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创新高性能移动 UI 框架-Canvas UI 框架

2015-03-06 12:01 刘平川



最近有人在知乎讨论 React Native,我也凑个热闹,来个技术贴。


WebView 里无法获得的能力虽然是「体验增强」与「端基本能力」,但现都基本上有成熟解决方法。但后期的 UI 和 Layout 的性能反而是目前 Web 技术欠缺的。所以,无论是 Titanium 与 React Native 都是解决性能作为探索的出发点。


性能慢与快的分水岭


慢与快的标准,是按照每秒大于等于 60 FPS(60 帧每秒) 的理论,而为什么是 60 FPS,这不多描述。


按此理论,那么「每帧」里所有的操作都必须在 16ms 完成。

WebView 里 UI 性能慢的原因

WebView 模型为单线程;


DOM/CSS 排版复杂,渲染上需要大量计算;


动画是也很重要的考量因素。


多说两句动画。最早做动画都是用 setTimeout/setInterval。而 setTimeout/setInterval 的处理回调的时间 tick time 精度都在 16ms 左右。


所以,可以想象正常用这两个函数就已经 16 ms了,再加 reflow/repaint/compositing 卡顿或跳帧就是家常便饭了。


还好的是 w3c 标准和各浏览器厂商较早就支持了动画接口 RAF(RequestAnimationFrame 函数)来处理动画帧回调。解决了上述 setTimeout/setInterval Animation 不足的问题。


DOM 性能低下的原因

浏览器执行的几个步骤


restyle/reflow/repaint 触发条件


了解完以上信息,考虑以下条件:

把 JavaScript 逻辑、复杂的 DOM 与样式合成,并完成渲染;


HTTP 请求下载多媒体;


在一个线程里;


移动上的 ARM 架构;


以上操作能在每帧 16ms 里完成,想想都觉得是一件 TMD「不可思议」的事情。于是各种各样的奇葩优化出现了。


WebView 里高性能组件分类


已知的高性能组件的几类方法:


常规方法:

这类的原理主要是利用人为或规范的方式,减少 restyle/reflow/repaint 触发次数:


通用组件优化 DOM 结构,甚至用 Virtual DOM(虚拟 DOM)减少 reflow 和 DOM 的复杂度;


优化 CSS,少用或跳过 repaint 阶段。用编译的手段识别部分 CSS,将 left/top 变换变成 transform;


跳过 layout 与 paint 阶段,就是多使用 Layer composite 技术,即 css 的「opacity」和「transform」属性作动画。


只能在 css 和 DOM 结构上去抠出些性能优化的空间,缺陷优化空间有限;这种优化技巧通常是放在最后调优时冲剌使用,不能做为常规手段。


进阶方法

原理是尽可能利用 native 能力,甚至将 JavaScript 转换成 native App 代码。


用 JavaScript 调起 native 组件,将增强与高性能组件交给 native 来处理,以前在 FEX 提的「轻组件」就是这么做的。这个原理类似 PC 时代的 ActiveX;


将 WebView 里无法实现的功能用 native 实现。


利用 native Activity 的渲染线程,分担浏览器渲染压力(WebViewCoreThread 是 WebView 线程)。


最 dirty 的事在于处理 native 上 UI 的层次管理。需要后台有线程一直在检测 scroll/resize/ui change 时 UI 边界是否有相互覆盖与叠加的问题。


JavaScript 翻译成 Java/OC 代码。类似 React Native/Titanium,将 JavaScript 翻译成 native 代码,特别是 UI 组件上。(有兴趣的同学可以反编译 React Native 写的 Facebook Group)


例:用 React,通过虚拟 Web UI 映射至 Native View,并且将代码逻辑翻译成 native。


新方法 — Canvas UI

这也是要说的重点,用「开发游戏」的思路来做 UI 组件探索,我把它称为 Canvas UI framework。用游戏的思路做 UI,最早我有这个想法是 2014 年。


为什么要用 Canvas?


Canvas 是 H5 的画布元素,即一个 DOM 元素。通过脚本控制逻辑给画布上增加文字与图像,而浏览器只需要绘制一次形成一幅图。

只用一个 Canvas DOM 元素,降低 DOM 数量与渲染的复杂度,可以将原来 CPU 密集型变成 GPU 操作。绝大多数针对 Canvas 是用硬件 GPU 加速渲染。


GPU 的 ALU(计算单元) 比 CPU 要多很多,而控制运算(逻辑)则可以用 JavaScript 在 CPU 里做,甚至还可以用 WebWorker 多线程处理 CPU 密集型的操作,从而达到充分利用硬件资源的能力。


Canvas 画布无论是 JavaScript & H5,还是 native 都有类似的 API。所以:

本地调试可在浏览器里完成。


最差方案可以用 Canvas UI 跑在浏览器里。


更进一步,可以把浏览器 Canvas 接口的反射到用 native 画布上,以此提高性能。


值得一提的是,腾迅的 X5 内核已经将 egret(白鹭游戏引擎与cocos2dx)内置,所以时间线拉长来看,WebView 的画布功能将会更加强大。


在 2014 年中时,很多人见识过默认置入 cocos2dx 引擎的浏览器,用 WebView 玩「捕鱼达人」很流畅。

由此说明 Canvas 做 UI 组件可行性还是蛮高的。


解决方案


用游戏的思路来解决 DOM paint 的问题,业界早就有实验。最早实验的是 zynga 做 angry birds 游戏的厂家,2010 年写的 demo scroller(长按扫描二维码跳转网址):https://github.com/zynga/scroller


设计、开发一个基于 Canvas 的 UI 框架系统,由于系统相对比较复杂,需接管浏览器构建的整个过程:


验证在实践环境中的效果,要把原来页面的 DOM 写成 canvas,再加上一些调优与比较,工作量相对大,(包括 zynga 也只是实现了一个简单的 demo 而已)就暂时搁置了。


最近这阵子在翻 github 与新闻时,我惊喜的发现也有人在做同样的事了,最后发现 Flipboard 同学们写的一个 demo:

https://flipboard.com/@flipboard/flipboard-picks-8a1uu7ngz


这个 demo 足够复杂,动画也足够多、炫。是用 canvas 来构建整个 UI。


测试过后:

这么复杂的 demo 在 MI4 以及配置以上性能很好,流畅度无限接近于 native,比较理想。


对比过 G+ 的 Android 应用,G+ 的 App 从动画上比 Flipboard 提供的的 demo 还「卡」些。


在小米 Note 上的动画流畅度已秒掉 iPhone 6,非常赞。


按照摩尔定律,可以预计明年 Note 的标配的 CPU 和 GPU 配置会成为主流。而现在用 canvas UI 框架用在 MI4 以下机器仍然比较慢。而 2015 年 H5 开发 App,对很多公司来说只是 plan B 计划,大公司甚至 plan B 都不是。所以,如果一定要在纯 H5 上搞牛逼动画,还是再等等吧。


布局系统 css layout


说回到 Canvas Component framework,回到我上面画的这张图:


UI 组件基于「文本」与「图像」。但 framework,除了 UI 组件本身以外,还需要有 Layout,而 css 只适用于浏览器本身的 layout 而无法适用于 Canvas 画布。要给开发者好且排版可控的方案,那就要开发一个用 JavaScript 实现类似 CSS 的布局子集的框架。否则 UI 的组件在画布上没有 layout 就无意义。


这个布局框架实现成本(简单实现)理论上并不大,大的是在于未来增加新 Feature 并相互组合时与浏览器本身有差异,需要有完整的 unit test。正好最近 facebook 也开源了一个用 JavaScript 写 css layout 子集的解决方案,实现了:

padding


width


margin


border


flex


position( relative/absolute )


等等 Feature。


github 地址:https://github.com/facebook/css-layout



这些 css 布局子集基本能满足我们前期开发预期。


开发框架


用 css-layout 再加上 UI 管理层,就可以比较清晰的实现出 canvas 的 UI 组件框架了。那么,剩下的事就是:

应用开发框架的选择,如:选择 React/MVC 框架。


模拟 DOM 层次,即图层管理。


并且,让我非常欣喜的是,Flipboard 在 2 月已经完成了构建,基于 React 框架。 基于 css-layout + React 基础上整合而成:https://github.com/Flipboard/react-canvas



Canvas UI 框架不足与风险


看上去 Canvas 框架这么牛逼,但有很多缺陷。

对开发人员的要求较高。需要用 JavaScript 实现一些浏览器基本的布局、图层管理。


第三方使用者学习成本高。不象是用传统「标签」就可以实现 UI 在浏览器的输出。


开发者是否买账,对于框架的开发易用性有「很大」的挑战。


对开发质量提出新要求。由于所有的 UI 组件与交互都在画布 Canvas 里,所以调试成本比较高,需要有较为完整的 Logging 与 Debugging 方案。


用户可用性会受影响。例如:* 语音无法识别 Canvas 里的文字。* 无法象 WebView 里一样将画布里的文字选中并复制出来。


总结


Canvas UI 框架作为柳暗花明又一村的技术。短短一周多,已经近 4K 的 star。确实很赞。与其看 FB 开源 react native,不如好好研究 react-canvas 吧。




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