Vue 3自定义渲染器与WebGL/Canvas集成：VNode到图形API调用的低级转换与批处理优化

Vue 3 自定义渲染器与 WebGL/Canvas 集成：VNode 到图形 API 调用的低级转换与批处理优化

大家好，今天我们来深入探讨 Vue 3 自定义渲染器的强大之处，以及如何利用它将 Vue 的声明式编程模型无缝地集成到 WebGL 和 Canvas 这类底层图形 API 中。我们将深入研究 VNode 到图形 API 调用的转换过程，并着重讨论如何通过批处理优化来提升渲染性能。

1. 理解 Vue 3 自定义渲染器

Vue 3 的自定义渲染器允许我们脱离默认的 DOM 渲染，将其应用到任何目标平台，例如：WebGL, Canvas, Native Mobile (通过 Weex 或 NativeScript) 等。 核心思想是：Vue 负责管理状态和组件逻辑，而渲染器负责将这些状态变化转化为目标平台的具体操作。

核心概念：

• RendererOptions： 一个包含特定平台操作方法的对象。这些方法定义了如何创建、更新、删除元素，设置属性，处理文本节点等。
• createRenderer()： Vue 提供的函数，接受 RendererOptions 作为参数，返回一个渲染器实例。
• render()： 渲染器实例的方法，接受一个 VNode 和一个容器（container）作为参数，将 VNode 渲染到容器中。

一个简单的 DOM 渲染器示例 (简化版):

const rendererOptions = {
  createElement: (type) => {
    console.log('创建元素: ', type)
    return document.createElement(type);
  },
  patchProp: (el, key, prevValue, nextValue) => {
    console.log('更新属性: ', el, key, prevValue, nextValue)
    el[key] = nextValue;
  },
  insert: (el, parent, anchor) => {
    console.log('插入元素: ', el, parent, anchor)
    parent.insertBefore(el, anchor);
  },
  remove: (el) => {
    console.log('移除元素: ', el)
    el.parentNode.removeChild(el);
  },
  createText: (text) => {
    console.log('创建文本节点: ', text)
    return document.createTextNode(text);
  },
  setText: (node, text) => {
    console.log('设置文本: ', node, text)
    node.nodeValue = text;
  },
  createComment: (text) => {
    console.log('创建注释节点: ', text)
    return document.createComment(text);
  },
};

const renderer = Vue.createRenderer(rendererOptions);

// 使用示例 (需要一个 Vue 应用实例)
// renderer.render(app.render(), document.body);

在这个例子中，我们定义了 createElement，patchProp，insert 等方法，它们直接调用了 DOM API。 自定义渲染器的关键就是替换这些方法，使其调用 WebGL 或 Canvas 的 API。

2. WebGL 渲染器：VNode 到图形 API 的转换

现在我们来实现一个简单的 WebGL 渲染器。 为了简化，我们只处理简单的矩形渲染。

2.1 初始化 WebGL 上下文：

const canvas = document.createElement('canvas');
canvas.width = 500;
canvas.height = 500;
document.body.appendChild(canvas);

const gl = canvas.getContext('webgl');

if (!gl) {
  console.error("WebGL not supported!");
}

// 顶点着色器
const vertexShaderSource = `
  attribute vec2 a_position;
  uniform vec2 u_resolution;

  void main() {
    // 将像素坐标转换为裁剪空间坐标
    vec2 clipSpace = a_position / u_resolution * 2.0 - 1.0;
    gl_Position = vec4(clipSpace * vec2(1, -1), 0, 1); // 翻转 Y 轴
  }
`;

// 片元着色器
const fragmentShaderSource = `
  precision mediump float;
  uniform vec4 u_color;

  void main() {
    gl_FragColor = u_color;
  }
`;

// 创建着色器程序
function createShader(gl, type, source) {
  const shader = gl.createShader(type);
  gl.shaderSource(shader, source);
  gl.compileShader(shader);
  if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
    console.error('着色器编译错误: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
    gl.deleteShader(shader);
    return null;
  }
  return shader;
}

const vertexShader = createShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vertexShaderSource);
const fragmentShader = createShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderSource);

const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);

if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
  console.error('着色器程序链接错误: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
  gl.deleteProgram(program);
  return null;
}

// 获取属性和 uniform 变量的位置
const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(program, "a_position");
const resolutionUniformLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_resolution");
const colorUniformLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_color");

// 创建缓冲区
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);

gl.useProgram(program);

gl.uniform2f(resolutionUniformLocation, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);

gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

// 渲染函数
function drawRectangle(x, y, width, height, color) {
  const x1 = x;
  const x2 = x + width;
  const y1 = y;
  const y2 = y + height;

  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array([
    x1, y1,
    x2, y1,
    x1, y2,
    x1, y2,
    x2, y1,
    x2, y2,
  ]), gl.STATIC_DRAW);

  gl.uniform4f(colorUniformLocation, color[0], color[1], color[2], color[3]);

  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);
}

// 清空画布
gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

这段代码完成了 WebGL 的初始化工作，包括创建着色器、程序、缓冲区，并定义了一个 drawRectangle 函数用于绘制矩形。

2.2 实现 Vue 渲染器选项：

const webGLRendererOptions = {
  createElement: (type) => {
    // 假设我们只处理 'rect' 类型的元素
    if (type === 'rect') {
      return {}; // 返回一个空对象作为元素实例
    }
    return null; // 不支持其他类型的元素
  },
  patchProp: (el, key, prevValue, nextValue) => {
    // 根据属性更新矩形
    el[key] = nextValue; // 保存属性值到 el 对象中
  },
  insert: (el, parent, anchor) => {
    //  这里我们不直接插入到父元素，而是收集所有矩形信息，在 render 完成后统一绘制
  },
  remove: (el) => {
     //  同 insert，我们不直接移除，而是更新数据并在下次 render 的时候不绘制
  },
  createText: () => {}, // 不支持文本节点
  setText: () => {}, // 不支持文本节点
  createComment: () => {}, // 不支持注释节点,
  nextSibling: () => {}, // 不支持兄弟节点
  parentNode: () => {}  // 不支持父节点
};

const webGLRenderer = Vue.createRenderer(webGLRendererOptions);

这个渲染器选项的关键在于 patchProp 方法，它将 VNode 的属性值保存到元素实例（这里是一个空对象）中。 insert 和 remove 方法在这里被简化，因为我们将在 render 函数中统一处理渲染逻辑。

2.3 修改 render 函数，进行实际的 WebGL 渲染：

为了让 Vue 渲染器真正发挥作用，我们需要覆盖 Vue 应用实例的 render 函数，并且在其中调用 drawRectangle 函数。

const app = Vue.createApp({
  data() {
    return {
      rects: [
        { x: 10, y: 10, width: 50, height: 50, color: [1, 0, 0, 1] }, // 红色
        { x: 100, y: 100, width: 80, height: 80, color: [0, 1, 0, 1] }, // 绿色
        { x: 200, y: 200, width: 30, height: 30, color: [0, 0, 1, 1] }  // 蓝色
      ]
    };
  },
  render() {
    return Vue.h('div', this.rects.map(rect => Vue.h('rect', rect)));
  }
});

// 覆盖 mount 方法
app.mount = (container) => {
  const vm = app._instance;
  webGLRenderer.render(vm.vnode, null);  // container 在 webgl 渲染器中无意义

  //  在这里进行统一的绘制
  gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

  vm.proxy.rects.forEach(rect => {
    drawRectangle(rect.x, rect.y, rect.width, rect.height, rect.color);
  });
};

app.mount('#app'); //  选择器在这里无意义

在这个例子中，我们定义了一个包含矩形数据的 rects 数组。 render 函数使用 Vue.h 函数创建 VNode，描述了三个矩形。 app.mount 方法被覆盖，它在 webGLRenderer.render 调用之后，遍历 rects 数组，并调用 drawRectangle 函数将矩形绘制到 WebGL 画布上。

代码示例：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Vue 3 WebGL Renderer</title>
  <script src="https://unpkg.com/vue@3/dist/vue.global.js"></script>
</head>
<body>
  <div id="app"></div>

  <script>
    // WebGL 初始化代码 (同上)
    const canvas = document.createElement('canvas');
    canvas.width = 500;
    canvas.height = 500;
    document.body.appendChild(canvas);

    const gl = canvas.getContext('webgl');

    if (!gl) {
      console.error("WebGL not supported!");
    }

    // 顶点着色器
    const vertexShaderSource = `
      attribute vec2 a_position;
      uniform vec2 u_resolution;

      void main() {
        // 将像素坐标转换为裁剪空间坐标
        vec2 clipSpace = a_position / u_resolution * 2.0 - 1.0;
        gl_Position = vec4(clipSpace * vec2(1, -1), 0, 1); // 翻转 Y 轴
      }
    `;

    // 片元着色器
    const fragmentShaderSource = `
      precision mediump float;
      uniform vec4 u_color;

      void main() {
        gl_FragColor = u_color;
      }
    `;

    // 创建着色器程序
    function createShader(gl, type, source) {
      const shader = gl.createShader(type);
      gl.shaderSource(shader, source);
      gl.compileShader(shader);
      if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
        console.error('着色器编译错误: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
        gl.deleteShader(shader);
        return null;
      }
      return shader;
    }

    const vertexShader = createShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vertexShaderSource);
    const fragmentShader = createShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderSource);

    const program = gl.createProgram();
    gl.attachShader(program, vertexShader);
    gl.attachShader(program, fragmentShader);
    gl.linkProgram(program);

    if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
      console.error('着色器程序链接错误: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
      gl.deleteProgram(program);
      return null;
    }

    // 获取属性和 uniform 变量的位置
    const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(program, "a_position");
    const resolutionUniformLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_resolution");
    const colorUniformLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_color");

    // 创建缓冲区
    const positionBuffer = gl.createBuffer();
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);

    gl.useProgram(program);

    gl.uniform2f(resolutionUniformLocation, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

    gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);

    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);

    gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

    // 渲染函数
    function drawRectangle(x, y, width, height, color) {
      const x1 = x;
      const x2 = x + width;
      const y1 = y;
      const y2 = y + height;

      gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array([
        x1, y1,
        x2, y1,
        x1, y2,
        x1, y2,
        x2, y1,
        x2, y2,
      ]), gl.STATIC_DRAW);

      gl.uniform4f(colorUniformLocation, color[0], color[1], color[2], color[3]);

      gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);
    }

    // 清空画布
    gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    // Vue 渲染器代码 (同上)
    const webGLRendererOptions = {
      createElement: (type) => {
        // 假设我们只处理 'rect' 类型的元素
        if (type === 'rect') {
          return {}; // 返回一个空对象作为元素实例
        }
        return null; // 不支持其他类型的元素
      },
      patchProp: (el, key, prevValue, nextValue) => {
        // 根据属性更新矩形
        el[key] = nextValue; // 保存属性值到 el 对象中
      },
      insert: (el, parent, anchor) => {
        //  这里我们不直接插入到父元素，而是收集所有矩形信息，在 render 完成后统一绘制
      },
      remove: (el) => {
        //  同 insert，我们不直接移除，而是更新数据并在下次 render 的时候不绘制
      },
      createText: () => {}, // 不支持文本节点
      setText: () => {}, // 不支持文本节点
      createComment: () => {}, // 不支持注释节点,
      nextSibling: () => {}, // 不支持兄弟节点
      parentNode: () => {}  // 不支持父节点
    };

    const webGLRenderer = Vue.createRenderer(webGLRendererOptions);

    const app = Vue.createApp({
      data() {
        return {
          rects: [
            { x: 10, y: 10, width: 50, height: 50, color: [1, 0, 0, 1] }, // 红色
            { x: 100, y: 100, width: 80, height: 80, color: [0, 1, 0, 1] }, // 绿色
            { x: 200, y: 200, width: 30, height: 30, color: [0, 0, 1, 1] }  // 蓝色
          ]
        };
      },
      render() {
        return Vue.h('div', this.rects.map(rect => Vue.h('rect', rect)));
      }
    });

    // 覆盖 mount 方法
    app.mount = (container) => {
      const vm = app._instance;
      webGLRenderer.render(vm.vnode, null);  // container 在 webgl 渲染器中无意义

      //  在这里进行统一的绘制
      gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
      gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

      vm.proxy.rects.forEach(rect => {
        drawRectangle(rect.x, rect.y, rect.width, rect.height, rect.color);
      });
    };

    app.mount('#app'); //  选择器在这里无意义
  </script>
</body>
</html>

这个例子展示了如何使用 Vue 3 自定义渲染器将简单的矩形渲染到 WebGL 画布上。 需要注意的是，这个例子非常简化，只处理了 rect 类型的元素，并且在 app.mount 方法中直接调用了 WebGL API。 在实际应用中，我们需要处理更复杂的场景，并对渲染过程进行优化。

3. Canvas 渲染器：VNode 到图形 API 的转换

Canvas 渲染器的实现方式与 WebGL 类似，只是使用的 API 不同。

3.1 初始化 Canvas 上下文：

const canvas = document.createElement('canvas');
canvas.width = 500;
canvas.height = 500;
document.body.appendChild(canvas);

const ctx = canvas.getContext('2d');

if (!ctx) {
  console.error("Canvas not supported!");
}

// 渲染函数
function drawRectangle(x, y, width, height, color) {
  ctx.fillStyle = `rgba(${color[0] * 255}, ${color[1] * 255}, ${color[2] * 255}, ${color[3]})`;
  ctx.fillRect(x, y, width, height);
}

// 清空画布
function clearCanvas() {
  ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
}

3.2 实现 Vue 渲染器选项：

const canvasRendererOptions = {
  createElement: (type) => {
    if (type === 'rect') {
      return {};
    }
    return null;
  },
  patchProp: (el, key, prevValue, nextValue) => {
    el[key] = nextValue;
  },
  insert: () => {},
  remove: () => {},
  createText: () => {},
  setText: () => {},
  createComment: () => {},
  nextSibling: () => {}, // 不支持兄弟节点
  parentNode: () => {}  // 不支持父节点
};

const canvasRenderer = Vue.createRenderer(canvasRendererOptions);

3.3 修改 render 函数，进行实际的 Canvas 渲染：

const app = Vue.createApp({
  data() {
    return {
      rects: [
        { x: 10, y: 10, width: 50, height: 50, color: [1, 0, 0, 1] }, // 红色
        { x: 100, y: 100, width: 80, height: 80, color: [0, 1, 0, 1] }, // 绿色
        { x: 200, y: 200, width: 30, height: 30, color: [0, 0, 1, 1] }  // 蓝色
      ]
    };
  },
  render() {
    return Vue.h('div', this.rects.map(rect => Vue.h('rect', rect)));
  }
});

app.mount = (container) => {
  const vm = app._instance;
  canvasRenderer.render(vm.vnode, null);

  clearCanvas();

  vm.proxy.rects.forEach(rect => {
    drawRectangle(rect.x, rect.y, rect.width, rect.height, rect.color);
  });
};

app.mount('#app');

Canvas 渲染器的代码结构与 WebGL 渲染器类似，只是使用了 Canvas 2D API 来绘制矩形。

4. 批处理优化：提升渲染性能

直接操作 WebGL 或 Canvas API 的代价很高，频繁的 API 调用会严重影响性能。 批处理优化通过将多个操作合并成一个操作来减少 API 调用次数，从而提升渲染性能。

4.1 WebGL 批处理：

在 WebGL 中，批处理通常涉及以下步骤：

1. 收集数据： 将所有需要渲染的对象的顶点数据、颜色数据等收集到数组中。
2. 创建缓冲区： 创建一个或多个缓冲区，用于存储收集到的数据。
3. 上传数据： 将数据从 JavaScript 数组上传到 WebGL 缓冲区。
4. 绘制： 使用 gl.drawArrays 或 gl.drawElements 函数一次性绘制所有对象。

// 修改 drawRectangle 函数，使其只收集数据
function collectRectangleData(x, y, width, height, color, vertices, colors) {
  const x1 = x;
  const x2 = x + width;
  const y1 = y;
  const y2 = y + height;

  // 添加顶点数据
  vertices.push(x1, y1);
  vertices.push(x2, y1);
  vertices.push(x1, y2);
  vertices.push(x1, y2);
  vertices.push(x2, y1);
  vertices.push(x2, y2);

  // 添加颜色数据 (假设每个顶点使用相同的颜色)
  for (let i = 0; i < 6; i++) {
    colors.push(color[0], color[1], color[2], color[3]);
  }
}

// 修改 mount 函数，实现批处理渲染
app.mount = (container) => {
  const vm = app._instance;
  webGLRenderer.render(vm.vnode, null);

  gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

  const vertices = [];
  const colors = [];

  vm.proxy.rects.forEach(rect => {
    collectRectangleData(rect.x, rect.y, rect.width, rect.height, rect.color, vertices, colors);
  });

  // 创建顶点缓冲区
  const vertexBuffer = gl.createBuffer();
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);

  // 创建颜色缓冲区 (如果需要)
  const colorBuffer = gl.createBuffer();
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(colors), gl.STATIC_DRAW);

  // 设置顶点属性指针
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
  gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

  // 设置颜色属性指针 (如果需要)

  // 绘制
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertices.length / 2);
};

这个例子展示了如何使用批处理来渲染多个矩形。 我们将所有矩形的顶点数据和颜色数据收集到 vertices 和 colors 数组中，然后将这些数据上传到 WebGL 缓冲区，并使用 gl.drawArrays 函数一次性绘制所有矩形。

4.2 Canvas 批处理：

Canvas 的批处理优化通常涉及以下步骤：

1. 收集操作： 将所有需要执行的 Canvas 操作收集到一个数组中。
2. 批量执行： 遍历操作数组，依次执行 Canvas 操作。

// 修改 drawRectangle 函数，使其只收集数据
function collectRectangleData(x, y, width, height, color, operations) {
  operations.push(() => {
    ctx.fillStyle = `rgba(${color[0] * 255}, ${color[1] * 255}, ${color[2] * 255}, ${color[3]})`;
    ctx.fillRect(x, y, width, height);
  });
}

// 修改 mount 函数，实现批处理渲染
app.mount = (container) => {
  const vm = app._instance;
  canvasRenderer.render(vm.vnode, null);

  clearCanvas();

  const operations = [];

  vm.proxy.rects.forEach(rect => {
    collectRectangleData(rect.x, rect.y, rect.width, rect.height, rect.color, operations);
  });

  // 批量执行 Canvas 操作
  operations.forEach(operation => {
    operation();
  });
};

这个例子展示了如何使用批处理来渲染多个矩形。 我们将所有矩形的绘制操作收集到 operations 数组中，然后遍历该数组，依次执行每个操作。

5. 更进一步的优化方向

上面只是最基础的优化，实际项目中，我们还有很多可以深入优化的地方：

优化方向	说明
对象池	创建对象池，避免频繁创建和销毁对象，减少垃圾回收的压力。
脏矩形检测	只重绘发生变化的区域，避免不必要的渲染。
分层渲染	将场景分成多个图层，分别进行渲染，可以更好地利用 GPU 的并行处理能力。
使用索引缓冲区	对于共享顶点的图形，使用索引缓冲区可以减少顶点数据的存储空间。
纹理贴图集	将多个小的纹理合并成一个大的纹理贴图集，减少纹理切换的次数。
着色器优化	优化着色器代码，减少 GPU 的计算量。
缓存策略	使用缓存策略，避免重复计算。
利用 WebWorker	将耗时的计算任务放到 WebWorker 中执行，避免阻塞主线程。

6. 总结：掌握自定义渲染器与优化

我们深入探讨了 Vue 3 自定义渲染器与 WebGL/Canvas 集成的技术细节，并通过实际示例展示了 VNode 到图形 API 调用的转换过程以及批处理优化方法。 掌握这些技术，能让我们能将 Vue 的声明式编程模型应用到各种图形渲染场景中，并获得更好的性能。

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