参考答案

面试中可能会经常会碰到怎么解决动画卡顿的问题，然后会引导到硬件加速。那么究竟什么是硬件加速，为什么它可以提高咱们的动画效率？我们今天就来一探究竟。

首先，我们先从 CPU 和 GPU 开始了解。

CPU 和 GPU 的区别

CPU 即中央处理器，GPU 即图形处理器。

CPU是计算机的大脑，它提供了一套指令集，我们写的程序最终会通过 CPU 指令来控制的计算机的运行。它会对指令进行译码，然后通过逻辑电路执行该指令。整个执行的流程分为了多个阶段，叫做流水线。指令流水线包括取指令、译码、执行、取数、写回五步，这是一个指令周期。CPU会不断的执行指令周期来完成各种任务。

GPU，是Graphics ProcessingUnit的简写，是现代显卡中非常重要的一个部分，其地位与CPU在主板上的地位一致，主要负责的任务是加速图形处理速度。GPU是显卡的“大脑”，它决定了该显卡的档次和大部分性能，同时也是2D显示卡和3D显示卡的区别依据。2D显示芯片在处理3D图像和特效时主要依赖CPU的处理能力，称为“软加速”。3D显示芯片是将三维图像和特效处理功能集中在显示芯片内，也即所谓的“硬件加速”功能。

要解释两者的区别，要先明白两者的相同之处：两者都有总线和外界联系，有自己的缓存体系，以及数字和逻辑运算单元。

一句话，两者都为了完成计算任务而设计。

两者的区别在于存在于片内的缓存体系和数字逻辑运算单元的结构差异：

  • CPU虽然有多核，但总数没有超过两位数，每个核都有足够大的缓存和足够多的数字和逻辑运算单元，并辅助有很多加速分支判断甚至更复杂的逻辑判断的硬件；
  • GPU 的核数远超CPU，被称为众核（NVIDIA Fermi有512个核）。每个核拥有的缓存大小相对小，数字逻辑运算单元也少而简单（GPU初始时在浮点计算上一直弱于CPU）。

从结果上导致CPU擅长处理具有复杂计算步骤和复杂数据依赖的计算任务，如分布式计算，数据压缩，人工智能，物理模拟，以及其他很多很多计算任务等。

GPU由于历史原因，是为了视频游戏而产生的（至今其主要驱动力还是不断增长的视频游戏市场），在三维游戏中常常出现的一类操作是对海量数据进行相同的操作，如：对每一个顶点进行同样的坐标变换，对每一个顶点按照同样的光照模型计算颜色值。

GPU的众核架构非常适合把同样的指令流并行发送到众核上，采用不同的输入数据执行。在通用计算领域有广泛应用，包括：数值分析，海量数据处理（排序，Map-Reduce等），金融分析等等。

简而言之，当程序员为CPU编写程序时，他们倾向于利用复杂的逻辑结构优化算法从而减少计算任务的运行时间，即 Latency。当程序员为GPU编写程序时，则利用其处理海量数据的优势，通过提高总的数据吞吐量（Throughput）来掩盖 Lantency。

目前，CPU 和 GPU 的区别正在逐渐缩小，因为GPU也在处理不规则任务和线程间通信方面有了长足的进步。

每一帧的执行步骤

一般浏览器的刷新率为60HZ，即1秒钟刷新60次。

1000ms / 60hz = 16.6 ，也就是大概每过 16.6ms 浏览器就会渲染一帧画面。

浏览器对每一帧画面的渲染工作都要在 16ms 内完成，超出这个时间，页面的渲染就会出现卡顿现象，影响用户体验。

简单概括下，浏览器在每一帧里会依次执行以下这些动作：

  • JavaScript：JavaScript 实现动画效果，DOM 元素操作等。
  • Style（计算样式）：确定每个 DOM 元素应该应用什么 CSS 规则。
  • Layout（布局）：计算每个 DOM 元素在最终屏幕上显示的大小和位置。由于 web 页面的元素布局是相对的，所以其中任意一个元素的位置发生变化，都会联动的引起其他元素发生变化，这个过程叫 reflow。
  • Paint（绘制）：在多个层上绘制 DOM 元素的的文字、颜色、图像、边框和阴影等。
  • Composite（渲染层合并）：按照合理的顺序合并图层然后显示到屏幕上。

减少或者避免 layout，paint 可以让页面减少卡顿，动画效果更加流畅。

完整的渲染流程

更具体一些，一个完整的渲染步骤大致可总结为如下：

  • 渲染进程将HTML内容转换为能够读懂的DOM树结构。
  • 渲染引擎将CSS样式表转化为浏览器可以理解的 styleSheets ，计算出DOM节点的样式。
  • 创建布局树，并计算元素的布局信息。
  • 对布局树进行分层，并生成分层树。
  • 为每个图层生成绘制列表，并将其提交到合成线程。
  • 合成线程将图层分成图块，并在光栅化线程池中将图块转换成位图。
  • 合成线程发送绘制图块命令DrawQuad给浏览器进程。
  • 浏览器进程根据DrawQuad消息生成页面，并显示到显示器上

普通图层和复合图层

上面的介绍中，提到了 composite 概念。

可以简单的这样理解，浏览器渲染的图层一般包含两大类：渲染图层（普通图层）以及复合图层

  • 渲染图层：又称默认复合层，是页面普通的文档流。我们虽然可以通过绝对定位，相对定位，浮动定位脱离文档流，但它仍然属于默认复合层，共用同一个绘图上下文对象（GraphicsContext）。
  • 复合图层，它会单独分配资源（当然也会脱离普通文档流，这样一来，不管这个复合图层中怎么变化，也不会影响默认复合层里的回流重绘）

某些特殊的渲染层会被提升为复合成层（Compositing Layers），复合图层拥有单独的 GraphicsLayer，而其他不是复合图层的渲染层，则和其第一个拥有 GraphicsLayer 父层共用一个。

每个 GraphicsLayer 都有一个 GraphicsContext，GraphicsContext 会负责输出该层的位图，位图是存储在共享内存中，作为纹理上传到 GPU 中，最后由 GPU 将多个位图进行合成，然后 draw 到屏幕上，此时，我们的页面也就展现到了屏幕上。

可以 Chrome源码调试 -> More Tools -> Rendering -> Layer borders中看到，黄色的就是复合图层信息。

硬件加速

硬件加速，直观上说就是依赖 GPU 实现图形绘制加速，软硬件加速的区别主要是图形的绘制究竟是 GPU 来处理还是 CPU，如果是 GPU，就认为是硬件加速绘制，反之，则为软件绘制。

一般一个元素开启硬件加速后会变成复合图层，可以独立于普通文档流中，改动后可以避免整个页面重绘，提升性能。

常用的硬件加速方法有：

  • 最常用的方式：translate3d、translateZ
  • opacity 属性/过渡动画（需要动画执行的过程中才会创建合成层，动画没有开始或结束后元素还会回到之前的状态）
  • will-change属性（这个知识点比较冷僻），一般配合 opacity 与 translate 使用（而且经测试，除了上述可以引发硬件加速的属性外，其它属性并不会变成复合层），作用是提前告诉浏览器要变化，这样浏览器会开始做一些优化工作（这个最好用完后就释放）
  • <video>、<iframe>、<canvas>、<webgl>等元素
  • 其它，譬如以前的 flash 插件

当然，有的时候我们想强制触发硬件渲染，就可以通过上面的属性，比如

will-change: transform;

或者

transform:translate3d(0, 0, 0);

使用硬件加速的注意事项

使用硬件加速并不是十全十美的事情，比如：

  • 内存。如果GPU加载了大量的纹理，那么很容易就会发生内容问题，这一点在移动端浏览器上尤为明显，所以，一定要牢记不要让页面的每个元素都使用硬件加速。
  • 使用GPU渲染会影响字体的抗锯齿效果。这是因为GPU和CPU具有不同的渲染机制。即使最终硬件加速停止了，文本还是会在动画期间显示得很模糊。

所以不要大量使用复合图层，否则由于资源消耗过度，页面可能会变的更加卡顿。

同时，在使用硬件加速时，尽可能的使用z-index，防止浏览器默认给后续的元素创建复合层渲染。

具体的原理是这样的：

webkit CSS3中，如果一个元素添加了硬件加速，并且z-index层级比较低，那么在这个元素的后面其它元素（层级比这个元素高的，或者相同的，并且releative或absolute属性相同的），会默认变为复合层渲染，如果处理不当会极大的影响性能。

简单点理解，其实可以认为是一个隐式合成的概念：如果a是一个复合图层，而且b在a上面，那么b也会被隐式转为一个复合图层，这点需要特别注意。