深入理解 requestAnimationFrame

[felix-cao]

本文出处

在 Web 应用中，实现动画效果的方法比较多，JavaScript 中可以通过定时器 setTimeout/setInterval 来实现，css3 可以使用 transition 和 animation 来实现，html5 中的 canvas 也可以实现。除此之外，html5 还提供一个专门用于请求动画的 API，那就是 requestAnimationFrame，顾名思义就是请求动画帧。

一、屏幕刷新频率

即图像在屏幕上更新的速度，也即屏幕上的图像每秒钟出现的次数，它的单位是赫兹(Hz)。 对于一般笔记本电脑，这个频率大概是60Hz， 可以在桌面上右键->屏幕分辨率->高级设置->监视器 中查看和设置。这个值的设定受屏幕分辨率、屏幕尺寸和显卡的影响，原则上设置成让眼睛看着舒适的值都行。

市面上常见的显示器有两种，即 CRT 和 LCD， CRT 就是传统显示器，LCD 就是我们常说的液晶显示器。

CRT 是一种使用阴极射线管的显示器，屏幕上的图形图像是由一个个因电子束击打而发光的荧光点组成，由于显像管内荧光粉受到电子束击打后发光的时间很短，所以电子束必须不断击打荧光粉使其持续发光。电子束每秒击打荧光粉的次数就是屏幕刷新频率。

而对于 LCD 来说，则不存在刷新频率的问题，它根本就不需要刷新。因为 LCD 中每个像素都在持续不断地发光，直到不发光的电压改变并被送到控制器中，所以 LCD 不会有电子束击打荧光粉而引起的闪烁现象。

因此，即使对着电脑屏幕什么也不做的情况下，显示器也会以每秒 60 次的频率正在不断的更新屏幕上的图像。 为什么你感觉不到这个变化？ 那是因为人的眼睛有 视觉停留效应，即前一副画面留在大脑的印象还没消失，紧接着后一副画面就跟上来了，这中间只间隔了 16.7ms(1000/60≈16.7)， 所以会让你误以为屏幕上的图像是静止不动的。而屏幕给你的这种感觉是对的，试想一下，如果刷新频率变成1次/秒，屏幕上的图像就会出现严重的闪烁，这样就很容易引起眼睛疲劳、酸痛和头晕目眩等症状。

二、动画原理

根据上面的原理我们知道，你眼前所看到图像正在以每秒 60 次的频率刷新，由于刷新频率很高，因此你感觉不到它在刷新。而动画本质就是要让人眼看到图像被刷新而引起变化的视觉效果，这个变化要以连贯的、平滑的方式进行过渡。 那怎么样才能做到这种效果呢？

刷新频率为 60Hz 的屏幕每 16.7ms 刷新一次，我们在屏幕每次刷新前，将图像的位置向左移动一个像素，即 1px。这样一来，屏幕每次刷出来的图像位置都比前一个要差 1px，因此你会看到图像在移动；由于我们人眼的视觉停留效应，当前位置的图像停留在大脑的印象还没消失，紧接着图像又被移到了下一个位置，因此你才会看到图像在流畅的移动，这就是视觉效果上形成的动画。

三、setTimeout

理解了上面的概念以后，我们不难发现，setTimeout 其实就是通过设置一个间隔时间来不断的改变图像的位置，从而达到动画效果的。但我们会发现，利用 seTimeout 实现的动画在某些低端机上会出现卡顿、抖动的现象。 这种现象的产生有两个原因：

• setTimeout 的执行时间并不是确定的。在 Javascript 中， setTimeout 任务被放进了异步队列中，只有当主线程上的任务执行完以后，才会去检查该队列里的任务是否需要开始执行，因此 setTimeout 的实际执行时间一般要比其设定的时间晚一些。

• 刷新频率受屏幕分辨率和屏幕尺寸的影响，因此不同设备的屏幕刷新频率可能会不同，而 setTimeout只能设置一个固定的时间间隔，这个时间不一定和屏幕的刷新时间相同。

以上两种情况都会导致 setTimeout 的执行步调和屏幕的刷新步调不一致，从而引起丢帧现象。 那为什么步调不一致就会引起丢帧呢？

首先要明白，setTimeout 的执行只是在内存中对图像属性进行改变，这个变化必须要等到屏幕下次刷新时才会被更新到屏幕上。如果两者的步调不一致，就可能会导致中间某一帧的操作被跨越过去，而直接更新下一帧的图像。假设屏幕每隔 16.7ms 刷新一次，而 setTimeout 每隔 10ms 设置图像向左移动 1px， 就会出现如下绘制过程：

• 第0ms: 屏幕未刷新，等待中，setTimeout 也未执行，等待中；
• 第10ms: 屏幕未刷新，等待中，setTimeout 开始执行并设置图像属性 left=1px；
• 第16.7ms: 屏幕开始刷新，屏幕上的图像向左移动了 1px， setTimeout 未执行，继续等待中；
• 第20ms: 屏幕未刷新，等待中，setTimeout 开始执行并设置 left=2px;
• 第30ms: 屏幕未刷新，等待中，setTimeout开始执行并设置 left=3px;
• 第33.4ms:屏幕开始刷新，屏幕上的图像向左移动了3px， setTimeout 未执行，继续等待中；
  …

从上面的绘制过程中可以看出，屏幕没有更新 left=2px 的那一帧画面，图像直接从 1px 的位置跳到了 3px 的的位置，这就是丢帧现象，这种现象就会引起动画卡顿。

四、requestAnimationFrame

与setTimeout相比，requestAnimationFrame最大的优势是由系统来决定回调函数的执行时机。具体一点讲，如果屏幕刷新率是60Hz,那么回调函数就每16.7ms被执行一次，如果刷新率是75Hz，那么这个时间间隔就变成了1000/75=13.3ms，换句话说就是，requestAnimationFrame的步伐跟着系统的刷新步伐走。它能保证回调函数在屏幕每一次的刷新间隔中只被执行一次，这样就不会引起丢帧现象，也不会导致动画出现卡顿的问题。

这个API的调用很简单，如下所示：

var progress = 0;
//回调函数
function render() {
    progress += 1; //修改图像的位置
 
    if (progress < 100) {
           //在动画没有结束前，递归渲染
           window.requestAnimationFrame(render);
    }
}
 
//第一帧渲染
window.requestAnimationFrame(render);

除此之外，requestAnimationFrame还有以下两个优势：

• CPU节能：使用setTimeout实现的动画，当页面被隐藏或最小化时，setTimeout 仍然在后台执行动画任务，由于此时页面处于不可见或不可用状态，刷新动画是没有意义的，完全是浪费CPU资源。而requestAnimationFrame则完全不同，当页面处理未激活的状态下，该页面的屏幕刷新任务也会被系统暂停，因此跟着系统步伐走的requestAnimationFrame也会停止渲染，当页面被激活时，动画就从上次停留的地方继续执行，有效节省了CPU开销。
• 函数节流：在高频率事件(resize,scroll等)中，为了防止在一个刷新间隔内发生多次函数执行，使用requestAnimationFrame可保证每个刷新间隔内，函数只被执行一次，这样既能保证流畅性，也能更好的节省函数执行的开销。一个刷新间隔内函数执行多次时没有意义的，因为显示器每 16.7ms 刷新一次，多次绘制并不会在屏幕上体现出来。

五、优雅降级

由于requestAnimationFrame目前还存在兼容性问题，而且不同的浏览器还需要带不同的前缀。因此需要通过优雅降级的方式对requestAnimationFrame进行封装，优先使用高级特性，然后再根据不同浏览器的情况进行回退，直止只能使用setTimeout的情况。下面的代码就是有人在github上提供的polyfill，详细介绍请参考github代码 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;
    }
}());

Reference

• Understanding requestAnimationFrame