深入理解 requestAnimationFrame

在Web應用中，實現動畫效果的方法比較多，Javascript 中可以通過定時器 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，那就是 requestAnimationFrame，顧名思義就是請求動畫幀。 為了深入理解 requestAnimationFrame 背後的原理，我們首先需要了解一下與之相關的幾個概念：

1、螢幕重新整理頻率

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就是傳統顯示器，LCD就是我們常說的液晶顯示器。

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重新整理頻率。

而對於LCD來說，則不存在重新整理頻率的問題，它根本就不需要重新整理。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。

2、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次的頻率重新整理，由於重新整理頻率很高，因此你感覺不到它在重新整理。而動畫本質就是要讓人眼看到影像被重新整理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？

重新整理頻率為60Hz的螢幕每16.7ms重新整理一次，我們在螢幕每次重新整理前，將影像的位置向左移動一個畫素，即1px。這樣一來，螢幕每次刷出來的影像位置都比前一個要差1px，因此你會看到影像在移動；由於我們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，因此你才會看到影像在流暢的移動，這就是視覺效果上形成的動畫。

3、setTimeout

理解了上面的概念以後，我們不難發現，setTimeout 其實就是通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，因此 setTimeout 的實際執行時間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，因此不同裝置的螢幕重新整理頻率可能會不同，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影像屬性進行改變，這個變化必須要等到螢幕下次重新整理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影像。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：

• 第0ms: 螢幕未重新整理，等待中，setTimeout也未執行，等待中；
• 第10ms: 螢幕未重新整理，等待中，setTimeout開始執行並設定影像屬性left=1px；
• 第16.7ms: 螢幕開始重新整理，螢幕上的影像向左移動了1px， setTimeout 未執行，繼續等待中；
• 第20ms: 螢幕未重新整理，等待中，setTimeout開始執行並設定left=2px;
• 第30ms: 螢幕未重新整理，等待中，setTimeout開始執行並設定left=3px;
• 第33.4ms:螢幕開始重新整理，螢幕上的影像向左移動了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，影像直接從1px的位置跳到了3px的的位置，這就是丟幀現象，這種現象就會引起動畫卡頓。

4、requestAnimationFrame

與setTimeout相比，requestAnimationFrame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，如果螢幕重新整理率是60Hz,那麼回撥函式就每16.7ms被執行一次，如果重新整理率是75Hz，那麼這個時間間隔就變成了1000/75=13.3ms，換句話說就是，requestAnimationFrame的步伐跟著系統的重新整理步伐走。它能保證回撥函式在螢幕每一次的重新整理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：

除此之外，requestAnimationFrame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，完全是浪費CPU資源。而requestAnimationFrame則完全不同，當頁面處理未啟用的狀態下，該頁面的螢幕重新整理任務也會被系統暫停，因此跟著系統步伐走的requestAnimationFrame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requestAnimationFrame可保證每個重新整理間隔內，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。一個重新整理間隔內函式執行多次時沒有意義的，因為顯示器每16.7ms重新整理一次，多次繪製並不會在螢幕上體現出來。

5、優雅降級

由於requestAnimationFrame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。因此需要通過優雅降級的方式對requestAnimationFrame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。下面的程式碼就是有人在github上提供的polyfill，詳細介紹請參考github程式碼 requestAnimationFrame