requestAnimationFrame 知多少？

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，即  requestAnimationFrame（rAF），顧名思義就是 “請求動畫幀”。 為了深入理解  rAF 背后的原理（后文的 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：

屏幕繪制頻率

即圖像在屏幕上更新的速度，也即屏幕上的圖像每秒鍾出現的次數，它的單位是赫茲(Hz)。 對於一般筆記本電腦，這個頻率大概是60Hz， 可以在桌面上 右鍵 > 屏幕分辨率 > 高級設置 > 監視器 中查看和設置。這個值的設定受屏幕分辨率、屏幕尺寸和顯卡的影響，原則上設置成讓眼睛看着舒適的值都行。

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，屏幕上的圖形圖像是由一個個因電子束擊打而發光的熒光點組成，由於顯像管內熒光粉受到電子束擊打后發光的時間很短，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屏幕繪制頻率。

而對於 LCD 來說，則不存在繪制頻率的問題，因為 LCD 中每個像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，當你對着電腦屏幕什么也不做的情況下，顯示器也會以每秒60次的頻率正在不斷的更新屏幕上的圖像。為什么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，緊接着后一副畫面就跟上來了，這中間只間隔了16.7ms(1000/60≈16.7)， 所以會讓你誤以為屏幕上的圖像是靜止不動的。而屏幕給你的這種感覺是對的，試想一下，如果刷新頻率變成1次/秒，屏幕上的圖像就會出現嚴重的閃爍，這樣就很容易引起眼睛疲勞、酸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，你眼前所看到圖像正在以每秒 60 次的頻率繪制，由於頻率很高，所以你感覺不到它在繪制。而 動畫本質就是要讓人眼看到圖像被繪制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。 那怎么樣才能做到這種效果呢？ 

60Hz 的屏幕每 16.7ms 繪制一次，如果在屏幕每次繪制前，將元素的位置向左移動一個像素，即1px，這樣一來，屏幕每次繪制出來的圖像位置都比前一個要差1px，你就會看到圖像在移動；而由於人眼的視覺停留效應，當前位置的圖像停留在大腦的印象還沒消失，緊接着圖像又被移到了下一個位置，這樣你所看到的效果就是，圖像在流暢的移動。這就是視覺效果上形成的動畫。 

setTimeout

理解了上面的概念以后，我們不難發現，setTimeout 其實就是通過設置一個間隔時間來不斷的改變圖像的位置，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 任務被放進了異步隊列中，只有當主線程上的任務執行完以后，才會去檢查該隊列里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。
• 刷新頻率受 屏幕分辨率 和 屏幕尺寸 的影響，不同設備的屏幕繪制頻率可能會不同，而 setTimeout 只能設置一個固定的時間間隔，這個時間不一定和屏幕的刷新時間相同。

以上兩種情況都會導致 setTimeout 的執行步調和屏幕的刷新步調不一致，從而引起丟幀現象。 那為什么步調不一致就會引起丟幀呢？ 

首先要明白，setTimeout 的執行只是在內存中對元素屬性進行改變，這個變化必須要等到屏幕下次繪制時才會被更新到屏幕上。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。假設屏幕每隔16.7ms刷新一次，而setTimeout 每隔10ms設置圖像向左移動1px， 就會出現如下繪制過程（表格）：

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

從上面的繪制過程中可以看出，屏幕沒有更新 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 由系統來決定回調函數的執行時機。具體一點講就是，系統每次繪制之前會主動調用 rAF 中的回調函數，如果系統繪制率是 60Hz，那么回調函數就每16.7ms 被執行一次，如果繪制頻率是75Hz，那么這個間隔時間就變成了 1000/75=13.3ms。換句話說就是，rAF 的執行步伐跟着系統的繪制頻率走。它能保證回調函數在屏幕每一次的繪制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的調用很簡單，如下所示：

 var progress = 0;
 //回調函數
 function render() {
     progress += 1; //修改圖像的位置

     if (progress < 100) {
            //在動畫沒有結束前，遞歸渲染
            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 仍然在后台執行動畫任務，由於此時頁面處於不可見或不可用狀態，刷新動畫是沒有意義的，而且還浪費 CPU 資源。而 rAF 則完全不同，當頁面處理未激活的狀態下，該頁面的屏幕繪制任務也會被系統暫停，因此跟着系統步伐走的 rAF 也會停止渲染，當頁面被激活時，動畫就從上次停留的地方繼續執行，有效節省了 CPU 開銷。

函數節流：在高頻率事件(resize,scroll 等)中，為了防止在一個刷新間隔內發生多次函數執行，使用 rAF 可保證每個繪制間隔內，函數只被執行一次，這樣既能保證流暢性，也能更好的節省函數執行的開銷。一個繪制間隔內函數執行多次時沒有意義的，因為顯示器每16.7ms 繪制一次，多次繪制並不會在屏幕上體現出來。

優雅降級

由於 rAF 目前還存在兼容性問題，而且不同的瀏覽器還需要帶不同的前綴。因此需要通過優雅降級的方式對 rAF 進行封裝，優先使用高級特性，然后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，因此可以這么寫：

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 的兼容性，並且不是所有的設備繪制時間間隔都是1000/60，下面的代碼是比較全的一個 polyfill，詳情介紹請參考： requestAnimationFrame　

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;
    }
}());

 

原創發布 @一像素　2017.06.26