JavaScript アニメーションをスムーズにするいくつかの方法の詳細

JavaScript ベースのアニメーションは、密かに CSS トランジションと同じくらい、あるいはそれ以上に効果的です。これはどのようにして可能になるのでしょうか? Adobe と Google がネイティブアプリと同等のパフォーマンスを備えたメディアリッチなモバイルサイトをリリースし続ける中、どのようにしてこれが可能になるのでしょうか?

この記事では、Velocity.js や GSAP などの Javascript ベースの DOM アニメーションライブラリを取り上げ、それらが jQuery や CSS アニメーション効果よりもどのようにパフォーマンスが高いかを確認します。
jQuery

基本的なことから始めましょう。JavaScript と jQuery は誤って混同されています。jQuery のアニメーションは速度を低下させます。なぜ？なぜなら、jQuery は強力ですが、強力なアニメーションエンジンであることは jQuery の設計目標ではなかったからです。

jQuery はレイアウトスラッシングの影響を受けないわけではありません。これは、そのコードベースがアニメーション以外にもさまざまな用途を提供しているためです。
jQuery のメモリ消費によりガベージコレクションが頻繁にトリガーされ、アニメーションが時々フリーズします。
jQuery は、requestAnimationFrame (RAF) の代わりに setInterval を使用して、新しいテクノロジーをそれ自体から保護します。

レイアウトの乱れはアニメーションの開始時の滑らかさの原因であり、アニメーション中の滑らかさの原因はガベージコレクションであり、RAF を使用しないとフレームレートが低下することに注意してください。

実装例

レイアウトの乱れを引き起こす DOM クエリと更新の組み合わせを回避します:

var currentTop,
  currentLeft;
 
/* With layout thrashing. */
currentTop = element.style.top; /* QUERY */
element.style.top = currentTop + 1; /* UPDATE */
 
currentLeft = element.style.left; /* QUERY */
element.style.left = currentLeft + 1; /* UPDATE */
 
/* Without layout thrashing. */
currentTop = element.style.top; /* QUERY */
currentLeft = element.style.left; /* QUERY */
 
element.style.top = currentTop + 1; /* UPDATE */
element.style.left = currentLeft + 1; /* UPDATE */

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更新後に発生するクエリにより、ブラウザはページの計算データを強制的に再計算します (新しい更新効果を考慮して)。これにより、アニメーションに大きなオーバーヘッドが発生します。これは、わずかな間隔でわずか 16 ミリ秒のランタイムアウトです。

同様に、RAF の実装には、既存のコードベースを大幅に作り直す必要はありません。RAF の基本的な実装と setInterval を比較してみましょう。

var startingTop = 0;
 
/* setInterval: Runs every 16ms to achieve 60fps (1000ms/60 ~= 16ms). */
setInterval(function() {
  /* Since this ticks 60 times a second, we divide the top property's increment of 1 unit per 1 second by 60. */
  element.style.top = (startingTop += 1/60);
}, 16);
 
/* requestAnimationFrame: Attempts to run at 60fps based on whether the browser is in an optimal state. */
function tick () {
  element.style.top = (startingTop += 1/60);
}
 
window.requestAnimationFrame(tick);

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RAF 产生了推动动画性能的最大可能性，你可以对你的代码进行单一的变更.

CSS 转换

CSS转换通过把动画逻辑甩给浏览器本身去处理而超越了jQuery，这在以下几方面是有效果的：（1）优化DOM交互和内存消耗以避免卡顿（颠簸），（2）利用引擎的RAF原则，（3）强制硬件加速（利用GPU的能力来提高动画性能）。

然而，现实是，这些优化也可以在JavaScript中直接执行。GSAP已经这样做了多年。Velocity.js，一个新的动画引擎，不仅利用了同样的技术，而且还向前多走了几步——我们不久会探讨这些。

面对事实，JavaScript动画可以与CSS转换竞争只是我们康复计划的第一步。第二步是实现“JavaScript动画实际上可以比CSS转换更快”。

现在我们开始谈谈CSS变换的弱点：

transition强制硬件加速会加大GPU消耗，高负荷情形下将导致运行不流畅。这种情况在移动设备上尤为明显。（特殊情况下，比如当数据在浏览器主线程和排版线程之间传递产生的瓶颈也会导致不流畅）。某些CSS属性，比如transform和opacity，则不受这些瓶颈影响。Adobe在这里精心总结了这些问题。
transition在IE10以下没有用，造成的自IE8和IE9以来的桌面站点可用性问题至今仍然广泛存在。
由于transition并不是由JavaScript原生控制（而仅仅是由JavaScript触发），浏览器无法获知如何与控制这些transition的JavaScript代码同步地优化他们。

相反的，基于JavaScript的动画库则可以自行确定合适开启硬件。它们原生支持各版本IE浏览器，并且它们尤其适合批量动画优化。

我的建议是仅当你单独为移动端开发且仅实现简单动画时使用原生CSS变换。这种环境下，transition是一种原生有效的解决方案，可以使你在样式表中实现所有动画逻辑，而不用添加额外的JavaScript库，从而避免你的页面变得臃肿。然而，当你在设计复杂的UI，或者是开发存在不同状态的UI的App时，你就应该使用动画库以使动画保持流畅，同时使工作流程易于管理。Transit是一个在管理CSS变换方面做得尤其优秀的库。

JavaScript 动画

好了，那JavaScript可就在性能方面占据上风了. 但Javascript究竟具体快了多少呢? 好吧 — 最初 — 对于构建一个实在的 3D动画示例是足够快的，通常在构建中你只会看到有使用WebGL. 而构建一个多媒体小动画也够了，通常你看到只会使用Flash或者After Effects构建. 而构建一个虚拟世界也够了，通常你只会看到使用canvas构建.

为了对领先的动画库，当然还要包含Transit（它使用CSS渐变效果)，进行直接的对比, 回头去看看Velocity在VelocityJS.org上的文档.

问题仍然是: JavaScript是怎样具体的达成其高水平性能的? 下面是对基于Javascript动画能够被执行这一目标的优化的一个简短清单:

同步 DOM → 在整个动画链中间入栈以最小化布局抖动.
为整个链式调用缓存属性值，以最小化DOM查询发生 (这些就是高性能DOM动画的坑).
在同样的调用中缓存整个同级别元素的单元转换率 (比如 px 到 %, em, 等等.).
当更新可能会在视觉上不可见时跳过样式更新.

回顾一下我们先前学过的关于布局颠簸的知识，Velocity.js利用这些最佳实践来缓存动画结束值以复用为随后动画的开始值，从而避免了重新查询DOM以获取元素的开始值：

$element
  /* Slide the element down into view. */
  .velocity({ opacity: 1, top: "50%" })
  /* After a delay of 1000ms, slide the element out of view. */
  .velocity({ opacity: 0, top: "-50%" }, { delay: 1000 });

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在上面例子中，第二个 Velocity 调用知道它应该自动从 opacity为1 和 top为50% 开始。

浏览器本身最终能够执行许多这些相同的优化，但这样做会明显减少开发者能够制作的动画代码的方式。因此，出于同样原因，由于jQuery不使用RAF（如上所述），浏览器就不会强制优化它，甚至给出一个很小的机会去打破规格或偏离预期的行为。

最后，我们对这两个JavaScript动画库（Velocity.js 和 GSAP）互相比较一下。

GSAP 是首个动画库，用在演示JavaScript DOM 令人印象深刻的动画表现。它确实是这样，但有些缺点：

在中到高负荷动画中，GSAP 的 DOM 交互开销导致动画在开始时和过程中失帧。
相反于Velocity.js 是在超宽松的 MIT 许可下发布的, GSAP 是闭源的，并且在很多类商用时候需要许可年费。
因为 GSAP 是一个完整的动画套件，是 Velocity 大小的三倍。然而，GSAP 有如此丰富功能，有助于其成为动画的瑞士军刀。

我推荐做法是在你需要精确控制定时（比如重绘，暂停/恢复）和运动（比如贝塞尔曲线路径）的时候用 GSAP 。这些特性在游戏开发和某些特殊应用中是至关重要的，但是通常不需要用在网页应用的 UI中。

Velocity.js

引用 GSAP 丰富的特性并不代表Velocity自身在特性上是轻量级的. 相反，在压缩后仅有的7kb中，Velocity不仅仅复制了jQuery $.animate()的所有功能, 它还把颜色动画，转换，循环，easing效果，类动画还有滚动都打包了进去.

总之，Velocity是jQuery，jQuery UI，以及CSS渐变效果的最佳组合.

此外，从便利的角度看，Velocity在hood（盖子，大概意思是公共的接口）之下使用jQuery的 $.queue() 方法, 如此就可以实现同 jQuery 的 $.animate(), $.fade(), 和 $.delay() 函数的无缝互操作. 而且，由于Velocity的语法同 $.animate() 的语法是相同的, 你不需要改变页面的任何代码.

让我们快速地来看一看 Velocity.js. 在基础的层面，Velocity的行为同$.animate()一样:

 
$element
  .delay(1000)
  /* Use Velocity to animate the element's top property over a duration of 2000ms. */
  .velocity({ top: "50%" }, 2000)
  /* Use a standard jQuery method to fade the element out once Velocity is done animating top. */
  .fadeOut(1000);

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在其最高级的层面，可以创建带有3D动画的复杂滚动场景 — 几乎只要用到两行简单的代码:

$element
  /* Scroll the browser to the top of this element over a duration of 1000ms. */
  .velocity("scroll", 1000)
  /* Then rotate the element around its Y axis by 360 degrees. */
  .velocity({ rotateY: "360deg" }, 1000);

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