【前端词典】实现 Canvas 下雪背景引起的性能思考

前言

去年圣诞节产品提了一个活动需求，其中有一个下雪的背景动画。在作这个动画的过程当中加深了对 canvas 动画的一些了解，在这里我仅是抛砖引玉的分享一下，欢迎各位大佬批评。

代码已上传至 github 【https://github.com/wanqihua/koa-canvas】，感兴趣的能够 clone 代码到本地运行。望给个 star 支持一下。

入题

需求给出的 UI 样式以下：

UI 的需求是雪花下落的方向有点倾斜角度，每片雪花的下落速度不同但要保持在一个范围内。

需求了解的差很少就开始实现这个效果（在看这篇文章以前你须要对 canvas 的一些基本 API 了解）。

drawImage

drawImage 可传入 9 个参数，上图中的 5 个参数是比较经常使用的，另外几个参数是拿来剪切图片的。

直接使用 drawImage 来剪切图片，其性能不会太好，建议先将须要使用的部分用一个离屏 canvas 保存起来，须要用到的时候直接使用便可。

requestAnimationFrame

requestAnimationFrame 相对于 setinterval 处理动画有如下几个优点：

1. 通过浏览器优化，动画更流畅

2. 窗口没激活时，动画将中止，省计算资源

3. 更省电，尤为是对移动终端

这个 API 不须要传入动画间隔时间，这个方法会告诉浏览器以最佳的方式进行动画重绘。

因为兼容性问题，可使用如下方法对 requestAnimationFrame 进行重写：

window.requestAnimationFrame = (function(){

        return  window.requestAnimationFrame       || 

                window.webkitRequestAnimationFrame || 

                window.mozRequestAnimationFrame    || 

                window.oRequestAnimationFrame      || 

                window.msRequestAnimationFrame     || 

                function (callback) {

                    window.setTimeout(callback, 1000 / 60); 

                };

    })();

对于其余 API 烦请查阅文档。

第一次尝试

有一个大概想法后就开心的开始写代码了，基本思路就是使用 requestAnimationFrame 来刷新 canvas 画板。

因为雪花不规则，因此雪花是 UI 提供的图片，既然是图片咱们就须要先将图片预加载好，要否则在转换图片的时候极可能影响性能。

使用的预加载方法以下：

function preloadImg(srcArr){

    if(srcArr instanceof Array){

        for(let i = 0; i < srcArr.length; i++){

            let oImg = new Image();

            oImg.src = srcArr[i];

        }

    }

}

前先后后写了一个下午，算是写好了，在手机上查看的效果发现非常卡顿。100 片雪花 FPS 居然才 40 多。并且在某些机型会出现抖动的状况。

要是产品看到这个效果，恐怕是又要召集相关人员开相关会议了。这么卡顿确定是写了些开销大的代码，因而乎须要第二次尝试。

晚上仍是须要按时下班的。不过下班回家后也不能闲着，开始找相关的资料，以便次日快速的完成。

第二次尝试前的准备

通过一个晚上的查找学习，大概知道了如下几个优化 canvas 性能的方法：

1. 使用多层画布绘制复杂场景

分层的目的是下降彻底没必要要的渲染性能开销。

即：将变化频率高、幅度大的部分和变化频率小、幅度小的部分分红两个或两个以上的 canvas 对象。也就是说生成多个 canvas 实例，把它们重叠放置，每一个 Canvas 使用不一样的 z-index 来定义堆叠的次序。

<canvas style="position: absolute; z-index: 0"></canvas>

<canvas style="position: absolute; z-index: 1"></canvas>

// js 代码

2. 使用 requestAnimationFrame 制做动画

上面有提到。

3. 清除画布尽可能使用 clearRect

通常状况下的性能： clearRect > fillRect > canvas.width=canvas.width;

4. 使用离屏绘制进行预渲染

当时用 drawImage 绘制一样的一块区域：

1. 若数据源（图片、canvas）和 canvas 画板的尺寸相仿，那么性能会比较好；

2. 若数据源只是大图上的一部分，那么性能就会比较差；由于每一次绘制还包含了裁剪工做。

第二种状况咱们就能够先把待绘制的区域裁剪好，保存在一个离屏的 canvas 对象中。在绘制每一帧的时候，在将这个对象绘制到 canvas 画板中。

drawImage 方法的第一个参数不只能够接收 Image 对象，也能够接收另外一个 Canvas 对象。并且，使用 Canvas 对象绘制的开销与使用 Image 对象的开销几乎彻底一致。

当每一帧须要调用的对象须要屡次调用 canvasAPI 时，咱们也可使用离屏绘制进行预渲染的方式来提升性能。

即：

let cacheCanvas = document.createElement("canvas");

let cacheCtx = this.cacheCanvas.getContext("2d");

cacheCtx.save();

cacheCtx.lineWidth = 1;

for(let i = 1;i < 40; i++){

    cacheCtx.beginPath();

    cacheCtx.strokeStyle = this.color[i];

    cacheCtx.arc(this.r , this.r , i , 0 , 2*Math.PI);

    cacheCtx.stroke();

}

this.cacheCtx.restore();

// 在绘制每一帧的时候，绘制这个图形

context.drawImage(cacheCtx, x, y);

cacheCtx 的宽高尽可能设置成实际使用的宽高，不然过多空白区域也会形成性能的损耗。

下图显示了使用离屏绘制进行预渲染技术所带来的性能改善状况：

5. 尽可能少调用 canvasAPI ，尽量集中绘制

以下代码：

for (var i = 0; i < points.length - 1; i++) {

    var p1 = points[i];

    var p2 = points[i + 1];

    context.beginPath();

    context.moveTo(p1.x, p1.y);

    context.lineTo(p2.x, p2.y);

    context.stroke();

}

能够改为：

context.beginPath();

for (var i = 0; i < points.length - 1; i++) {

    var p1 = points[i];

    var p2 = points[i + 1];

    context.moveTo(p1.x, p1.y);

    context.lineTo(p2.x, p2.y);

}

context.stroke();

tips: 写粒子效果时，可使用方形替代圆形，由于粒子小，因此方和圆看上去差很少。有人问为何？很容易理解，画一个圆须要三个步骤：先 beginPath，而后用 arc 画弧，再用 fill。而画方只须要一个 fillRect。当粒子对象达必定数量时性能差距就会显示出来了。

6. 像素级别操做尽可能避免浮点运算

进行 canvas 动画绘制时，若坐标是浮点数，可能会出现 CSSSub-pixel 的问题.也就是会自动将浮点数值四舍五入转为整数，在动画的过程当中就可能出现抖动的状况，同时也可能让元素的边缘出现抗锯齿失真状况。

虽然 javascript 提供了一些取整方法，像 Math.floor， Math.ceil， parseInt，但 parseInt这个方法作了一些额外的工做（好比检测数据是否是有效的数值、先将参数转换成了字符串等），因此，直接用 parseInt 的话相对来讲比较消耗性能。
能够直接用如下巧妙的方法进行取整：

function getInt(num){

    var rounded;

    rounded = (0.5 + num) | 0;

    return rounded;

}

另 for 循环的效率是最高的，感兴趣的能够自行实验。

第二次尝试

经过昨天晚上的查阅，对这个动画作了如下几点优化:

1. 使用离屏绘制进行预渲染

2. 减小部分 API 的使用

3. 浮点数取整

4. 缓存变量

5. 使用 for 循环，替代 forEach

6. 将总体代码使用原型链方式改写了一遍

方案写好了就开始愉快的写代码了。

200 片雪花的时候 FPS 基本稳定在 60，并且抖动的状况也没了；
增长到 1000 片的时候， FPS 仍是基本稳定在 60；
增长到 1500 片的时候，稍微有点零星的卡帧；
增长到 2000 片的时候，开始卡顿。

这说明这个动画仍是没有优化好，还有优化空间，请各位大佬不吝指教。

推荐使用 stats.js 插件，这个插件能够显示动画运行时的 FPS。

主要代码

let snowBox = function () {

    let canvasEl = document.getElementById("snowFall");

    let ctx = canvasEl.getContext('2d');

    canvasEl.width = window.innerWidth;

    canvasEl.height = window.innerHeight;

    let lineList = []; // 雪的容器

    let snow = function () {

        let _this = this;

        _this.cacheCanvas = document.createElement("canvas");

        _this.cacheCtx = _this.cacheCanvas.getContext("2d");

        _this.cacheCanvas.width = 10;

        _this.cacheCanvas.height = 10;

        _this.speed = [1, 1.5, 2][Math.floor(Math.random()*3)];                // 雪花下落的三种速度，便于取整

        _this.posx = Math.round(Math.random() * canvasEl.width);               // 雪花x坐标

        _this.posy = Math.round(Math.random() * canvasEl.height);              // 雪花y坐标

        _this.img = `./img/snow_(${Math.ceil(Math.random() * 9)}).png`;        // img

        _this.w = _this.getInt(5 + Math.random() * 6);

        _this.h = _this.getInt(5 + Math.random() * 6);

        _this.cacheSnow();

    };

    snow.prototype = {

        cacheSnow: function () {

            let _this = this;

            // _this.cacheCtx.save();

            let img = new Image();   // 建立img元素

            img.src = _this.img;

            _this.cacheCtx.drawImage(img, 0, 0, _this.w, _this.h);

            // _this.cacheCtx.restore();

        },

        fall: function () {

            let _this = this;

            if (_this.posy > canvasEl.height + 5) {

                _this.posy = _this.getInt(0 - _this.h);

                _this.posx = _this.getInt(canvasEl.width * Math.random());

            }

            if (_this.posx > canvasEl.width + 5) {

                _this.posx = _this.getInt(0 - _this.w);

                _this.posy = _this.getInt(canvasEl.height * Math.random());

            }

            // 若是雪花在可视区域

            if (_this.posy <= canvasEl.height || _this.posx <= canvasEl.width) {

                _this.posy = _this.posy + _this.speed;

                _this.posx = _this.posx + _this.speed * .5;

            }

            _this.paint();

        },

        paint: function () {

            ctx.drawImage(this.cacheCanvas, this.posx, this.posy)

        },

        getInt: function(num){

            let rounded;

            rounded = (0.5 + num) | 0;

            return rounded;

        }

    };

    let control;

    control = {

        start: function (num) {

            for (let i = 0; i < num; i++) {

                let s = new snow();

                lineList.push(s);

            }

            (function loop() {

                ctx.clearRect(0, 0, canvasEl.width, canvasEl.height);

                for (let i = 0; i < num; i++) {

                    lineList[i].fall();

                }

                requestAnimationFrame(loop)

            })();

        }

    };

    return control;

}();

window.onload = function(){

    snowBox.start(2000)

};

建议从 github clone 代码到本地运行。

后话

这篇文章虽说是关于 canvas 动画的性能优化。一些大佬也已经看出，其余方面的性能优化方案和这个大抵相同，无非是：

减小 API 的使用

使用缓存（重点）

合并频繁使用的 API

避免使用高耗能的 API

用 webWorker 来处理一些比较耗时的计算

……

但愿经过阅读这篇文章，能够在性能优化方面给你做一个参考，多谢阅读。

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