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2019
01-03

你真的了解回流和重绘吗？

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　　回流和重绘可以说是每一个web开发者都经常听到的两个词语，我也不例外，可是我之前一直不是很清楚这两步具体做了什么事情。最近由于部门内部要做分享，所以对其进行了一些研究，看了一些博客和书籍，整理了一些内容并且结合一些例子，写了这篇文章，希望可以帮助到大家。

　浏览器的渲染过程

　　本文先从浏览器的渲染过程来从头到尾的讲解一下回流重绘，如果大家想直接看如何减少回流和重绘，可以跳到后面。（这个渲染过程来自MDN）

　　从上面这个图上，我们可以看到，浏览器渲染过程如下：

  1. 解析HTML，生成DOM树，解析CSS，生成CSSOM树
  2. 将DOM树和CSSOM树结合，生成渲染树(Render Tree)
  3. Layout(回流):根据生成的渲染树，进行回流(Layout)，得到节点的几何信息（位置，大小）
  4. Painting(重绘):根据渲染树以及回流得到的几何信息，得到节点的绝对像素
  5. Display:将像素发送给GPU，展示在页面上。（这一步其实还有很多内容，比如会在GPU将多个合成层合并为同一个层，并展示在页面中。而css3硬件加速的原理则是新建合成层，这里我们不展开，之后有机会会写一篇博客）

　　渲染过程看起来很简单，让我们来具体了解下每一步具体做了什么。

　　生成渲染树

　　为了构建渲染树，浏览器主要完成了以下工作：

  1. 从DOM树的根节点开始遍历每个可见节点。
  2. 对于每个可见的节点，找到CSSOM树中对应的规则，并应用它们。
  3. 根据每个可见节点以及其对应的样式，组合生成渲染树。

　　第一步中，既然说到了要遍历可见的节点，那么我们得先知道，什么节点是不可见的。不可见的节点包括：

  • 一些不会渲染输出的节点，比如script、meta、link等。
  • 一些通过css进行隐藏的节点。比如display:none。注意，利用visibility和opacity隐藏的节点，还是会显示在渲染树上的。只有display:none的节点才不会显示在渲染树上。

　　注意：渲染树只包含可见的节点

　　回流

　　前面我们通过构造渲染树，我们将可见DOM节点以及它对应的样式结合起来，可是我们还需要计算它们在设备视口(viewport)内的确切位置和大小，这个计算的阶段就是回流。

　　为了弄清每个对象在网站上的确切大小和位置，浏览器从渲染树的根节点开始遍历，我们可以以下面这个实例来表示：

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1">
    <title>Critial Path: Hello world!</title>
  </head>
  <body>
    <div style="width: 50%">
      <div style="width: 50%">Hello world!</div>
    </div>
  </body>
</html>

　　我们可以看到，第一个div将节点的显示尺寸设置为视口宽度的50%，第二个div将其尺寸设置为父节点的50%。而在回流这个阶段，我们就需要根据视口具体的宽度，将其转为实际的像素值。（如下图）

　　重绘

　　最终，我们通过构造渲染树和回流阶段，我们知道了哪些节点是可见的，以及可见节点的样式和具体的几何信息(位置、大小)，那么我们就可以将渲染树的每个节点都转换为屏幕上的实际像素，这个阶段就叫做重绘节点。

　　既然知道了浏览器的渲染过程后，我们就来探讨下，何时会发生回流重绘。

　何时发生回流重绘

　　我们前面知道了，回流这一阶段主要是计算节点的位置和几何信息，那么当页面布局和几何信息发生变化的时候，就需要回流。比如以下情况：

  • 添加或删除可见的DOM元素
  • 元素的位置发生变化
  • 元素的尺寸发生变化（包括外边距、内边框、边框大小、高度和宽度等）
  • 内容发生变化，比如文本变化或图片被另一个不同尺寸的图片所替代。
  • 页面一开始渲染的时候（这肯定避免不了）
  • 浏览器的窗口尺寸变化（因为回流是根据视口的大小来计算元素的位置和大小的）

　　注意：回流一定会触发重绘，而重绘不一定会回流

　　根据改变的范围和程度，渲染树中或大或小的部分需要重新计算，有些改变会触发整个页面的重排，比如，滚动条出现的时候或者修改了根节点。

　浏览器的优化机制

　　现代的浏览器都是很聪明的，由于每次重排都会造成额外的计算消耗，因此大多数浏览器都会通过队列化修改并批量执行来优化重排过程。浏览器会将修改操作放入到队列里，直到过了一段时间或者操作达到了一个阈值，才清空队列。但是！当你获取布局信息的操作的时候，会强制队列刷新，比如当你访问以下属性或者使用以下方法：

  • offsetTop、offsetLeft、offsetWidth、offsetHeight
  • scrollTop、scrollLeft、scrollWidth、scrollHeight
  • clientTop、clientLeft、clientWidth、clientHeight
  • getComputedStyle()
  • getBoundingClientRect
  • 具体可以访问这个网站：https://gist.github.com/paulirish/5d52fb081b3570c81e3a

　　以上属性和方法都需要返回最新的布局信息，因此浏览器不得不清空队列，触发回流重绘来返回正确的值。因此，我们在修改样式的时候，最好避免使用上面列出的属性，他们都会刷新渲染队列。如果要使用它们，最好将值缓存起来。

　减少回流和重绘

　　好了，到了我们今天的重头戏，前面说了这么多背景和理论知识，接下来让我们谈谈如何减少回流和重绘。

　　最小化重绘和重排

　　由于重绘和重排可能代价比较昂贵，因此最好就是可以减少它的发生次数。为了减少发生次数，我们可以合并多次对DOM和样式的修改，然后一次处理掉。考虑这个例子

const el = document.getElementById('test');
el.style.padding = '5px';
el.style.borderLeft = '1px';
el.style.borderRight = '2px';

　　例子中，有三个样式属性被修改了，每一个都会影响元素的几何结构，引起回流。当然，大部分现代浏览器都对其做了优化，因此，只会触发一次重排。但是如果在旧版的浏览器或者在上面代码执行的时候，有其他代码访问了布局信息(上文中的会触发回流的布局信息)，那么就会导致三次重排。

　　因此，我们可以合并所有的改变然后依次处理，比如我们可以采取以下的方式：

  • 使用cssText

    const el = document.getElementById('test');
el.style.cssText += 'border-left: 1px; border-right: 2px; padding: 5px;';

  • 修改CSS的class

    const el = document.getElementById('test');
el.className += ' active';

　　批量修改DOM

　　当我们需要对DOM对一系列修改的时候，可以通过以下步骤减少回流重绘次数：

  1. 使元素脱离文档流
  2. 对其进行多次修改
  3. 将元素带回到文档中。

　　该过程的第一步和第三步可能会引起回流，但是经过第一步之后，对DOM的所有修改都不会引起回流，因为它已经不在渲染树了。

　　有三种方式可以让DOM脱离文档流：

  • 隐藏元素，应用修改，重新显示
  • 使用文档片段(document fragment)在当前DOM之外构建一个子树，再把它拷贝回文档。
  • 将原始元素拷贝到一个脱离文档的节点中，修改节点后，再替换原始的元素。

　　考虑我们要执行一段批量插入节点的代码：

function appendDataToElement(appendToElement, data) {
    let li;
    for (let i = 0; i < data.length; i++) {
        li = document.createElement('li');
        li.textContent = 'text';
        appendToElement.appendChild(li);
    }
}

const ul = document.getElementById('list');
appendDataToElement(ul, data);

　　如果我们直接这样执行的话，由于每次循环都会插入一个新的节点，会导致浏览器回流一次。

　　我们可以使用这三种方式进行优化:

　　隐藏元素，应用修改，重新显示

　　这个会在展示和隐藏节点的时候，产生两次重绘

function appendDataToElement(appendToElement, data) {
    let li;
    for (let i = 0; i < data.length; i++) {
        li = document.createElement('li');
        li.textContent = 'text';
        appendToElement.appendChild(li);
    }
}
const ul = document.getElementById('list');
ul.style.display = 'none';
appendDataToElement(ul, data);
ul.style.display = 'block';

　　使用文档片段(document fragment)在当前DOM之外构建一个子树，再把它拷贝回文档

const ul = document.getElementById('list');
const fragment = document.createDocumentFragment();
appendDataToElement(fragment, data);
ul.appendChild(fragment);

　　将原始元素拷贝到一个脱离文档的节点中，修改节点后，再替换原始的元素。

const ul = document.getElementById('list');
const clone = ul.cloneNode(true);
appendDataToElement(clone, data);
ul.parentNode.replaceChild(clone, ul);

　　对于上述那种情况，我写了一个demo来测试修改前和修改后的性能。然而实验结果不是很理想。

　　原因：原因其实上面也说过了，浏览器会使用队列来储存多次修改，进行优化，所以对这个优化方案，我们其实不用优先考虑。

　　避免触发同步布局事件

　　上文我们说过，当我们访问元素的一些属性的时候，会导致浏览器强制清空队列，进行强制同步布局。举个例子，比如说我们想将一个p标签数组的宽度赋值为一个元素的宽度，我们可能写出这样的代码：

function initP() {
    for (let i = 0; i < paragraphs.length; i++) {
        paragraphs[i].style.width = box.offsetWidth + 'px';
    }
}

　　这段代码看上去是没有什么问题，可是其实会造成很大的性能问题。在每次循环的时候，都读取了box的一个offsetWidth属性值，然后利用它来更新p标签的width属性。这就导致了每一次循环的时候，浏览器都必须先使上一次循环中的样式更新操作生效，才能响应本次循环的样式读取操作。每一次循环都会强制浏览器刷新队列。我们可以优化为:

const width = box.offsetWidth;
function initP() {
    for (let i = 0; i < paragraphs.length; i++) {
        paragraphs[i].style.width = width + 'px';
    }
}

　　同样，我也写了个demo来比较两者的性能差异。你可以自己点开这个demo体验下。这个对比差距就比较明显。

　　对于复杂动画效果,使用绝对定位让其脱离文档流

　　对于复杂动画效果，由于会经常的引起回流重绘，因此，我们可以使用绝对定位，让它脱离文档流。否则会引起父元素以及后续元素频繁的回流。这个我们就直接上个例子。

　　打开这个例子后，我们可以打开控制台，控制台上会输出当前的帧数(虽然不准)。

　　从上图中，我们可以看到，帧数一直都没到60。这个时候，只要我们点击一下那个按钮，把这个元素设置为绝对定位，帧数就可以稳定60。

　　css3硬件加速（GPU加速）

　　比起考虑如何减少回流重绘，我们更期望的是，根本不要回流重绘。这个时候，css3硬件加速就闪亮登场啦！！

　　划重点：使用css3硬件加速，可以让transform、opacity、filters这些动画不会引起回流重绘 。但是对于动画的其它属性，比如background-color这些，还是会引起回流重绘的，不过它还是可以提升这些动画的性能。

　　本篇文章只讨论如何使用，暂不考虑其原理，之后有空会另外开篇文章说明。

　　如何使用

　　常见的触发硬件加速的css属性：

  • transform
  • opacity
  • filters
  • Will-change

　　效果

　　我们可以先看个例子。我通过使用chrome的Performance捕获了一段时间的回流重绘情况，实际结果如下图：

　　从图中我们可以看出，在动画进行的时候，没有发生任何的回流重绘。如果感兴趣你也可以自己做下实验。

　　重点

  • 使用css3硬件加速，可以让transform、opacity、filters这些动画不会引起回流重绘
  • 对于动画的其它属性，比如background-color这些，还是会引起回流重绘的，不过它还是可以提升这些动画的性能。

　　css3硬件加速的坑

  • 如果你为太多元素使用css3硬件加速，会导致内存占用较大，会有性能问题。
  • 在GPU渲染字体会导致抗锯齿无效。这是因为GPU和CPU的算法不同。因此如果你不在动画结束的时候关闭硬件加速，会产生字体模糊。

　总结

　　本文主要讲了浏览器的渲染过程、浏览器的优化机制以及如何减少甚至避免回流和重绘，希望可以帮助大家更好的理解回流重绘。

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