深入理解 RequestAnimationFrame

在Web应用中，实现动画效果的方法很多，Javascript 中可以通过SetInterval来实现，CSS 3可以使用 Transition 和 Animation 来实现，HTML 5 中Canvas 也可以实现，另外，HTML 5 还提供一个专门请求动画的API ，即RequestAnimationFrame，顾名思义就是请求动画帧，为了深入理解 RequestAnimationFrame 背后的原理，我们首先需要了解一下与之相关的几个概念：

1. 屏幕刷新频率

即图像在屏幕上更新的速度，也即屏幕上的图像每秒钟出现的次数，它的单位是赫兹(Hz)，对于一般笔记本电脑，这个频率大概是60Hz， 可以在桌面上 右键 —屏幕分辨率 — 高级设置 — 监视器 中查看和设置，这个值的设定受屏幕分辨率、屏幕尺寸和显卡的影响，原则上设置成让眼睛看着舒适的值都行。

常见的显示器有两种，即 CRT 和 LCD， CRT就是传统显示器，LCD就是我们常说的液晶显示器。

CRT是一种使用阴极射线管的显示器，屏幕上的图形图像是由一个个因电子束击打而发光的荧光点组成，由于显像管内荧光粉受到电子束击打后发光的时间很短，所以电子束必须不断击打荧光粉使其持续发光，电子束每秒击打荧光粉的次数就是屏幕刷新频率。

而对于LCD来说，则不存在刷新频率的问题，它根本就不需要刷新，因为LCD中每个像素都在持续不断地发光，直到不发光的电压改变并被送到控制器中，所以LCD不会有电子束击打荧光粉而引起的闪烁现象。

因此，当你对着电脑屏幕什么也不做的情况下，显示器也会以每秒60次的频率正在不断的更新屏幕上的图像。为什么你感觉不到这个变化？ 那是因为人的眼睛有视觉停留效应，即前一副画面留在大脑的印象还没消失，紧接着后一副画面就跟上来了，这中间只间隔了16.7ms(1000/60 ≈ 16.7)， 所以会让你误以为屏幕上的图像是静止不动的，而屏幕给你的这种感觉是对的，试想一下，如果刷新频率变成1次/秒，屏幕上的图像就会出现严重的闪烁，这样就很容易引起眼睛疲劳、酸痛和头晕目眩等症状。

2. 动画实现原理

根据上面的原理我们知道，你眼前所看到图像正在以每秒60次的频率刷新，由于刷新频率很高，因此你感觉不到它在刷新，而动画本质就是要让人眼看到图像被刷新而引起变化的视觉效果，这个变化要以连贯的、平滑的方式进行过渡， 那怎么样才能做到这种效果呢？

刷新频率为60Hz的屏幕每16.7ms刷新一次，我们在屏幕每次刷新前，将图像的位置向左移动一个像素，即1px，这样一来，屏幕每次刷出来的图像位置都比前一个要差1px，因此你会看到图像在移动，由于我们人眼的视觉停留效应，当前位置的图像停留在大脑的印象还没消失，紧接着图像又被移到了下一个位置，因此你才会看到图像在流畅的移动，这就是视觉效果上形成的动画。

3. SetInterval

理解了上面的概念以后，我们不难发现，SetInterval 其实就是通过设置一个间隔时间来不断的改变图像的位置，从而达到动画效果的，但我们会发现，利用SetInterval 实现的动画在某些低端机上会出现卡顿、抖动的现象， 这种现象的产生有两个原因：

(1). SetTinterval的执行时间并不是确定的。在Javascript中， SetTinterval任务被放进了异步队列中，只有当主线程上的任务执行完以后，才会去检查该队列里的任务是否需要开始执行，因此， SetTinterval的实际执行时间一般要比其设定的时间晚一些。

(2). 刷新频率受屏幕分辨率和屏幕尺寸的影响，因此不同设备的屏幕刷新频率可能会不同，而 setTimeout只能设置一个固定的时间间隔，这个时间不一定和屏幕的刷新时间相同。

以上两种情况都会导致 SetTinterval 的执行步调和屏幕的刷新步调不一致，从而引起 丢帧 现象, 那为什么步调不一致就会引起丢帧呢？

首先要明白，SetTinterval 的执行只是在内存中对图像属性进行改变，这个变化必须要等到屏幕下次刷新时才会被更新到屏幕上，如果两者的步调不一致，就可能会导致中间某一帧的操作被跨越过去，而直接更新下一帧的图像，假设屏幕每隔16.7ms刷新一次，而SetTinterval 每隔10ms设置图像向左移动1px， 就会出现如下绘制过程：

A. 第0ms: 屏幕未刷新，等待中，SetTinterval 也未执行，等待中；

B. 第10ms: 屏幕未刷新，等待中，SetTinterval 开始执行并设置图像属性 left=1px；

C. 第16.7ms: 屏幕开始刷新，屏幕上的图像向左移动了1px， SetTinterval 未执行，继续等待中；

D. 第20ms: 屏幕未刷新，等待中，SetTinterval 开始执行并设置图像属性 left=2px;

E. 第30ms: 屏幕未刷新，等待中，SetTinterval 开始执行并设置图像属性 left=3px;

F. 第33.4ms:屏幕开始刷新，屏幕上的图像向左移动了3px， SetTinterval 未执行，继续等待中；

从上面的绘制过程中可以看出，屏幕没有更新left=2px的那一帧画面，图像直接从1px的位置跳到了3px的的位置，这就是丢帧现象，这种现象就会引起动画卡顿。

4. RequestAnimationFrame

与SetTinterval 相比，RequestAnimationFrame最大的优势是由系统来决定回调函数的执行时机，具体一点讲，如果屏幕刷新率是60Hz，那么回调函数就每16.7ms被执行一次，如果刷新率是75Hz，那么这个时间间隔就变成了1000/75=13.3ms，换句话说就是，RequestAnimationFrame的步伐跟着系统的刷新步伐走，它能保证回调函数在屏幕每一次的刷新间隔中只被执行一次，这样就不会引起丢帧现象，也不会导致动画出现卡顿的问题。

这个API的调用很简单，如下所示：

var progress = 0;
// 回调函数
function render() {
    // 修改图像的位置
    progress += 1; 

    if (progress < 100) {
        // 在动画没有结束前，递归渲染
        window.requestAnimationFrame(render);
    }

}

// 第一帧渲染
window.requestAnimationFrame(render);

除此之外，RequestAnimationFrame还有以下两个优势：

(1). CPU节能：使用SetTinterval 实现的动画，当页面被隐藏或最小化时，SetTinterval 仍然在后台执行动画任务，由于此时页面处于不可见或不可用状态，刷新动画是没有意义的，完全是浪费CPU资源。而RequestAnimationFrame则完全不同，当页面处理未激活的状态下，该页面的屏幕刷新任务也会被系统暂停，因此跟着系统步伐走的RequestAnimationFrame也会停止渲染，当页面被激活时，动画就从上次停留的地方继续执行，有效节省了CPU开销。

(2). 函数节流：在高频率事件( resize, scroll 等)中，为了防止在一个刷新间隔内发生多次函数执行，RequestAnimationFrame可保证每个刷新间隔内，函数只被执行一次，这样既能保证流畅性，也能更好的节省函数执行的开销，一个刷新间隔内函数执行多次时没有意义的，因为显示器每16.7ms刷新一次，多次绘制并不会在屏幕上体现出来。

5. 优雅降级

由于RequestAnimationFrame目前还存在兼容性问题，而且不同的浏览器还需要带不同的前缀，因此需要通过优雅降级的方式对RequestAnimationFrame进行封装，优先使用高级特性，然后再根据不同浏览器的情况进行回退，直到只能使用SetTinterval 的情况。

下面的代码就是有人在Github上提供的polyfill，详细介绍请参考（https://github.com/darius/requestAnimationFrame）

if (!Date.now){
    Date.now = function () { 
        return new Date().getTime(); 
    };
};

(function () {
    'use strict';
    var vendors = ['webkit', 'moz'];
    for (var i = 0; i < vendors.length && !window.requestAnimationFrame; ++i) {
        var vp = vendors[i];
        window.requestAnimationFrame = window[vp + 'RequestAnimationFrame'];
        window.cancelAnimationFrame = (
            window[vp + 'CancelAnimationFrame'] ||
             window[vp + 'CancelRequestAnimationFrame']
        );

    };

    if (
        /iP(ad|hone|od).*OS 6/.test(window.navigator.userAgent) || 
        !window.requestAnimationFrame || 
        !window.cancelAnimationFrame
    ) {

        var lastTime = 0;
        window.requestAnimationFrame = function (callback) {
            var now = Date.now();
            var nextTime = Math.max(lastTime + 16, now);
            return setTimeout( function () { 
                callback(lastTime = nextTime); 
            },nextTime - now);

        };

        window.cancelAnimationFrame = clearTimeout;
    }
}());