CSS光栅化线程（Raster Threads）：主线程之外的纹理上传与位图生成 - 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 光栅化线程：主线程之外的纹理上传与位图生成

大家好，今天我们来深入探讨一个在现代浏览器渲染引擎中至关重要的概念：CSS 光栅化线程（Raster Threads）。我们会详细了解它的作用、原理，以及如何在实际应用中利用它来优化页面性能。

1. 渲染流水线回顾与性能瓶颈

在深入光栅化线程之前，我们先简单回顾一下浏览器的渲染流水线。通常，渲染流水线包含以下几个关键步骤：

HTML/CSS 解析： 浏览器解析 HTML 和 CSS 代码，构建 DOM 树和 CSSOM 树。
渲染树构建： 结合 DOM 树和 CSSOM 树，生成渲染树。渲染树只包含需要渲染的节点。
布局（Layout）： 计算每个渲染树节点在屏幕上的位置和大小，也称为回流（Reflow）。
绘制（Paint）： 将渲染树节点绘制成一个个绘图指令，形成绘制列表。
光栅化（Rasterization）： 将绘制列表转化为像素，生成最终的位图。
合成（Compositing）： 将不同的图层合并，最终显示在屏幕上。

在早期的浏览器架构中，这些步骤几乎全部在主线程上执行。然而，随着 Web 应用复杂度的增加，主线程的压力也越来越大。特别是在布局、绘制和光栅化这些计算密集型任务上，如果主线程被长时间占用，会导致页面卡顿、响应迟缓等问题，严重影响用户体验。

性能瓶颈主要集中在：

布局： 复杂的 CSS 布局可能导致大量的回流计算。
绘制： 绘制复杂的图形、阴影、渐变等效果会消耗大量的 CPU 资源。
光栅化： 将矢量图形转化为像素位图是一个计算密集型的过程，尤其是对于高分辨率的屏幕。

2. 光栅化线程的引入：解决主线程瓶颈

为了解决主线程的性能瓶颈，现代浏览器引入了光栅化线程（Raster Threads）。光栅化线程的主要作用是将光栅化任务从主线程卸载到单独的线程池中执行。这使得主线程可以专注于处理 JavaScript 代码、用户交互等关键任务，从而提高页面的整体响应速度。

具体来说，光栅化线程负责：

纹理上传： 将图片、视频等资源上传到 GPU 纹理。
位图生成： 将绘制列表中的矢量图形、文字等内容转化为像素位图。

3. 光栅化线程的工作原理

光栅化线程池通常包含多个线程，每个线程可以独立地执行光栅化任务。当主线程需要光栅化某个区域时，它会将该区域的绘制列表提交给光栅化线程池。线程池中的空闲线程会接收任务并执行光栅化操作，生成位图，并将位图返回给主线程进行合成。

光栅化过程简述：

主线程将需要光栅化的区域（通常是图层的一部分）的绘制列表发送给光栅化线程池。
光栅化线程池选择一个空闲线程来处理该任务。
该线程根据绘制列表中的指令，将矢量图形、文字等内容转化为像素位图。
如果需要，线程还会将图片、视频等资源上传到 GPU 纹理。
生成的位图被返回给主线程。
主线程将这些位图与其他图层进行合成，最终显示在屏幕上。

代码示例 (伪代码，仅用于说明原理):

// 主线程代码
void MainThread::Rasterize(Layer* layer, Rect area) {
  // 创建光栅化任务
  RasterTask task;
  task.layer = layer;
  task.area = area;
  task.display_list = layer->GetDisplayList(area);

  // 将任务提交给光栅化线程池
  raster_thread_pool->SubmitTask(task);
}

// 光栅化线程代码
void RasterThread::Run(RasterTask task) {
  // 创建位图
  Bitmap bitmap(task.area.width, task.area.height);

  // 遍历绘制列表，执行光栅化操作
  for (const auto& command : task.display_list) {
    switch (command.type) {
      case DRAW_RECT:
        // 绘制矩形
        DrawRect(bitmap, command.rect, command.color);
        break;
      case DRAW_TEXT:
        // 绘制文字
        DrawText(bitmap, command.text, command.font);
        break;
      case DRAW_IMAGE:
        // 上传纹理并绘制图像
        Texture texture = UploadTexture(command.image);
        DrawImage(bitmap, texture, command.rect);
        break;
      // ... 其他绘制命令
    }
  }

  // 将位图返回给主线程
  MainThread::ReceiveBitmap(task.layer, task.area, bitmap);
}

4. 纹理上传：GPU 加速的关键

纹理上传是将图片、视频等资源从 CPU 内存复制到 GPU 纹理内存的过程。GPU 纹理是存储在 GPU 上的图像数据，可以被 GPU 快速访问和处理。

为什么要进行纹理上传？

GPU 加速： GPU 擅长处理图像相关的计算，将图像数据存储在 GPU 纹理中可以利用 GPU 的并行处理能力，加速图像渲染。
减少 CPU 负担： 如果图像数据始终存储在 CPU 内存中，每次渲染都需要从 CPU 复制数据到 GPU，这会增加 CPU 的负担。
更高效的图像处理： GPU 提供了丰富的图像处理功能，例如纹理过滤、纹理映射等，这些功能可以显著提高图像渲染的质量和效率。

纹理上传的具体步骤：

创建纹理对象： 在 GPU 上创建一个空的纹理对象，用于存储图像数据。
分配纹理内存： 为纹理对象分配足够的内存空间，以容纳图像数据。
复制图像数据： 将图像数据从 CPU 内存复制到 GPU 纹理内存。
设置纹理参数： 设置纹理对象的参数，例如纹理过滤方式、纹理环绕方式等。

代码示例 (WebGL):

// 获取 WebGL 上下文
const gl = canvas.getContext('webgl');

// 创建纹理对象
const texture = gl.createTexture();

// 绑定纹理对象
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

// 设置纹理参数
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);

// 上传图像数据到纹理
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

// 解绑纹理对象
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, null);

5. 位图生成：矢量图形到像素的转换

位图生成是将矢量图形、文字等内容转化为像素位图的过程。位图是由一个个像素组成的图像，每个像素都包含颜色信息。

位图生成的具体步骤：

创建位图对象： 创建一个空的位图对象，用于存储像素数据。
设置位图参数： 设置位图对象的参数，例如位图的宽度、高度、颜色格式等。
遍历绘制列表： 遍历绘制列表中的每个绘制指令，根据指令的类型执行相应的绘制操作。
绘制矢量图形： 将矢量图形转化为像素，填充到位图对象中。这通常涉及复杂的数学计算，例如计算贝塞尔曲线的像素坐标、计算渐变的颜色值等。
绘制文字： 将文字转化为像素，填充到位图对象中。这通常涉及字体渲染技术，例如轮廓字体渲染、位图字体渲染等。
应用抗锯齿： 为了提高图像的质量，可以应用抗锯齿技术，减少图像的锯齿感。

代码示例 (简化的位图生成):

// 绘制矩形
void DrawRect(Bitmap& bitmap, Rect rect, Color color) {
  for (int x = rect.x; x < rect.x + rect.width; ++x) {
    for (int y = rect.y; y < rect.y + rect.height; ++y) {
      bitmap.SetPixel(x, y, color);
    }
  }
}

// 绘制文字 (简化版)
void DrawText(Bitmap& bitmap, const std::string& text, Font font) {
  // (实际的文字渲染要复杂得多，这里只是一个简化示例)
  int x = 0;
  for (char c : text) {
    // 获取字符的位图数据
    Bitmap char_bitmap = font.GetCharBitmap(c);

    // 将字符位图复制到目标位图
    for (int i = 0; i < char_bitmap.GetWidth(); ++i) {
      for (int j = 0; j < char_bitmap.GetHeight(); ++j) {
        bitmap.SetPixel(x + i, j, char_bitmap.GetPixel(i, j));
      }
    }
    x += font.GetCharWidth(c);
  }
}

6. 如何利用光栅化线程优化页面性能

了解了光栅化线程的原理后，我们就可以利用它来优化页面性能。以下是一些常用的技巧：

避免不必要的重绘： 尽量减少页面的重绘次数。重绘会导致浏览器重新执行绘制和光栅化操作，消耗大量的资源。可以通过以下方式减少重绘：
- 避免频繁修改 DOM 结构。
- 使用 will-change 属性来提示浏览器即将发生的变化。
- 使用 CSS transforms 代替直接修改 left、top 等属性。
利用硬件加速： 尽量利用硬件加速来提高渲染性能。例如，可以使用 CSS transforms、CSS animations 等属性来触发 GPU 加速。
优化图片和视频资源： 确保图片和视频资源经过优化，减少文件大小，提高加载速度。可以使用图片压缩工具、视频编码工具等来优化资源。
使用 content-visibility 属性： content-visibility 属性可以控制元素是否渲染，从而减少页面的渲染开销。例如，可以设置不可见区域的 content-visibility 属性为 hidden，阻止浏览器渲染这些区域。
合理使用图层： 图层可以提高渲染性能，但过多的图层也会增加内存消耗。因此，需要合理使用图层，避免创建不必要的图层。可以使用 Chrome DevTools 的 Layers 面板来查看页面的图层结构。

表格：will-change 属性的用法示例

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