单。
复杂组件布局： 一些复杂的组件，例如日历、图表等，需要高度的灵活性和自适应性。Constraint-Based Layout 可以用于创建这些复杂的组件。

学习 Constraint-Based Layout 的建议

如果你对 Constraint-Based Layout 感兴趣，可以从以下几个方面入手：

学习 Constraint Programming 的基本概念： 了解约束、变量、求解器等基本概念。
学习 CSS Houdini API： 了解 Houdini API 的基本用法，以及如何使用 Houdini API 来实现自定义的 CSS 引擎。
尝试使用第三方库： 熟悉 Cassowary.js 等第三方库的使用方法。
关注 CSS 标准的最新进展： 关注 CSS 标准中关于 Constraint-Based Layout 的提案。

一些有用的资源：

Cassowary.js： https://github.com/slightlyoff/cassowary.js
CSS Houdini API： https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/CSS_Houdini_APIs
LayoutNG： https://chromium.googlesource.com/chromium/src/+/main/third_party/blink/renderer/core/layout/ng/

总结

Constraint-Based Layout 是一种非常有潜力的 CSS 布局方式。虽然它目前还处于发展阶段，但随着技术的进步，它将会成为未来 CSS 布局的重要组成部分。

希望今天的讲座能帮助大家对 Constraint-Based Layout 有一个初步的了解。谢谢大家！

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