渲染主循环（main loop）和requestAnimationFrame

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小牛编辑

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2023-12-01

曾经写过一段JavaScript代码，因为涉及到需要循环调用某个函数来实现动画的功能，很自然地，我想到了使用setInterval函数（或者setTimeout，大家是否有类似经历呢？），然后心满意足地很快的搞定。结束后，朋友帮忙阅读了一下代码，他提醒我是不是可以考虑使用requestAnimationFrame。之前一直知道这个函数，也知道一些它的一些优点，问题是为什么呢？本着追究到底的精神，决定还是去阅读一下WebKit相关代码和一些相关文档，了解它们背后的故事。好吧，本章我将和大家一起来学习和探讨这背后的故事…

背景

接触过JavaScript的读者应该有过了解或者使用setTimeout或者setInterval的经历，其功能是在每个时间间隔之后一次性或者重复多次执行一段JavaScript代码（称为回调函数），以完成特定的动画要求。但是，这里面有还有些疑问：

时间间隔应该设置为多少才合适呢？跟屏幕的分辨率有关系吗？
设置的时间间隔会按照预想的执行吗？动画会被平滑地显示出效果吗？
回调函数是复杂的好还是简单的好呢？应该如何编写才能效率高呢？
与平台和浏览器相关吗？如何适应不同平台呢？

这对setTimeout和setInterval来说很重要。如果对mainloop机制和渲染机制有一定了解的读者来说，上面这几条其实是非常难做到地，哪怕是较为接近理想的结果。

幸运地是，总是有聪明的人来帮助大家解决难题。对问题提出一个漂亮解决方案的是mozilla的Robert O’Callahan。他的灵感和依据来源于CSS。CSS是知道动画什么时候发生，所以能够较为准确的知道什么时候刷新UI。对于JavaScript来说，是不是也可以根据类似的机制呢？答案是肯定地。其做法是增加一个新的方法requestAnimationFrame, 该方法告诉浏览器JavaScript想发起一个动画帧，然后在动画帧绘制之前，需要做一些动作，这样浏览器可以根据需要来优化自己的mainloop机制和调用时间点，以达到较好地平衡效果。好吧，下面来看看mainloop机制及其工作原理。

渲染mainloop

因为chromium是多进程的结构（参看Chromium多进程架构篇），所以，跟一般浏览器不一样的是，Browser进程UI用户界面的mainloop和Renderer进程的主线程的mainloop不是同一个，分别位于两个不同的进程，所以UI和渲染可以互相不影响，听起来这好像很不错，是的，但是问题依然存在，那就是Renderer进程的渲染工作和JavaScript的执行工作都在其主线程中，由mainloop来负责调度完成，所以竞争依然存在。

大致过程是一个大的循环加上一个事件队列，具体的过程，如下图所示。当队列中有事件时，从队列中取出第一个事件，设置相应的状态信息，处理该事件及其对应的处理函数，直到该函数处理完后，才重新检查队列中是否有事件。如果有，继续处理；如果没有，则继续等待。这其中可以看出，如果队列中事件多的时候，那么很多事件可能来不及处理，从而造成比较大的延时，因而事件的平均等待时间会比较长。同时，如果事件的处理函数需要的时间很长，就会造成后面的事件一直在等待，同样会增加事件的平均等待时间。而当队列比较空闲时或者事件的处理函数需要的时间比较短，则事件的平均等待时间会相对小很多。

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WebKit和Chromium中的实现

理解了mainloop之后，下面来看一看setTimeout和setInterval的实现。

来看一下它们的实现：WebKit中setTimeout和setInterval的实现机制是类似的，区别在于后者是重复性的，见下图所示的类图关系。

WebKit会为DOM中的每个setTimeout和setInterval的调用创建一个DOMTimer，而后该对象会由存储TLS（thread localstorage）中的ThreadTimers负责管理，其内部其实是一个最小堆，每次取timeout时间最小的，同时，时间相同的Timer可以合并。

当Timer超时后，Chromium清除该Timer对象，同时调用相应的回调函数，回调函数通常会更新页面的样式和布局，这会触发relayout，从而触发立即重新绘制一个新帧。

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结合上面的描述，我们大致地总结setTimeout和setInterval主要不足就是：

setTimeout和setInterval从不考虑浏览器内部发生了其他什么事，它只要求浏览器在某个时间之后调用它的回调函数，无论浏览器很繁忙或者页面被隐藏（虽然某些浏览器做了这方面的优化，例如chromium）；
setTimeout和setInterval只要求浏览器做什么，而不管浏览器能不能做到（例如mainloop有很多事件需要处理），这有点强人所难，而且会带来极大的资源浪费。举个例子，例如屏幕的刷新率是60HZ，但是设置的时间间隔是5ms，其实对用户来说根本看不到这些变化，但是额外需要消耗更多的CPU资源，太不环保了…
setTimeout和setInterval可能是编程风格方面的考虑。如果每一帧可能在不同的代码出需要设置回调函数，一个方法是统一到一个地方，但是这有点勉为其难，另一个方法是分别用setInterval设置它们，这个方法的问题是，浏览器可能需要计算更多次，刷新更多次的屏幕，唉。

现在再来看看requestAnimationFrame的实现，看看其如何解决这些不足之处的。其原理就是其会申请绘制下一帧，至于什么时候不知道，由浏览器决定，只需要浏览器在绘制下一帧前执行其设置的回调函数，完成JavaScript对动画所做的设置和逻辑即可。基本过程是这样的：

JavaScript调用requestAnimationFrame，因而相应的webkit和chromium会调度一个需要绘制下一证的事件，该事件会将requestAnimationFrame的调用上下文和回调函数记录下来；
上面的请求会触发Chromium更新页面内容的事件，该事件被mainloop调度处理后，会检查是否需要调用动画的相关处理，因为有动画需要处理，所以会依次调用那些回调函数，JavaScript引擎会更新相应的CSS属性或者DOM树修改；
Chromium触发重新计算layout（参看layout章节），更新自己的Renderer树（参看webkit渲染基础章节），而后绘制，完成一帧的渲染。

下图是一个上述过程对应的状态转换图，来源于chromium的官方网站，看着的确比较饶人，可以先理解一下其中几个主要的概念:

Floortime：指的是绘制下一帧之前需要等待的事件间隔
Invalidation：触发重新绘制请求的操作；
scheduleAnimation：JavaScript调用requestAnimationFrame所引起的WebKit内部请求调度动画的操作；
这些状态的转换倒是说明了，requestAnimationFrame可以很好地和Chromium内部的绘制过程结合，从而达到比较好的性能。

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为了实现更好的性能，chromium中对requestAnimationFrame有三个设计原则 1. 当页面不可见时，其回调函数不会被调用，这可以减少CPU和GPU的使用率，更环保嘛； 2. 其最大调用频率不会超过60hz，无论屏幕的刷新率是多少，因而回调函数也不会每秒调用超过60次，这是因为60FPS已经能够满足UI流畅的要求了，更频繁的刷新效果不明显； 3. 只有当页面真正开始渲染时，回调函数才会被调用。为了对比二者的性能上的差异，我测试了GuiMark中HTML5Charting Test benchmark，修改里面一些代码（其缺省使用的是setInterval，改为requestAnimationFrame作对比），从实际测试的效果上看，在Google Chrome中，两者相差不是特别大，使用了requestAnimationFrame的benchmark的FPS大概只好了1～2FPS，所以chrome对timer机制的优化做地应该相当不错。如果你遇到了其他差别比较大的例子，欢迎跟我和大家分享。 Google Chrome对其处理的比较好不代表其他浏览器也是，所以各位还是在编程时候多考虑考虑，多思考思考，为了更好的性能，为了环保…

设计机制带来的编程考虑

最后，结合mainloop和requestAnimationFrame的设计原理和机制，看一看它们带给我们在编写JavaScript代码时有哪些方面的思考和便利： 1. 回调函数不能太大，不能占用太长时间，否则会影响页面的响应和绘制的频率； 2. requestAnimationFrame不需要设置间隔时间，不同刷新率的间隔时间不一样，这完全由浏览器来控制，而不需要JavaScript程序员操心； 3. 回调函数无需合并，程序员可以在任意位置设置回调函数，它们可以被浏览器集中处理，而无需要一个统一的入口。

源文件目录

third_party/WebKit/Source/WebCore/page/
  支持requestAnimationFrame，setTimeout和setInterval的绝大多数基础设施都在这里，建议在该目录下搜索这些关键字即可
third_party/WebKit/Source/WebCore/platform
  Timer方面的一些支持

参考文献

http://dev.chromium.org/developers/design-documents/requestAnimationFrame-implementation
http://www.cnblogs.com/rubylouvre/archive/2011/08/22/2148793.html
http://www.nczonline.net/blog/2011/05/03/better-javascript-animations-with-requestAnimationFrame/
https://developer.mozilla.org/en-US/docs/DOM/window.requestAnimationFrame
http://www.w3.org/TR/animation-timing/#requestAnimationFrame
http://creativejs.com/resources/requestAnimationFrame/
http://www.craftymind.com/factory/guimark2/HTML5ChartingTest.html