JavaScript是如何工作的: CSS 和 JS 動畫底層原理及如何優化它們的效能

摘要： 理解瀏覽器渲染。

• 原文：JavaScript是如何工作的: CSS 和 JS 動畫底層原理及如何優化它們的效能
• 作者：前端小智

Fundebug經授權轉載，版權歸原作者所有。

這是專門探索 JavaScript 及其所構建的元件的系列文章的第 13 篇。

如果你錯過了前面的章節，可以在這裡找到它們：

• JavaScript 是如何工作的：引擎，執行時和呼叫堆疊的概述！
• JavaScript 是如何工作的：深入V8引擎&編寫優化程式碼的5個技巧！
• JavaScript 是如何工作的：記憶體管理+如何處理4個常見的記憶體洩漏 !
• JavaScript 是如何工作的：事件迴圈和非同步程式設計的崛起+ 5種使用 async/await 更好地編碼方式！
• JavaScript 是如何工作的：深入探索 websocket 和HTTP/2與SSE +如何選擇正確的路徑！
• JavaScript 是如何工作的：與 WebAssembly比較 及其使用場景 !
• JavaScript 是如何工作的：Web Workers的構建塊+ 5個使用他們的場景!
• JavaScript 是如何工作的：Service Worker 的生命週期及使用場景!
• JavaScript 是如何工作的：Web 推送通知的機制!
• JavaScript是如何工作的：使用 MutationObserver 跟蹤 DOM 的變化!
• JavaScript是如何工作的：渲染引擎和優化其效能的技巧!
• JavaScript是如何工作的：深入網路層 + 如何優化效能和安全!

概述

你肯定知道，動畫在建立引人注目的 Web 應用程式中扮演著重要的角色。隨著使用者越來越多地將注意力轉移到使用者體驗上，商戶開始意識到完美、愉快的使用者體驗的重要性，結果 Web 應用程式變得越來越重，並具有更動態互動的 UI。這一切都需要更復雜的動畫，以便使用者在整個過程中更平穩地進行狀態轉換。今天，這甚至不被認為是什麼特別的事情。使用者正變得越來越挑剔，預設情況下，他們期望的是具有高響應性和互動性的使用者介面。

然而，介面的動畫化並不一定是簡單的。什麼是動畫，什麼時候該用動畫，動畫應該有什麼樣的視訊效果，這些都是棘手的問題。

JavaScript 和 CSS 動畫比較

建立 Web 動畫的兩種主要方法是使用JavaScript和 CSS。選擇哪種沒有對或錯，這完全取決於你想要達到的效果。

CSS 動畫

用CSS製作動畫是讓元素在螢幕上移動的最簡單方法。

這裡將從如何讓元素在 X 和 Y 軸上移動 50px 簡單示例開始，通過持續 1 秒的 CSS 過渡來移動元素。

.box {
  -webkit-transform: translate(0, 0);
  -webkit-transition: -webkit-transform 1000ms;

  transform: translate(0, 0);
  transition: transform 1000ms;
}

.box.move {
  -webkit-transform: translate(50px, 50px);
  transform: translate(50px, 50px);
}
複製程式碼

當元素加上 move 類時，改變 transform 的值然後開發發生過渡效果。

除了轉換持續時間外，還有 easing 屬性，這實際上就是動畫的運動速度方式，該引數會在之後詳細介紹。

如果像上面的程式碼片段一樣，建立單獨的 CSS 類來實現動畫，當然也可以使用 JavaScript 來切換每個動畫。

如下元素：

<div class="box">
  Sample content.
</div>
複製程式碼

然後，使用 JavaScript 來切換每個動畫。

var boxElements = document.getElementsByClassName('box'),
    boxElementsLength = boxElements.length,
    i;

for (i = 0; i < boxElementsLength; i++) {
  boxElements[i].classList.add('move');
}
複製程式碼

上面的程式碼片段是為所有包含 box 類的元素為其新增 move 類以觸發動畫。

這樣做可以為你的應用提供良好的平衡。 你可以專注於使用 JavaScript 管理狀態，只需在目標元素上設定適當的類，讓瀏覽器處理動畫。 如果沿著這條路線前進，你可以在元素上監聽 transitionend 事件，但前提是放棄舊版 Internet Explorer 的支援：

監聽 transitionend 觸發的事件如下所示:

var boxElement = document.querySelector('.box');
boxElement.addEventListener('transitionend', onTransitionEnd, false);

function onTransitionEnd() {
  // Handle the transition finishing.
}
複製程式碼

除了使用 CSS 過渡之外，你還可以使用 CSS 動畫，CSS 動畫可以讓你更好地控制單獨的動畫關鍵幀，持續時間以及迴圈次數。

關鍵幀用於指示瀏覽器 CSS 屬性在給定時間點上應有的 CSS 屬性，然後填充空白。

來個簡單的例子：

.box {
  /* 動畫的名字 */
  animation-name: movingBox;

  /* 動畫的持續時間 */
  animation-duration: 2300ms;

  /* 動畫的執行次數 */
  animation-iteration-count: infinite;

  /* 設定物件動畫在迴圈中是否反向運動的方法 */
  animation-direction: alternate;
}

@keyframes movingBox {
  0% {
    transform: translate(0, 0);
    opacity: 0.4;
  }

  25% {
    opacity: 0.9;
  }

  50% {
    transform: translate(150px, 200px);
    opacity: 0.2;
  }

  100% {
    transform: translate(40px, 30px);
    opacity: 0.8;
  }
}
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效果示例: sessionstack.github.i...

使用CSS動畫，你可以獨立於目標元素定義動畫本身，並使用 animation-name 屬性來選擇所需的動畫。

CSS 動畫在某種程度仍然需要加瀏覽器字首的，在 Safari、Safari Mobile 和 Android 中都使用了 -webkit。 Chrome、 Opera、Internet Explorer 和 Firefox 都不需要新增字首。許多工具可以幫助你建立所需 CSS 的字首，這樣就不需要在原始檔中帶樣式字首。

JavaScript 動畫

和 CSS 過渡或者 CSS 動畫相比，使用 JavaScript 建立動畫更加複雜，但它通常為開發人員提供了更強大的功能。

JavaScript 動畫是作為程式碼的一部分內聯編寫的。你還可以將它們封裝在其他物件中。以下為用 JavaScript 來實現最開始的 CSS 過渡的程式碼：

var boxElement = document.querySelector('.box');
var animation = boxElement.animate([
  {transform: 'translate(0)'},
  {transform: 'translate(150px, 200px)'}
])

animation.addEventListener('finish', function() {
  boxElement.style.transform = 'translate(150px, 200px)';
})
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預設情況下，Web 動畫僅修改元素的展示效果。 如果要將物件停留在移動後的位置，則應在動畫完成時修改其基礎樣式。 這就是為什麼在上面的例子中監聽 finish 事件，並將 box.style.transform 屬性設定為 translate(150px, 200px)，該屬性值和 CSS 動畫執行的第二個樣式轉換是一樣的。

使用 JavaScript 動畫，你可以在每一步完全控制元素的樣式。 這意味著你可以放慢動畫速度，暫停動畫，停止它們，翻轉它們，並根據需要操縱元素。 如果你正在構建複雜的物件導向的應用程式，這尤其有用，因為你可以正確地封裝你想要的動畫行為。

程式碼部署後可能存在的BUG沒法實時知道，事後為了解決這些BUG，花了大量的時間進行log 除錯，這邊順便給大家推薦一個好用的BUG監控工具Fundebug。

Easing 定義

自然過渡效果會讓你的使用者對你的 Web 應用程式感覺更舒服，從而帶來更好的使用者體驗。

當然，沒有任何東西從一個點到另一個點線性移動。 實際上，當事物在我們周圍的物理世界中移動時，事物往往會加速或減速，因為我們不是在真空中，並且有不同的因素會影響這一點。 人類的大腦會期望感受這樣的移動，所以當為網路應用製作動畫的時候，利用此類知識會對自己會有好處。

以下是一些術語需要了解一下:

• ease-in — 相對於勻速，開始的時候慢，之後快
• ease out — 相對於勻速，開始時快，結束時候間慢
• ease-in-out — 相對於勻速，開始和結束都慢）兩頭慢

Easing 關鍵字

CSS 過渡和動畫允許你選擇要使用的 easing 型別。 不同的關鍵字會影響動畫的 easing，你也可以完全自定義 easing 方法。

以下為可以選擇用來控制 easing 的 CSS 關鍵字：

• linear
• ease-in
• ease-out
• ease-in-out

讓我們深入來了解一下這幾個兄弟，並看它們各自展示的效果是怎麼樣。

Linear 動畫

easing 方法的的預設為 linear，以下為 linear 過渡效果的圖示：

隨著時間增加，值等比增加，使用 linear 動效，會讓動畫不自然，一般來說，避免使用 linear 動效。

以下是如何實現簡單的線性動畫：

transition: transform 500ms linear;
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Ease-out 動畫

如前所述，與線性動畫相比，easing out 動畫開始時快，結束時候間慢，過渡效果的圖示如下：

一般來說，easing out過渡效果是最適合做介面體驗的，因為快速地啟動會給人以快速響應的動畫的感覺，而結束時讓人感覺很平滑這得歸功於不一致的移動速度。

有很多方法可以實現 ease-out 效果，但最簡單的是 CSS 中的 ease-out 關鍵字：

transition: transform 500ms ease-out;
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Ease-in 動畫

和 ease-out 動畫相反－開始時快，結束時候間慢，過渡效果圖如下：

與 ease-out 動畫相比， ease-in 可能會讓人感到不尋常，由於啟動緩慢給人以反應卡頓的感覺，因此會產生一種無反應的感覺。 動畫結束很快也會產生一種奇怪的感覺，因為整個動畫正在加速，而現實世界中的物體在突然停止時往往會減速。

和 ease-out 和 linear 動畫類似，使用 CSS 關鍵字來實現 ease-in 動畫：

transition: transform 500ms ease-in;
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Ease-in-out 動畫

該動畫為 ease-in 和 ease-out 的合集，過渡效果圖如下：

不要使用太長的動畫持續時間，因為它們會讓你的 UI 感覺沒有響應。

用 ease-in-out CSS 關鍵字來實現 ease-in-out 動畫：

transition: transform 500ms ease-in-out;
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自定義 easing

你也可以定義自己的 easing 曲線，這可以更好地建立自己想要的動畫效果。

實際上， ease-in，linear 及 ease 關鍵字對映到預定義 貝塞爾曲線 ，可以在 CSS transitions specification 和 Web Animations specification 中查詢更多關於貝塞爾曲線的內容。

貝塞爾曲線 (Bézier curves)

Bézier curve(貝塞爾曲線)是應用於二維圖形應用程式的數學曲線。 曲線定義：起始點、終止點（也稱錨點）、控制點。通過調整控制點，貝塞爾曲線的形狀會發生變化。 1962年，法國數學家Pierre Bézier第一個研究了這種向量繪製曲線的方法，並給出了詳細的計算公式，因此按照這樣的公式繪製出來的曲線就用他的姓氏來命名，稱為貝塞爾曲線。

CSS3 transition-timing-function 屬性，其語法如下：

transition-timing-function: linear|ease|ease-in|ease-out|ease-in-out|cubic-bezier(n,n,n,n);
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總而言之可以用cubic-bezier(n,n,n,n)的形式來表示全部的屬性值，這裡就涉及到貝塞爾曲線（Bézier curve）。

讓我們看看貝塞爾曲線的工作原理。 貝塞爾曲線需要四個值，或者更準確地說它需要兩對數字。 每對描述立方貝塞爾曲線控制點的 X 和 Y 座標。貝塞爾曲線的起點有一個座標 (0, 0) ，結束座標是 (1, 1)。 你可以設定兩個對號，兩個控制點的 X 值必須在 [0,1] 範圍內，並且每個控制點的 Y 值可以超過 [0,1] 限制，儘管規定不清楚多少。

即使每個控制點的 X 和 Y 值稍有變化，也會得到完全不同的曲線。讓我們看兩張貝塞爾曲線的圖，兩張圖相近但座標的控制結點卻不同。

和

如您所見，兩張圖有很大的不同， 第一個控制點向量差為 (0.045,0.183) 向量差，而第二控制點向量差為 (-0.427, -0.054) 。

第二條曲線的樣式為：

transition: transform 500ms cubic-bezier(0.465, 0.183, 0.153, 0.946);
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前兩個數字是第一個控制點的 X 和 Y 座標，後兩個數字是第二個控制點的 X 和 Y 座標。

效能優化

當你在使用動畫的時候，你應該維持 60 幀每秒，否則會影響使用者體驗。

和世界上的其他事物一樣，動畫也會有效能的開銷。一些屬性的動畫效能開銷相比其它屬性要小。例如，為元素的 width 和 height 做動畫會更改其幾何結構並且可能會造成頁面上的其它元素移動或者大小的改變，這個過程稱為佈局。我們在之前的一篇文章 中更詳細地討論了佈局和渲染。

通常，你應該避免動畫觸釋出局或重繪的屬性。 對於大多數現代瀏覽器，這意味著把動畫侷限於 opacity 和 transform 屬性。

Will-change

你可以使用 will-change 知瀏覽器你打算更改元素的屬性，這允許瀏覽器在進行更改之前進行最適當的優化。但是，不要過度使用 will-change，因為這樣做會導致瀏覽器浪費資源，從而導致更多的效能問題。

will-change 用法如下：

.box {
  will-change: transform, opacity;
}

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該屬性在 Chrome, Firefox，Opera 得到很好的相容。

JavaScript 動畫和 CSS 動畫該如果抉擇

• 根據 Google Developer，渲染執行緒分為 主執行緒 (main thread) 和 合成執行緒 (compositor thread)。如果 CSS 動畫只是改變 transforms 和 opacity，這時整個 CSS 動畫得以在 合成執行緒 完成（而JS動畫則會在 主執行緒 執行，然後觸發合成執行緒進行下一步操作），在 JS 執行一些昂貴的任務時，主執行緒繁忙，CSS 動畫由於使用了合成執行緒可以保持流暢
• 在許多情況下，也可以由合成執行緒來處理 transforms 和 opacity 屬性值的更改。
• 對於幀速表現不好的低版本瀏覽器，CSS3可以做到自然降級，而JS則需要撰寫額外程式碼。
• CSS動畫有天然事件支援（TransitionEnd、AnimationEnd，但是它們都需要針對瀏覽器加字首），JS則需要自己寫事件。
• 如果有任何動畫觸發繪畫，佈局或兩者，則需要 “主執行緒” 才能完成工作。 這對於基於 CSS 和 JavaScript 的動畫都是如此，佈局或繪製的開銷可能會使與 CSS 或 JavaScript 執行相關的任何工作相形見絀，這使得問題沒有實際意義。
• CSS3有相容性問題，而JS大多時候沒有相容性問題。

總結

如果動畫只是簡單的狀態切換，不需要中間過程控制，在這種情況下，css 動畫是優選方案。它可以讓你將動畫邏輯放在樣式檔案裡面，而不會讓你的頁面充斥 Javascript 庫。然而如果你在設計很複雜的富客戶端介面或者在開發一個有著複雜 UI 狀態的 APP。那麼你應該使用 js 動畫，這樣你的動畫可以保持高效，並且你的工作流也更可控。所以，在實現一些小的互動動效的時候，就多考慮考慮 CSS 動畫。對於一些複雜控制的動畫，使用 javascript 比較可靠。

原文： blog.sessionstack.com...

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