Flip动画

前言

最近在做复图标库功能时，感觉这个功能在使用上有些“生硬”。如随机删除一个图标，后面的元素在视觉上是“瞬间移动”过来补位的。想着做个小优化，简单加个动画效果吧。

看起来确实“花里胡哨”了，实现也很简单，

<ul><transition-group appear tag="ul"><!--图片循环--></transition-group>
</ul>

为什么简单的设置几个样式规则，元素就可以平滑的移动到对应的位置？如果我们手写这个功能，应该如何考量和设计？

插播

先简单回顾几个基本知识点（更细节的内容这里不展开讨论）。

浏览器的渲染流程

虽然不同的浏览器内核在渲染流程上稍有不同，但大体上是一致的，主要步骤如下：

• DOM树构建：解析HTML，生成DOM树
• CSSOM树构建：解析CSS，生成CSSOM树
• 渲染树构建：将DOM树和CSSOM树结合，生成渲染树(Render Tree)
• 布局：根据渲染树，计算元素的的几何信息（位置，大小）
• 绘制：根据布局信息，把每一个图层转换为像素，渲染在屏幕上

简单示意图如下

由图可知：

• CSS解析不会阻塞DOM解析，但会阻塞DOM渲染
• JavaScript会阻塞DOM解析，进而阻塞DOM渲染
• 浏览器碰到script标签（没有defer/async属性时）就会触发页面渲染。如果前面的CSS资源尚未加载完毕，浏览器会等待它加载完毕后再执行脚本

FPS

简单来说，FPS是浏览器的每秒的渲染帧数，大多数设备的刷新率是60FPS，一般来说FPS越低页面就会越卡顿。

像素管道

标准上每一帧约为16.7ms。但浏览器需要花费时间将新帧绘制到屏幕上，大约只有10ms执行代码。如果无法满足这个要求，帧率会降低，出现卡顿。

先看一张经典图：

• JavaScript（代码执行）。一般的纯前端阻塞都是来自JS，JS线程的运行本身就会阻塞UI线程（除WebWorker外）。所以执行长时间的同步代码会占用每帧的渲染时间。
• Style（样式计算）。利用CSS匹配器计算元素的最终样式。
• Layout（布局）。当样式规则应用后，浏览器开始计算元素在屏幕上显示的大小及位置，这个过程中一个元素的变动可能会影响到另一个元素，从而引起回流。
• Paint（绘制）。绘制就是简单的像素填充，包括文本、颜色、图片、边框、阴影等可视部分。因为网页样式是层级结构，所以绘制操作会在每一层进行。
• Composite（合成）。合成操作会按照正确的层级顺序绘制到屏幕上，以保证渲染的正确性。层级错误的话会导致样式错乱，如底层的元素显示到上层等。

上述过程为理论标准过程，但实际上并非每一帧都会完整执行这五个步骤，不管我们通过JS或者css动画去完成一些动作，本质上都与【回流】（重排）和【重绘】两个概念相关。所以通常对于指定帧有3种运行方式。

• 修改元素的"layout"属性（几何属性，如宽、高、位置等），浏览器会自动重排页面，受到影响的元素都需要重新绘制，且最终绘制的元素需要进行合成。重排经过了管道的每一步，对性能影响比较大。

  

• 修改元素的"paint only"属性（外观属性,，如颜色、阴影等），不影响页面布局，此时浏览器会跳过布局，但仍执行绘制。

  

• 修改元素的一个不需要布局和重绘的属性（如透明度、transform变形等），浏览器只执行合成，性能较好。

  

由上可知，JavaScript、Style和Composite三个阶段是无法避开的。而执行的阶段越少，耗时就越短，每秒渲染的帧数就越高。

简单优化

布局的过程实际上就是回流的过程，这一步几乎会对整个页面重新计算排版，性能开销较大。而绘制是像素填充的过程，是管道中运行时间最长的任务。所以针对JS动画，通常我们可以采用如下优化方法

• 使用requestAnimationFrame来代替定时器
• 大量计算任务可以使用Web Worker执行
• 更改DOM时使用微任务
• 降低CSS选择器的复杂度
• 避免强制同步布局
• 合理设计z-index层数
• 频繁修改属性的元素，可使其脱离文档流
• 渲染层提升为合成层，利用GPU加速绘制

下面简单介绍其中的两点（后面会用到）

requestAnimationFrame

上面提到了，每一帧必须保证JS运行时间小于10ms，才能给样式计算、布局、绘制留出充足的时间。那么，是否我们满足了这个条件，且保证每一帧耗时都在16.7ms之内，就能保证不丢帧呢？

其实不必然，这取决于JS执行方式，如使用定时器（setTimeout/setInterval）来实现。因为定时器无法保证回调函数的真正执行时机，它可能在某一帧的开始、中间、结束时执行，有可能导致丢帧。

使用requestAnimationFrame，会使浏览器在下一次重绘之前调用传入的动画函数，回调函数执行次数通常与浏览器屏幕刷新次数相匹配。

如下图所示，我们分别使用setTimeout和requestAnimationFrame把元素平移800像素，差异还是很明显的。

避免强制同步布局（FSL）

在上面的浏览器的渲染流程中提到，浏览器中的页面的渲染过程可以分为计算布局和绘制两个阶段。布局是指浏览器根据DOM树、CSS样式和其他因素来确定每个元素在页面中的大小和位置等相关属性。绘制是指将计算好的布局信息转化为可视元素显示在屏幕上。

通常情况下，浏览器会对布局操作进行优化，例如使用异步方式进行布局（也称为增量布局或延迟布局）。这意味着当对DOM进行修改时，浏览器不会立即触发布局，而是等待一段时间，将多个连续的布局操作合并在一起进行。这样可以提高性能和响应速度。

然而，有些情况下，我们需要在修改DOM后立即获得最新的布局信息。这时我们可以使用强制同步布局的方法来实现。强制同步布局的方式往往是通过触发获取某些属性值的操作，例如读取元素的位置、大小、滚动等属性，或者通过访问offsetTop、offsetWidth、offsetHeight属性来实现。这样会迫使浏览器立即执行布局阶段，以确保获取的属性值是最新的。

当然，单个FSL影响不大，如果触发了布局抖动，会导致严重的性能问题。举个简单的例子，批量修改元素宽度

// 把子元素的宽设置成与外部容器一样
const container = document.querySelector('.container');
const items = document.querySelectorAll('.item');
// 遍历所有子节点，重新设置width
for (var i = 0; i < items.length; i++) {const width = container.offsetWidth;items[i].style.width = width + 'px';
}

实际上，每次更改样式，都会导致刚刚执行的布局失效。因为更改了新的样式，下一次读取宽度时，浏览器需要重新布局，直到循环结束，循环期间的布局实际上都是“无效”的。

我们可以在谷歌性能在线测试网站（https://googlechrome.github.io/devtools-samples/jank/）进行测试。观察性能面板，可以看到给出了警告提示：强制回流可能是性能瓶颈。定位到相关代码可以看到正是获取元素位置信息造成的。

FLIP

进入正题。严格来说，FLIP并不是特定的代码实现或者框架，而是一种思路。FLIP技术以一种高效的方式来动态的改变DOM元素的位置和尺寸，而无需关注布局是如何计算或渲染的。在改变的过程中赋予一定的动效，从而达到动画的目的。

##核心思想

FLIP由四个单词组成：First, Last, Invert, Play。

First：

元素的初始状态。

Last

元素的最终状态。

Invert

反转。计算初始状态和最终状态的属性差异，如宽高、位置、透明度等，设置对应的规则进行反转，使其看起来还在初始状态（这点比较绕，下面有具体示例介绍）。

Play

执行。移除对应规则，使其平滑变化到最终状态。

具体实现

下面来看一个简单示例：把第一个元素移动到最后一个位置（原生写法）。

按照FLIP的设计原则，我们来看一下如何实现。

<!--html部分-->
<button class="button">修改第一个元素位置</button>
<ul class="list"><li class="list-item active">元素1</li><li class="list-item">元素2</li><li class="list-item">元素3</li><li class="list-item">元素4</li><li class="list-item">元素5</li><li class="list-item">元素6</li>
</ul>

• First：获取初始位置

  // 元素
  const btn = document.querySelector('button');
  const list = document.querySelector('.list');
  const firstItem = document.querySelector('.list-item:first-child');
  // 获取位置方法（这个例子只有上下平移，只记录top值即可）
  function getLocation() {const rect = firstItem.getBoundingClientRect();return rect.top;
  }
  // First：获取初始位置
  const start = getLocation();
  console.log('first:', start);
  

• Last：获取最终位置

  // 移动元素
  btn.onclick = () => {list.insertBefore(firstItem, null);// Last：获取最终位置const end = getLocation();console.log('last:', end)
  }
  

  效果如下：获取到了起始位置和最终位置

  

  到了这里，大家可能会有疑问，这都变化完了，拿到的两个位置信息有什么用？别急，下面才是重点。

• Invert：规则反转

  这里大家可以暂停一下，思考一个问题，当我获取到最终位置的时候，看到的是变化前的页面还是变化后的页面？

  其实看到的是变化前的页面，这个现象才是核心所在。这里大家可能会有疑问，明明看到元素动了啊，为什么还是变化前的页面？我们可以来验证一下：

  // 移动元素
  btn.onclick = () => {list.insertBefore(firstItem, null);// Last：获取最终位置const end = getLocation();console.log('last:', end)// 模拟执行js代码const start = Date.now();while (Date.now() - start < 2000) {console.log('模拟执行js代码')}
  }
  

  可以看到当我们获取元素最终位置的时候，显示的还是未变化前的页面。为什么会这样？这就是我们上面提到的当获取元素布局信息的时候，会触发强制同步布局，浏览器立即执行布局，但还没有到绘制阶段。

  

  接下来计算偏移值，设置变化规则即可。注意这里我们要用开始状态减去最终状态，做一个反转，使其看起来还在原来位置（因为动画是从开始位置到最终位置的）

  // Invert：反转
  const dis = start - end;
  firstItem.style.transform = `translateY(${dis}px)`;
  console.log('invert:', dis)
  

  可以看到，DOM结构已经发生变化，元素也反转回到了初始位置。

  

• Play：执行

  这里我们只需要设置一下transition效果，并移除掉transform即可（这样元素就会回到它现在真实的位置）。这里我们使用requestAnimationFrame来实现。

  // play回调
  function raf(callback) {requestAnimationFrame(() => {requestAnimationFrame(callback);})
  }
  // 移动元素
  btn.onclick = () => {list.insertBefore(firstItem, null);// Last：获取最终位置const end = getLocation();console.log('last:', end)// Invert：反转const dis = start - end;firstItem.style.transform = `translateY(${dis}px)`;console.log('invert:', dis)// Play：执行raf(() => {firstItem.style.transition = 'transform 1s';firstItem.style.removeProperty('transform');console.log('play')})
  }
  

  

到这里我们就实现了一个很简单的FLIP动画。当然这个例子只是对一个元素做了效果，我们同样可以对其它元素做相应的操作。

简单封装

以Vue为例，做如下封装，快速实现图片库的随机插入、删除、乱序等动画效果。

// 记录位置
recordPosition(nodes) {return nodes.reduce((prev, node) => {const rect = node.getBoundingClientRect();const { left, top } = rect;if (node.attributes.card.value) {prev[node.attributes.card.value] = { left, top, node };}return prev;}, []);
},
// 设置动画
async scheduleAnimation(update) {// 获取子节点(nodes:参与动画的节点)const prev = Array.from(nodes);// 记录子节点初始位置const prevRectMap = this.recordPosition(prev);// 执行数据变化：如增删改等操作update()await this.$nextTick();// 记录子节点现在位置const currentRectMap = this.recordPosition(prev);// 遍历对比Object.keys(prevRectMap).forEach((node) => {const currentRect = currentRectMap[node];const prevRect = prevRectMap[node];// 计算反转值const invert = {left: prevRect.left - currentRect.left,top: prevRect.top - currentRect.top,};// 设置动画const keyframes = [{transform: `translate(${invert.left}px, ${invert.top}px)`,},{ transform: "translate(0, 0)" },];const options = {duration: 300,easing: "linear",};// 执行动画currentRect.node?.animate(keyframes, options);})
}
// 调用
this.scheduleAnimation(()=>{// TODO... 对元素增删改
})

图片库的相关实现

列表的相关实现

transtion-group

当然在Vue中已经内置了相关功能，查看源码（src/platforms/web/runtime/components/transition-group.ts。可以看到在初始render时记录原始位置，在updated中记录最新位置，并计算偏移参数，设置动画效果，执行完成之后，移除相关属性。

React可以参考react-transition-group或者react-flip-toolkit等插件。

为什么要用FLIP

对于明确知道元素的起止状态的动画，如从坐标(0,0)移动到(100,100)，或透明度从0变化到1等，直接设置相应的规则即可。而对于一些无法明确起止状态的动画，使用FLIP就简单多了，避免了我们手动计算维护元素的状态。

后记

• 我们可能在写一些过渡效果的时候，无意中用到了FLIP动画，但更需要了解相关原理
• 合理使用动效让平台的操作更加平滑（就如同使用loading让用户感知网站确实在响应）
• 要确保多个连续的FLIP动画之间互不影响，或者说要预留出一定的时间给到相关的计算过程
• 实现动画当然有多种方式，结合项目实际选择合适的技术（如通过纯CSS实现瀑布流而非JS的形式）
• 使用Web Animations API可以更简单实现一个动画

参考文档

让你的网页更丝滑

性能优化之关于像素管道及优化

前端动画必知必会