研究 CSS transform-style: preserve-3d 的堆叠计算逻辑 - 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 Transform-Style: preserve-3d 的堆叠上下文与渲染机制

大家好！今天我们来深入探讨 CSS 中一个非常有趣且重要的属性：transform-style: preserve-3d。它对于创建复杂的 3D 场景至关重要，但其背后的堆叠上下文与渲染逻辑常常让人感到困惑。本次讲座将通过代码示例和逐步分析，揭示 preserve-3d 的工作原理，以及它如何影响元素的堆叠和渲染。

1. 堆叠上下文 (Stacking Context) 的回顾

在理解 preserve-3d 之前，我们需要先回顾一下堆叠上下文的概念。堆叠上下文决定了元素在 z 轴上的绘制顺序。每个堆叠上下文都像一个独立的图层，其中的元素按照一定的规则进行排序。

创建堆叠上下文的方式有很多，包括：

根元素 (HTML)
position: absolute 或 position: relative 且 z-index 值不为 auto 的元素
position: fixed 或 position: sticky 的元素
opacity 值小于 1 的元素
transform 值不为 none 的元素
filter 值不为 none 的元素
isolation: isolate 的元素
will-change 属性指定了任意需要创建堆叠上下文的属性
contain: layout、contain: paint 或 contain: strict 的元素

在一个堆叠上下文中，元素的堆叠顺序遵循以下规则（从后往前）：

堆叠上下文的背景和边框
position: static 的块级元素（不包含浮动元素）
position: relative 且 z-index: auto 的元素
浮动元素
position: relative 且 z-index: auto 的元素（与第3点重复，但这里强调的是对于非根堆叠上下文）
position: absolute、position: fixed 或 position: sticky 且 z-index 值不为 auto 的元素，以及 z-index 值不为 auto 的后代元素。这些元素按照 z-index 值从小到大排序。如果 z-index 值相同，则按照在 HTML 源码中出现的顺序排序。

2. transform-style 属性及其取值

transform-style 属性定义了元素的子元素是否在其自身的 3D 空间中渲染。它有两个取值：

flat (默认值): 子元素被扁平化到 2D 平面中，所有 3D 变换都失效。
preserve-3d: 子元素保持其 3D 变换，并在 3D 空间中渲染。

3. preserve-3d 如何影响堆叠上下文

当一个元素设置了 transform-style: preserve-3d 时，它会创建一个特殊的堆叠上下文，我们称之为 3D 转换上下文 (3D Transform Context)。与普通的堆叠上下文不同，3D 转换上下文会影响子元素在 3D 空间中的位置和渲染。

关键点：

继承性： transform-style 属性是可继承的。这意味着，如果一个父元素设置了 transform-style: preserve-3d，那么它的子元素默认也会继承这个属性，并保持 3D 变换。
扁平化： 如果一个子元素明确设置了 transform-style: flat，那么它将忽略父元素的 preserve-3d 设置，并被扁平化到 2D 平面。
Z-index 的影响： 在 preserve-3d 的上下文中，z-index 的行为与普通堆叠上下文略有不同。z-index 仍然控制着元素在所属堆叠上下文中的堆叠顺序，但它不再能够将元素“拉出”父元素的 3D 空间。换句话说，z-index 只能影响同一 3D 空间内的元素之间的堆叠顺序。

4. 代码示例与分析

让我们通过一些代码示例来更清晰地理解 preserve-3d 的作用。

示例 1: 基本的 3D 旋转

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Transform-Style: preserve-3d Example</title>
<style>
.container {
  width: 200px;
  height: 200px;
  border: 1px solid black;
  margin: 50px;
  position: relative;
}

.cube {
  width: 100px;
  height: 100px;
  position: absolute;
  top: 50px;
  left: 50px;
  transform-style: preserve-3d; /* 关键属性 */
  transform: rotateX(45deg) rotateY(45deg);
}

.face {
  width: 100px;
  height: 100px;
  position: absolute;
  backface-visibility: hidden; /* 防止背面可见 */
}

.face:nth-child(1) { background-color: red; transform: translateZ(50px); }
.face:nth-child(2) { background-color: green; transform: rotateY(90deg) translateZ(50px); }
.face:nth-child(3) { background-color: blue; transform: rotateY(180deg) translateZ(50px); }
.face:nth-child(4) { background-color: yellow; transform: rotateY(270deg) translateZ(50px); }
.face:nth-child(5) { background-color: orange; transform: rotateX(90deg) translateZ(50px); }
.face:nth-child(6) { background-color: purple; transform: rotateX(-90deg) translateZ(50px); }
</style>
</head>
<body>
  <div class="container">
    <div class="cube">
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
    </div>
  </div>
</body>
</html>

在这个例子中，.cube 元素设置了 transform-style: preserve-3d。这意味着它的子元素 .face 会保持各自的 3D 变换，从而形成一个 3D 立方体。如果我们移除 transform-style: preserve-3d，那么所有 .face 元素会被扁平化到 .cube 元素的 2D 平面，最终只会看到一个重叠在一起的矩形。

示例 2: flat 的作用

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Transform-Style: flat Example</title>
<style>
.container {
  width: 200px;
  height: 200px;
  border: 1px solid black;
  margin: 50px;
  position: relative;
}

.cube {
  width: 100px;
  height: 100px;
  position: absolute;
  top: 50px;
  left: 50px;
  transform-style: preserve-3d;
  transform: rotateX(45deg) rotateY(45deg);
}

.face {
  width: 100px;
  height: 100px;
  position: absolute;
  backface-visibility: hidden;
}

.face:nth-child(1) { background-color: red; transform: translateZ(50px); }
.face:nth-child(2) { background-color: green; transform: rotateY(90deg) translateZ(50px); }
.face:nth-child(3) { background-color: blue; transform: rotateY(180deg) translateZ(50px); }
.face:nth-child(4) { background-color: yellow; transform: rotateY(270deg) translateZ(50px); }
.face:nth-child(5) { background-color: orange; transform: rotateX(90deg) translateZ(50px); }
.face:nth-child(6) { background-color: purple; transform: rotateX(-90deg) translateZ(50px); }

/* 将第一个 face 扁平化 */
.face:nth-child(1) {
  transform-style: flat;
}
</style>
</head>
<body>
  <div class="container">
    <div class="cube">
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
      <div class="face"></div>
    </div>
  </div>
</body>
</html>

在这个例子中，我们为第一个 .face 元素设置了 transform-style: flat。尽管 .cube 元素设置了 preserve-3d，但第一个 .face 元素仍然会被扁平化到 .cube 的 2D 平面，不会参与 3D 变换。

示例 3: z-index 的影响

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Transform-Style and Z-index Example</title>
<style>
.container {
  width: 300px;
  height: 300px;
  border: 1px solid black;
  margin: 50px;
  position: relative;
  transform-style: preserve-3d;
  perspective: 500px; /* 创建 3D 透视效果 */
}

.box1 {
  width: 150px;
  height: 150px;
  background-color: red;
  position: absolute;
  top: 50px;
  left: 50px;
  transform: translateZ(50px);
  z-index: 2;
}

.box2 {
  width: 150px;
  height: 150px;
  background-color: blue;
  position: absolute;
  top: 75px;
  left: 75px;
  transform: translateZ(25px);
  z-index: 1;
}

.box3 {
    width: 150px;
    height: 150px;
    background-color: green;
    position: absolute;
    top: 100px;
    left: 100px;
    transform: translateZ(75px);
    z-index: 3;
}
</style>
</head>
<body>
  <div class="container">
    <div class="box1">Box 1</div>
    <div class="box2">Box 2</div>
    <div class="box3">Box 3</div>
  </div>
</body>
</html>

在这个例子中，.container 设置了 transform-style: preserve-3d 和 perspective（用于创建 3D 透视效果）。.box1、.box2、.box3 都进行了 translateZ 变换，将其放置在不同的 Z 轴位置。

注意，虽然.box2 的 z-index 小于 .box1，但由于 .box2 的 translateZ 值较小，它实际上会显示在 .box1 之前。这是因为 z-index 只控制了它们在 .container 的 3D 空间中的堆叠顺序，而真正的渲染顺序受到 translateZ 的影响。.box3的z-index最大，且translateZ也最大，所以会显示在最前方。

如果我们在.container 元素上移除 transform-style: preserve-3d，所有的盒子都会被扁平化到一个二维平面上，此时 z-index 属性会起作用，box3会显示在最上层。

5. 3D 转换上下文的渲染流程

为了更深入地理解 preserve-3d，我们来分析一下 3D 转换上下文的渲染流程。

变换矩阵计算： 浏览器首先会计算每个元素的变换矩阵。这个矩阵描述了元素在 3D 空间中的位置、旋转和缩放。对于设置了 preserve-3d 的元素，其子元素的变换矩阵会相对于父元素的变换矩阵进行计算。
透视投影： 如果父元素设置了 perspective 属性，浏览器会对整个 3D 场景进行透视投影。透视投影会模拟人眼的视觉效果，使得远处的物体看起来更小。
背面剔除 (Backface Culling): 浏览器会剔除朝向观察者背面的元素。这是通过 backface-visibility: hidden 属性来实现的，可以提高渲染性能。
Z-buffering: 浏览器使用 Z-buffering 算法来确定每个像素应该显示哪个元素。Z-buffer 是一个深度缓冲区，用于存储每个像素的深度值。当渲染一个新的像素时，浏览器会将它的深度值与 Z-buffer 中对应位置的深度值进行比较。如果新的像素更靠近观察者，那么它会覆盖 Z-buffer 中的深度值，并显示出来。
光栅化 (Rasterization): 最后，浏览器会将 3D 场景光栅化成 2D 图像，并显示在屏幕上。

6. perspective 属性的重要性

perspective 属性定义了观察者与 z=0 平面之间的距离，从而创建 3D 透视效果。它必须应用在设置了 transform-style: preserve-3d 的元素的父元素上，才能生效。

如果没有 perspective 属性，3D 场景会看起来非常扁平，缺乏深度感。

例如，在上面的示例 3 中，如果移除 .container 上的 perspective: 500px，那么三个盒子会看起来像重叠在一起的矩形，而不是在 3D 空间中具有不同深度的立方体。

7. backface-visibility 属性的作用

backface-visibility 属性指定当元素背面朝向观察者时是否可见。它可以取以下值：

visible (默认值): 元素背面可见。
hidden: 元素背面不可见。

在创建 3D 场景时，通常会将 backface-visibility 设置为 hidden，以防止背面可见，从而提高渲染性能，并避免出现视觉上的混乱。

8. 实际应用场景

transform-style: preserve-3d 在实际 Web 开发中有很多应用场景，包括：

3D 导航菜单： 可以创建具有 3D 旋转效果的导航菜单。
3D 产品展示： 可以展示产品的 3D 模型，让用户可以从不同的角度查看产品。
3D 游戏： 可以使用 CSS 创建简单的 3D 游戏。
3D 数据可视化： 可以将数据以 3D 图表的形式展示出来。
3D 动画： 可以创建复杂的 3D 动画效果。

9. 性能考量

虽然 transform-style: preserve-3d 可以创建令人惊艳的 3D 效果，但它也会带来一定的性能开销。浏览器需要进行大量的矩阵计算和渲染操作，这可能会导致页面卡顿。

为了优化性能，可以采取以下措施：

减少使用 preserve-3d 的元素数量： 尽量只在必要的元素上使用 preserve-3d。
使用 backface-visibility: hidden： 隐藏背面可以减少渲染量。
简化 3D 场景： 减少 3D 场景中的元素数量和复杂度。
使用硬件加速： 确保浏览器启用了硬件加速。

10. 兼容性

transform-style 属性具有良好的浏览器兼容性。现代浏览器都支持 transform-style: preserve-3d。

总结一下关键点

transform-style: preserve-3d 使元素的子元素保持其 3D 变换。
preserve-3d 创建 3D 转换上下文，影响子元素的堆叠和渲染。
perspective 属性用于创建 3D 透视效果，需要应用于 preserve-3d 元素的父元素。
backface-visibility: hidden 可以提高渲染性能。

希望本次讲座能够帮助大家更好地理解 transform-style: preserve-3d 的工作原理。掌握这个属性，可以为 Web 应用带来更加丰富和生动的用户体验。感谢大家的参与！

CSS Transform-Style: preserve-3d 的堆叠上下文与渲染机制

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