深入理解CSS Worklet的生命周期：模块加载、类实例化与渲染调用

深入理解CSS Worklet的生命周期：模块加载、类实例化与渲染调用

大家好，今天我们来深入探讨一个现代Web开发中相对高级但功能强大的概念——CSS Worklet。Worklet 为我们提供了扩展浏览器渲染引擎的能力，允许我们编写自定义的 CSS 功能，例如自定义布局、自定义属性动画，甚至直接操作像素数据。要充分利用 CSS Worklet 的强大功能，理解其生命周期至关重要。本文将以讲座的形式，详细剖析 CSS Worklet 的生命周期，包括模块加载、类实例化以及渲染调用等关键阶段，并通过代码示例加以说明。

1. 什么是 CSS Worklet？

在深入生命周期之前，我们首先简单回顾一下什么是 CSS Worklet。CSS Worklet 是一种轻量级的 JavaScript 模块，它运行在主线程之外的一个独立线程中。这使得 Worklet 能够执行耗时的渲染任务，而不会阻塞主线程，从而保证了页面的流畅性。

Worklet 主要分为三种类型：

• Paint Worklet: 用于自定义 CSS 图像，例如 background-image 或 border-image。
• Layout Worklet: 用于自定义 CSS 布局，例如实现瀑布流布局或环形布局。
• Animation Worklet: 用于创建高性能的自定义 CSS 动画。

2. CSS Worklet 的生命周期概述

CSS Worklet 的生命周期可以分为以下几个主要阶段：

1. 模块加载 (Module Loading): 浏览器下载并解析 Worklet 模块。
2. 类实例化 (Class Instantiation): 在 Worklet 全局作用域中，创建 Worklet 类的实例。
3. 渲染调用 (Rendering Invocation): 浏览器在需要时调用 Worklet 实例的 paint、layout 或 animate 方法。
4. Worklet 存活 (Worklet Alive): Worklet 实例保持存活，直到不再需要或手动卸载。

接下来，我们将深入分析每个阶段，并提供相应的代码示例。

3. 模块加载 (Module Loading)

模块加载是 CSS Worklet 生命周期的第一步。它涉及到浏览器如何找到并加载 Worklet JavaScript 模块。加载 Worklet 模块的方式是通过 CSS.paintWorklet.addModule()、CSS.layoutWorklet.addModule() 或 CSS.animationWorklet.addModule() 方法。这些方法接受一个 URL 作为参数，该 URL 指向 Worklet JavaScript 模块。

// 注册 Paint Worklet
CSS.paintWorklet.addModule('my-paint-worklet.js')
  .then(() => {
    console.log('Paint Worklet 模块加载成功');
  })
  .catch((error) => {
    console.error('Paint Worklet 模块加载失败:', error);
  });

// 注册 Layout Worklet
CSS.layoutWorklet.addModule('my-layout-worklet.js')
  .then(() => {
    console.log('Layout Worklet 模块加载成功');
  })
  .catch((error) => {
    console.error('Layout Worklet 模块加载失败:', error);
  });

// 注册 Animation Worklet
CSS.animationWorklet.addModule('my-animation-worklet.js')
  .then(() => {
    console.log('Animation Worklet 模块加载成功');
  })
  .catch((error) => {
    console.error('Animation Worklet 模块加载失败:', error);
  });

代码解释：

• CSS.paintWorklet.addModule(), CSS.layoutWorklet.addModule() 和 CSS.animationWorklet.addModule() 是用于注册不同类型 Worklet 的方法。
• 这些方法返回一个 Promise 对象，允许我们处理模块加载成功或失败的情况。
• 如果模块加载成功，Promise 会 resolve；如果模块加载失败（例如，URL 不存在或模块包含语法错误），Promise 会 reject。

关于 URL 的注意事项：

• URL 必须指向一个有效的 JavaScript 文件。
• 推荐使用相对 URL，但也可以使用绝对 URL。
• URL 必须遵守同源策略，除非设置了适当的 CORS 头。

模块加载的内部过程：

1. DNS 查询： 如果 URL 指向一个外部域名，浏览器会执行 DNS 查询来解析域名对应的 IP 地址。
2. 建立连接： 浏览器与服务器建立 TCP 连接。
3. 发送请求： 浏览器发送 HTTP 请求来获取 Worklet 模块。
4. 接收响应： 服务器返回 HTTP 响应，其中包含 Worklet 模块的内容。
5. 解析模块： 浏览器解析 Worklet 模块的 JavaScript 代码。
6. 执行模块： 浏览器执行 Worklet 模块，这通常涉及到定义 Worklet 类。

4. 类实例化 (Class Instantiation)

一旦 Worklet 模块被成功加载和解析，下一步就是创建 Worklet 类的实例。Worklet 模块必须导出一个类，这个类定义了 Worklet 的行为。浏览器会在 Worklet 全局作用域中自动创建该类的实例。

Paint Worklet 示例：

// my-paint-worklet.js
class MyPaintWorklet {
  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('my-paint-worklet', MyPaintWorklet);

Layout Worklet 示例：

// my-layout-worklet.js
class MyLayoutWorklet {
  static get inputProperties() {
    return [];
  }

  static get childrenInputProperties() {
    return [];
  }

  static get intrinsicSizes() {
    return [];
  }

  static get layoutOptions() {
    return {
      childDisplay: 'normal',
      sizing: 'block-like'
    };
  }

  async layout(children, edges, constraintSpace, intrinsicSizes, styleMap) {
    // 自定义布局逻辑
    return {
      inlineSize: constraintSpace.inlineSize,
      blockSize: constraintSpace.blockSize,
      children: children
    };
  }
}

registerLayout('my-layout-worklet', MyLayoutWorklet);

Animation Worklet 示例：

// my-animation-worklet.js
class MyAnimationWorklet {
  constructor() {
      this.phase = 0;
  }

  static get inputProperties() {
    return ['--my-animation-value'];
  }

  animate(currentTime, effect) {
    this.phase = (currentTime / 1000) % 1; // 简单的循环
    effect.localTime = currentTime;
    return this.phase; //  大于0小于1的值会触发下一帧的绘制
  }
}

registerAnimator('my-animation-worklet', MyAnimationWorklet);

代码解释：

• class MyPaintWorklet { ... }, class MyLayoutWorklet { ... }, class MyAnimationWorklet { ... }: 定义 Worklet 类。
• static get inputProperties() { ... }: 可选的静态方法，用于声明 Worklet 需要的 CSS 属性。
• paint(ctx, geom, properties) { ... }: Paint Worklet 的核心方法，用于绘制自定义图像。
  • ctx: 2D 渲染上下文。
  • geom: 包含元素尺寸信息的对象。
  • properties: 包含 CSS 属性值的对象。
• layout(children, edges, constraintSpace, intrinsicSizes, styleMap) { ... }: Layout Worklet 的核心方法，用于自定义布局。
  • children: 子元素的列表。
  • edges: 元素的边缘信息。
  • constraintSpace: 包含约束空间信息的对象。
  • intrinsicSizes: 包含元素固有尺寸信息的对象。
  • styleMap: 可以获取元素样式。
• animate(currentTime, effect) { ... }: Animation Worklet 的核心方法，用于驱动动画。
  • currentTime: 当前时间戳。
  • effect: AnimationEffect 对象，用于控制动画效果。
• registerPaint('my-paint-worklet', MyPaintWorklet);, registerLayout('my-layout-worklet', MyLayoutWorklet);, registerAnimator('my-animation-worklet', MyAnimationWorklet);: 注册 Worklet 类，并指定一个名称，该名称用于在 CSS 中引用 Worklet。

类实例化的时机：

Worklet 类的实例化发生在 Worklet 模块加载并解析完成后。浏览器会创建一个全局的 Worklet 上下文，并在该上下文中实例化 Worklet 类。重要的是，这个实例化过程只发生一次。每次使用 Worklet 时，都会使用同一个实例，而不是每次都创建一个新的实例。

5. 渲染调用 (Rendering Invocation)

渲染调用是 CSS Worklet 生命周期的关键阶段，它涉及到浏览器何时以及如何调用 Worklet 实例的 paint、layout 或 animate 方法。

Paint Worklet 的渲染调用：

当在 CSS 中使用 paint() 函数时，浏览器会调用 Paint Worklet 实例的 paint 方法。

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

代码解释：

• background-image: paint(my-paint-worklet);: 指定使用名为 my-paint-worklet 的 Paint Worklet。
• --my-color: red;: 设置传递给 Paint Worklet 的 CSS 属性。

浏览器会在以下情况下调用 paint 方法：

• 元素首次渲染时。
• 元素的尺寸发生变化时。
• 传递给 Paint Worklet 的 CSS 属性发生变化时。
• 页面重绘时。

Layout Worklet 的渲染调用：

当在 CSS 中使用 layout() 函数时，浏览器会调用 Layout Worklet 实例的 layout 方法。

.my-container {
  display: layout(my-layout-worklet);
}

浏览器会在以下情况下调用 layout 方法：

• 容器首次渲染时。
• 容器的尺寸发生变化时。
• 容器的子元素发生变化时。
• 页面重排时。

Animation Worklet 的渲染调用：

Animation Worklet 的渲染调用略有不同。你需要使用 Web Animations API 来创建动画，并将 Animation Worklet 指定为动画的 effect。

// 创建一个 KeyframeEffect
const keyframes = [
  { '--my-animation-value': 0 },
  { '--my-animation-value': 1 }
];

const animation = new Animation(
  new WorkletAnimation('my-animation-worklet', keyframes, { duration: 1000, iterations: Infinity }),
  document.querySelector('.animated-element')
);

animation.play();

浏览器会在每一帧动画更新时调用 animate 方法。 animate 方法返回一个数字，如果该数字大于0且小于1，则浏览器会在下一帧继续调用animate， 否则动画结束。

渲染调用的参数：

传递给 paint、layout 和 animate 方法的参数提供了 Worklet 执行渲染任务所需的信息。

• paint 方法接收一个 2D 渲染上下文 (ctx)，一个包含元素尺寸信息的对象 (geom)，以及一个包含 CSS 属性值的对象 (properties)。
• layout 方法接收子元素的列表 (children)，元素的边缘信息 (edges)，包含约束空间信息的对象 (constraintSpace)，包含元素固有尺寸信息的对象 (intrinsicSizes)，以及一个可以获取元素样式的 styleMap。
• animate 方法接收当前时间戳 (currentTime) 和 AnimationEffect 对象 (effect)。

6. Worklet 存活 (Worklet Alive)

Worklet 实例会一直存活，直到以下情况发生：

• 页面卸载： 当用户关闭页面或导航到其他页面时，Worklet 实例会被销毁。
• 手动卸载（不推荐）： 可以通过重新加载 Worklet 模块来卸载旧的 Worklet 实例。但是，这通常不是一个好的做法，因为它可能会导致性能问题和不一致的状态。

为什么 Worklet 存活很重要？

Worklet 存活允许 Worklet 在多次渲染调用之间保持状态。这对于实现复杂的渲染效果和优化性能至关重要。例如，Paint Worklet 可以缓存计算结果，Layout Worklet 可以维护布局状态，Animation Worklet 可以跟踪动画进度。

7. 代码示例：一个完整的 Paint Worklet 示例

为了更好地理解 CSS Worklet 的生命周期，我们来看一个完整的 Paint Worklet 示例。

HTML 文件 (index.html):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>CSS Paint Worklet Example</title>
  <link rel="stylesheet" href="style.css">
</head>
<body>
  <div class="my-element"></div>
  <script>
    CSS.paintWorklet.addModule('my-paint-worklet.js');
  </script>
</body>
</html>

CSS 文件 (style.css):

.my-element {
  width: 200px;
  height: 200px;
  background-image: paint(my-paint-worklet);
  --my-color: red;
}

Worklet JavaScript 文件 (my-paint-worklet.js):

class MyPaintWorklet {
  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('my-paint-worklet', MyPaintWorklet);

代码解释：

1. index.html 文件包含一个 div 元素，该元素使用了 my-element 类。它也包含了加载 my-paint-worklet.js 文件的 JavaScript 代码。
2. style.css 文件定义了 my-element 类的样式，其中 background-image 属性使用了 paint(my-paint-worklet) 函数，并将 --my-color 属性设置为 red。
3. my-paint-worklet.js 文件定义了 MyPaintWorklet 类，该类实现了 paint 方法，用于绘制一个填充了指定颜色的矩形。

运行结果：

当你在浏览器中打开 index.html 文件时，你会看到一个红色的正方形。

8. 总结： 关键生命周期阶段

CSS Worklet 的生命周期，从模块加载到渲染调用，再到 Worklet 实例的存活，每个阶段都至关重要。 理解这些阶段有助于编写更高效、更可靠的自定义渲染代码。

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