抖音三面：硬件加速中的“层”和层叠上下文中的“层”，是一个东西吗？-抖音三面

大家好，我是年年！这篇文章是关于浏览器渲染中“分层”与硬件加速的，我会讲清：

什么是硬件加速？
合成层的“层”与层叠上下文的“层”是一个东西吗？
层爆炸、层压缩是什么？
都说要减少回流、重绘，怎样利用硬件加速做到？

页面渲染的流程

首先来复习一下一个老八股：页面渲染的流程，简单来说，初次渲染时会经过以下几步：

构建DOM树；
样式计算；
布局定位；
图层分层；
图层绘制；
合成显示；

在CSS属性改变时，重渲染会分为“回流”、“重绘”和“直接合成”三种情况，分别对应从“布局定位”/“图层绘制”/“合成显示”开始，再走一遍上面的流程。

元素的CSS具体发生什么改变，则决定属于上面哪种情况：

回流（又叫重排）：元素位置、大小发生变化导致其他节点联动，需要重新计算布局；

重绘：修改了一些不影响布局的属性，比如颜色；

直接合成：合成层的transform、opacity修改，只需要将多个图层再次合并，而后生成位图，最终展示到屏幕上；

渲染中的层

上面提到了渲染过程中会发生“图层分层”。浏览器中的层分为两种：“渲染层”和“合成层（也叫复合层）”。很多文章中还会提到一个概念叫“图形层”，其实可以把它当作合成层看待。为了降低理解成本，本文全部使用“渲染层”和“合成层”这两个名词描述。

开发者工具中的Layers

先直观的感受一下“层”，打开浏览器开发者工具的layers:

可以看到AB元素都在最底下的图层中，元素C是单独的一层，元素D又是一层。

<style>
  body{
    margin:0;
    padding:0;
  }
  .box {
    width: 100px;
    height: 100px;
    background: rgba(240, 163, 163, 0.4);
    border: 1px solid pink;
    border-radius: 10px;
    text-align: center;
  }
  #a {
  }
  #b {
    position: absolute;
    top:0;
    left: 80;
    z-index: 2;
  }
  #c {
    position: absolute;
    top:0;

    left: 160;
    z-index: 3;
    transform: translateZ(0);
  }
  #d {
    position: absolute;
    top:0;

    left: 240;
    z-index: 4;
  }
  .description {
    font-size: 10px;
  }
</style>

<div id="a" class="box">A</div>
<div id="b" class="box">
  B
  <div class="description">z-index:2</div>
</div>
<div id="c" class="box">
  C
  <div class="description">z-index:3</div>
  <div class="description">transform: translateZ(0)</div>
</div>
<div id="d" class="box">
  D
  <div class="description">z-index:4</div>
</div>

之前说过，浏览器中的层分两种，渲染层和合成层，在这里看到的全部都是合成层。那么，怎样生成一个渲染层，又怎样才能形成一个合成层呢？

渲染层

渲染层的概念跟“层叠上下文”密切相关，之前也写过一篇文章，可以看这里。简单来说，拥有z-index属性的定位元素会生成一个层叠上下文，一个生成层叠上下文的元素就生成了一个渲染层。

还是沿用上面的例子，BCD三个元素都是拥有z-index属性的定位元素（绝对定位），所以他们三个都形成了一个渲染层，加上document根元素形成的，一共是四个渲染层。（再强调一下，在开发者工具中看不到渲染层。）

形成渲染层的条件也就是形成层叠上下文的条件，有这几种情况：

document 元素
拥有z-index属性的定位元素（position: relative|fixed|sticky|absolute）
弹性布局的子项（父元素display:flex|inline-flex)，并且z-index不是auto时
opacity非1的元素
transform非none的元素
filter非none的元素
will-change = opacity | transform | filter

此外需要剪裁的元素也会形成一个渲染层，也就是overflow不是visible的元素。

合成层

在开发者工具中看到的不是渲染层，而是下面要讲的合成层，只有一些特殊的渲染层才会被提升为合成层，通常来说有这些情况：

transform:3D变换：translate3d，translateZ；
will-change:opacity | transform | filter
对 opacity | transform | fliter 应用了过渡和动画（transition/animation）
video、canvas、iframe

可以看出，上面这些条件属于生成渲染层的“加强版”，也就是说形成合成层的条件要更苛刻。

还是用开头的例子，C元素就是命中条件1，使用了3D变换transform: translateZ(0)，于是被提升到一个单独的合成层。

但是D元素没有命中上面任何一条规则，却也是一个单独的合成层。因为还有一种情况——隐式合成。

隐式合成

当出现一个合成层后，层级顺序高于它的堆叠元素就会发生隐式合成。

我们给C、D元素设置层级，z-index分别是3和4；又在C元素上使用3D变换，提升成了合成层。此时，层级高于它的D元素就发生了隐式合成，也变成了一个合成层。

隐式合成出现的根本原是，元素发生了堆叠，浏览器为了保证最后的展示效果，不得不把层级顺序更高的元素拎出来盖在已有合成层上面。

层爆炸与层压缩

这是我在项目中实际遇到的一个问题：一个页面在低端机器上滚动时非常卡顿，排查了很久，最后发现原因就在于隐式合成带来的层爆炸。

隐式合成产生了很多预期外的合成层——页面中所有 z-index 高于它的节点全部被提升，这些合成层都是相当消耗内存和GPU的。所以带给我们的启示是给合成层一个大的z-index值，避免出现隐式合成。

还好浏览器逐渐进行了优化，也就是层压缩机制——多个渲染层同一个合成层重叠时，会自动将他们压缩到一起，避免“层爆炸”带来的损耗。

硬件加速

上面讲了这么多，在实际开发中有什么用呢？或者说，浏览器为什么要分层呢？答案是硬件加速。听起来很厉害，其实不过是给HTML元素加上某些CSS属性，比如3D变换，将其提升成一个合成层，独立渲染。

之所以叫硬件加速，就是因为合成层会交给GPU（显卡）去处理，在硬件层面上开外挂，比在主线程（CPU）上效率更高。

就像在ipad上画画一样，画手都是在不同的图层绘制线稿、上色，这样才方便后期修改，不至于牵一发而动全身。提升成合成层的元素发生回流、重绘都只影响这一层，渲染效率得到提升。

来看一个例子，使用animation改变B元素的宽度，通过开发者工具Layers中的“paint count”的可以看到页面绘制次数会一直在增加，能直观感受到页面发生了“重绘”。

可以注意到，重绘是发生在整个图层#document上的，也就是整个页面都要重绘。

<style>
  .box {
    width: 100px;
    height: 100px;
    background: rgba(240, 163, 163, 0.4);
    border: 1px solid pink;
    border-radius: 10px;
    text-align: center;
  }
  #a {
  }
  #b {
    position: absolute;
    top: 50;
    left: 50;
    z-index: 2;
    animation: width-change 5s infinite;
  }
  @keyframes width-change {
    0% {
      width: 80px;
    }
    100% {
      width: 120px;
    }
  }

  .description {
    font-size: 10px;
  }
</style>

<div id="a" class="box">A</div>
<div id="b" class="box">
  B
  <div class="description">animation:width-change</div>
</div>

给B元素加上will-change:transform开启硬件加速，让他提升成一个合成层。

会发现重绘只发生在这个图层上，#document图层的绘制次数不会一直增加了。

<style>
  .box {
    width: 100px;
    height: 100px;
    background: rgba(240, 163, 163, 0.4);
    border: 1px solid pink;
    border-radius: 10px;
    text-align: center;
  }
  #a {
  }
  #b {
    position: absolute;
    top: 50;
    left: 50;
    z-index: 2;
    animation: width-change 5s infinite;
    will-change: transform;
  }
  @keyframes width-change {
    0% {
      width: 80px;
    }
    100% {
      width: 120px;
    }
  }

  .description {
    font-size: 10px;
  }
</style>

<div id="a" class="box">A</div>
<div id="b" class="box">
  B
  <div class="description">animation:width-change</div>
</div>

这就是硬件加速的意义：我们在讲到性能优化时，经常会说减少回流、重绘，如果能直接避免当然是最好，但如果实在没法避免，可以使用硬件加速，让这个元素单独回流、重绘，减少绘制的面积。

有得必有失，开启硬件加速后的合成层会交给GPU处理，当图层过多时，将会占用大量内存，尤其在移动端会造成卡顿，让优化适得其反。正确使用硬件加速就是在渲染效率和性能损耗之间找到一个平衡点，让页面渲染迅速不白屏，又流畅丝滑。

优化渲染性能

上面讲到了，利用硬件加速，可以把需要重排/重绘的元素单独拎出来，减少绘制的面积，除此之外，提升渲染性能还有这几个常见的方法：

避免重排/重绘，直接进行合成，合成层的transform 和 opacity的修改都是直接进入合成阶段的；比如可以使用transform:translate代替left/top修改元素的位置；使用transform:scale代替宽度、高度的修改；
注意隐式合成，给合成层一个较大的z-index值，虽然大部分浏览器已经实现了层压缩的能力，但是依旧有无法处理的情况，最好的办法就是一开始就避免层爆炸；
减小合成层占用的内存，合成层的最大问题就是占用内存较多，而内存的占用和元素的尺寸是成正比的，如果要实现一个100X100的元素，可以给宽高都设置为10px，再使用transform:scale(10)放大10倍，这样占用的内存只有直接设置的1/100。

结语

回到开头的几个问题，答案不难在文中找到：

硬件加速并不是前端专有的东西，它是一个很宽泛的计算机概念——把软件的工作交给特定的硬件，更高效的完成某项任务。对于前端来说，就是使用特定的CSS属性，把元素提升成合成层，交给GPU处理；

合成层中的“层”可以被认为是真正物理上的层，浏览器把它独立出来，单独拿给GPU处理，而层叠上下文的“层”则是指渲染层，更像是一个概念上的层，一个合成层可以包含多个渲染层；

层爆炸指的是大量元素意料之外被提升成合成层，即隐式合成；层压缩是浏览器对隐式合成的优化，chrome在94版本中做到比较完善了；

使用transform、opacity取代传统属性来实现一些动画，并把他们提升到一个单独的合成层，能跳过布局计算和重新绘制，直接合成，能避免不必要的回流、重绘。