requestAnimationFrame 知多少？

威武的大白菜發表於2024-04-19
requestAnimationFrame


在Web應用中，實現動畫效果的方法比較多，JavaScript 中可以透過定時器 setTimeout 來實現，css3 可以使用 transition 和 animation 來實現，html5 中的 canvas 也可以實現。除此之外，html5 還提供一個專門用於請求動畫的 API，即 requestAnimationFrame（rAF），顧名思義就是 “請求動畫幀”。 為了深入理解 rAF 背後的原理（後文的 rAF 均指的是 requestAnimationFrame），我們首先需要了解一下與之相關的幾個概念：

螢幕繪製頻率

即影像在螢幕上更新的速度，也即螢幕上的影像每秒鐘出現的次數，它的單位是赫茲(Hz)。 對於一般膝上型電腦，這個頻率大概是60Hz， 可以在桌面上 右鍵 > 螢幕解析度 > 高階設定 > 監視器 中檢視和設定。這個值的設定受螢幕解析度、螢幕尺寸和顯示卡的影響，原則上設定成讓眼睛看著舒適的值都行。

市面上常見的顯示器有兩種，即 CRT 和 LCD， CRT 是一種使用陰極射線管（Cathode Ray Tube）的顯示器，LCD 就是我們常說的液晶顯示器（ Liquid Crystal Display）。

CRT 是一種使用陰極射線管的顯示器，螢幕上的圖形影像是由一個個因電子束擊打而發光的熒光點組成，由於映象管內熒光粉受到電子束擊打後發光的時間很短，所以電子束必須不斷擊打熒光粉使其持續發光。電子束每秒擊打熒光粉的次數就是螢幕繪製頻率。

而對於 LCD 來說，則不存在繪製頻率的問題，因為 LCD 中每個畫素都在持續不斷地發光，直到不發光的電壓改變並被送到控制器中，所以 LCD 不會有電子束擊打熒光粉而引起的閃爍現象。

因此，當你對著電腦螢幕什麼也不做的情況下，顯示器也會以每秒60次的頻率正在不斷的更新螢幕上的影像。為什麼你感覺不到這個變化？ 那是因為人的眼睛有視覺停留效應，即前一副畫面留在大腦的印象還沒消失，緊接著後一副畫面就跟上來了，這中間只間隔了16.7ms(1000/60≈16.7)， 所以會讓你誤以為螢幕上的影像是靜止不動的。而螢幕給你的這種感覺是對的，試想一下，如果重新整理頻率變成1次/秒，螢幕上的影像就會出現嚴重的閃爍，這樣就很容易引起眼睛疲勞、痠痛和頭暈目眩等症狀。

CSS 動畫原理

根據上面的原理我們知道，你眼前所看到影像正在以每秒 60 次的頻率繪製，由於頻率很高，所以你感覺不到它在繪製。而 動畫本質就是要讓人眼看到影像被繪製而引起變化的視覺效果，這個變化要以連貫的、平滑的方式進行過渡。 那怎麼樣才能做到這種效果呢？

60Hz 的螢幕每 16.7ms 繪製一次，如果在螢幕每次繪製前，將元素的位置向左移動一個畫素，即1px，這樣一來，螢幕每次繪製出來的影像位置都比前一個要差1px，你就會看到影像在移動；而由於人眼的視覺停留效應，當前位置的影像停留在大腦的印象還沒消失，緊接著影像又被移到了下一個位置，這樣你所看到的效果就是，影像在流暢的移動。這就是視覺效果上形成的動畫。

setTimeout

理解了上面的概念以後，我們不難發現，setTimeout 其實就是透過設定一個間隔時間來不斷的改變影像的位置，從而達到動畫效果的。但我們會發現，利用 seTimeout 實現的動畫在某些低端機上會出現卡頓、抖動的現象。 這種現象的產生有兩個原因：

  • setTimeout 的執行時間並不是確定的。在JavaScript中， setTimeout 任務被放進了非同步佇列中，只有當主執行緒上的任務執行完以後，才會去檢查該佇列裡的任務是否需要開始執行，所以 setTimeout 的實際執行時機一般要比其設定的時間晚一些。
  • 重新整理頻率受 螢幕解析度 和 螢幕尺寸 的影響，不同裝置的螢幕繪製頻率可能會不同，而 setTimeout 只能設定一個固定的時間間隔，這個時間不一定和螢幕的重新整理時間相同。

以上兩種情況都會導致 setTimeout 的執行步調和螢幕的重新整理步調不一致，從而引起丟幀現象。 那為什麼步調不一致就會引起丟幀呢？

首先要明白，setTimeout 的執行只是在記憶體中對元素屬性進行改變，這個變化必須要等到螢幕下次繪製時才會被更新到螢幕上。如果兩者的步調不一致，就可能會導致中間某一幀的操作被跨越過去，而直接更新下一幀的元素。假設螢幕每隔16.7ms重新整理一次，而setTimeout 每隔10ms設定影像向左移動1px， 就會出現如下繪製過程（表格）：

  • 第 0 ms：螢幕未繪製， 等待中，setTimeout 也未執行，等待中；
  • 第 10 ms：螢幕未繪製，等待中，setTimeout 開始執行並設定元素屬性 left=1px；
  • 第 16.7 ms：螢幕開始繪製，螢幕上的元素向左移動了 1px， setTimeout 未執行，繼續等待中；
  • 第 20 ms：螢幕未繪製，等待中，setTimeout 開始執行並設定 left=2px;
  • 第 30 ms：螢幕未繪製，等待中，setTimeout 開始執行並設定 left=3px;
  • 第33.4 ms：螢幕開始繪製，螢幕上的元素向左移動了 3px， setTimeout 未執行，繼續等待中；
  • ...

從上面的繪製過程中可以看出，螢幕沒有更新 left=2px 的那一幀畫面，元素直接從left=1px 的位置跳到了 left=3px 的的位置，這就是丟幀現象，這種現象就會引起動畫卡頓。

rAF

與 setTimeout 相比，rAF 最大的優勢是 由系統來決定回撥函式的執行時機。具體一點講就是，系統每次繪製之前會主動呼叫 rAF 中的回撥函式，如果系統繪製率是 60Hz，那麼回撥函式就每16.7ms 被執行一次，如果繪製頻率是75Hz，那麼這個間隔時間就變成了 1000/75=13.3ms。換句話說就是，rAF 的執行步伐跟著系統的繪製頻率走。它能保證回撥函式在螢幕每一次的繪製間隔中只被執行一次，這樣就不會引起丟幀現象，也不會導致動畫出現卡頓的問題。

這個API的呼叫很簡單，如下所示：

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var progress = 0;
//回撥函式
function render() {
progress += 1; //修改影像的位置
if (progress < 100) {
//在動畫沒有結束前，遞迴渲染
window.requestAnimationFrame(render);
}
}
//第一幀渲染
window.requestAnimationFrame(render);

除此之外，rAF 還有以下兩個優勢：

CPU節能：使用 setTimeout 實現的動畫，當頁面被隱藏或最小化時，setTimeout 仍然在後臺執行動畫任務，由於此時頁面處於不可見或不可用狀態，重新整理動畫是沒有意義的，而且還浪費 CPU 資源。而 rAF 則完全不同，當頁面處理未啟用的狀態下，該頁面的螢幕繪製任務也會被系統暫停，因此跟著系統步伐走的 rAF 也會停止渲染，當頁面被啟用時，動畫就從上次停留的地方繼續執行，有效節省了 CPU 開銷。

函式節流：在高頻率事件(resize,scroll 等)中，為了防止在一個重新整理間隔內發生多次函式執行，使用 rAF 可保證每個繪製間隔內，函式只被執行一次，這樣既能保證流暢性，也能更好的節省函式執行的開銷。一個繪製間隔內函式執行多次時沒有意義的，因為顯示器每16.7ms 繪製一次，多次繪製並不會在螢幕上體現出來。

優雅降級

由於 rAF 目前還存在相容性問題，而且不同的瀏覽器還需要帶不同的字首。因此需要透過優雅降級的方式對 rAF 進行封裝，優先使用高階特性，然後再根據不同瀏覽器的情況進行回退，直止只能使用 setTimeout 的情況，因此可以這麼寫：

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window.requestAnimFrame = (function(){
return window.requestAnimationFrame ||
window.webkitRequestAnimationFrame ||
window.mozRequestAnimationFrame ||
function( callback ){
window.setTimeout(callback, 1000 / 60);
};
})();

但這種寫法沒有考慮 cancelAnimationFrame 的相容性，並且不是所有的裝置繪製時間間隔都是1000/60，下面的程式碼是比較全的一個 polyfill，詳情介紹請參考： requestAnimationFrame　

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if (!Date.now)
Date.now = function() { return new Date().getTime(); };
(function() {
'use strict';
var vendors = ['webkit', 'moz'];
for (var i = 0; i < vendors.length && !window.requestAnimationFrame; ++i) {
var vp = vendors[i];
window.requestAnimationFrame = window[vp+'RequestAnimationFrame'];
window.cancelAnimationFrame = (window[vp+'CancelAnimationFrame']
|| window[vp+'CancelRequestAnimationFrame']);
}
if (/iP(ad|hone|od).*OS 6/.test(window.navigator.userAgent) // iOS6 is buggy
|| !window.requestAnimationFrame || !window.cancelAnimationFrame) {
var lastTime = 0;
window.requestAnimationFrame = function(callback) {
var now = Date.now();
var nextTime = Math.max(lastTime + 16, now);
return setTimeout(function() { callback(lastTime = nextTime); },
nextTime - now);
};
window.cancelAnimationFrame = clearTimeout;
}
}());

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