【JS】从打字机效果的 N 种实现看JS定时器机制和前端动画

  首先，什么是打字机效果呢？一图胜千言，诸君请看：

【JS】从打字机效果的 N 种实现看JS定时器机制和前端动画

  打字机效果即为文字逐个输出，实际上就是Web动画。在Web应用中，实现动画效果的方法比较多，JavaScript 中可以通过定时器 setTimeout 来实现，css3 可以使用 transition 和 animation 来实现，html5 中的 canvas 也可以实现。除此之外，html5 还提供一个专门用于请求动画的 API，即 requestAnimationFrame（rAF），顾名思义就是 “请求动画帧”。接下来，我们一起来看看 打字机效果 的几种实现。为了便于理解，我会尽量使用简洁的方式进行实现，有兴趣的话，你也可以把这些实现改造的更有逼格、更具艺术气息一点，因为编程，本来就是一门艺术。

打字机效果的 N 种实现

实现一：setTimeout()

  setTimeout版本的实现很简单，只需把要展示的文本进行切割，使用定时器不断向DOM元素里追加文字即可，同时，使用::after伪元素在DOM元素后面产生光标闪烁的效果。代码和效果图如下：

<!-- 样式 -->
<style type="text/css">
/* 设置容器样式 */
#content {
height: 400px;
padding: 10px;
font-size: 28px;
border-radius: 20px;
background-color: antiquewhite;
}
/* 产生光标闪烁的效果 */
#content::after{
content: '|';
color:darkgray;
animation: blink 1s infinite;
}
@keyframes blink{
from{
opacity: 0;
}
to{
opacity: 1;
}
}
</style>
<body>
<div id='content'></div>
<script>
(function () {
// 获取容器
const container = document.getElementById('content')
// 把需要展示的全部文字进行切割
const data = '最简单的打字机效果实现'.split('')
// 需要追加到容器中的文字下标
let index = 0
function writing() {
if (index < data.length) {
// 追加文字
container.innerHTML += data[index ++]
let timer = setTimeout(writing, 200)
console.log(timer) // 这里会依次打印 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
}
}
writing()
})();
</script>
</body>

【JS】从打字机效果的 N 种实现看JS定时器机制和前端动画

  setTimeout()方法的返回值是一个唯一的数值（ID），上面的代码中，我们也做了setTimeout()返回值的打印，那么，这个数值有什么用呢？
  如果你想要终止setTimeout()方法的执行，那就必须使用 clearTimeout()方法来终止，而使用这个方法的时候，系统必须知道你到底要终止的是哪一个setTimeout()方法(因为你可能同时调用了好几个 setTimeout()方法)，这样clearTimeout()方法就需要一个参数，这个参数就是setTimeout()方法的返回值(数值)，用这个数值来唯一确定结束哪一个setTimeout()方法。

实现二：setInterval()

  setInterval实现的打字机效果，其实在MDN window.setInterval 案例三中已经有一个了，而且还实现了播放、暂停以及终止的控制，效果可点击这里查看，在此只进行setInterval打字机效果的一个最简单实现，其实代码和前文setTimeout的实现类似，效果也一致。

(function () {
// 获取容器
const container = document.getElementById('content')
// 把需要展示的全部文字进行切割
const data = '最简单的打字机效果实现'.split('')
// 需要追加到容器中的文字下标
let index = 0
let timer = null
function writing() {
if (index < data.length) {
// 追加文字
container.innerHTML += data[index ++]
// 没错，也可以通过，clearTimeout取消setInterval的执行
// index === 4 && clearTimeout(timer)
} else {
clearInterval(timer)
}
console.log(timer) // 这里会打印出 1 1 1 1 1 ...
}
// 使用 setInterval 时，结束后不要忘记进行 clearInterval
timer = setInterval(writing, 200)
})();

  和setTimeout一样，setInterval也会返回一个 ID（数字），可以将这个ID传递给clearInterval()或者clearTimeout() 以取消定时器的执行。

  在此有必要强调一点：定时器指定的时间间隔，表示的是何时将定时器的代码添加到消息队列，而不是何时执行代码。所以真正何时执行代码的时间是不能保证的，取决于何时被主线程的事件循环取到，并执行。

实现三：requestAnimationFrame()

  在动画的实现上，requestAnimationFrame 比起 setTimeout 和 setInterval来无疑更具优势。我们先看看打字机效果的requestAnimationFrame实现：

(function () {
const container = document.getElementById('content')
const data = '与 setTimeout 相比，requestAnimationFrame 最大的优势是 由系统来决定回调函数的执行时机。具体一点讲就是，系统每次绘制之前会主动调用 requestAnimationFrame 中的回调函数，如果系统绘制率是 60Hz，那么回调函数就每16.7ms 被执行一次，如果绘制频率是75Hz，那么这个间隔时间就变成了 1000/75=13.3ms。换句话说就是，requestAnimationFrame 的执行步伐跟着系统的绘制频率走。它能保证回调函数在屏幕每一次的绘制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。'.split('')
let index = 0
function writing() {
if (index < data.length) {
container.innerHTML += data[index ++]
requestAnimationFrame(writing)
}
}
writing()
})();

Typed2

  与setTimeout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。

实现四：CSS3

  除了以上三种JS方法之外，其实只用CSS我们也可以实现打字机效果。大概思路是借助CSS3的@keyframes来不断改变包含文字的容器的宽度，超出容器部分的文字隐藏不展示。

<style>
div {
font-size: 20px;
/* 初始宽度为0 */
width: 0;
height: 30px;
border-right: 1px solid darkgray;
/*
Steps(<number_of_steps>，<direction>)
steps接收两个参数：第一个参数指定动画分割的段数；第二个参数可选，接受 start和 end两个值，指定在每个间隔的起点或是终点发生阶跃变化，默认为 end。
*/
animation: write 4s steps(14) forwards,
blink 0.5s steps(1) infinite;
overflow: hidden;
}
@keyframes write {
0% {
width: 0;
}
100% {
width: 280px;
}
}
@keyframes blink {
50% {
/* transparent是全透明黑色(black)的速记法，即一个类似rgba(0,0,0,0)这样的值。 */
border-color: transparent; /* #00000000 */
}
}
</style>
<body>
<div>
大江东去浪淘尽，千古风流人物
</div>
</body>

【JS】从打字机效果的 N 种实现看JS定时器机制和前端动画

  以上CSS打字机效果的原理一目了然：

  • 初始文字是全部在页面上的，只是容器的宽度为0，设置文字超出部分隐藏，然后不断改变容器的宽度；

  • 设置border-right，并在关键帧上改变 border-color 为transparent，右边框就像闪烁的光标了。

实现五：Typed.js

  Typed.js是一个轻量级的打字动画库, 只需要几行代码，就可以在项目中实现炫酷的打字机效果（本文第一张动图即为Typed.js实现）。源码也相对比较简单，有兴趣的话，可以到GitHub进行研读。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
<title>Document</title>
<script></script>
</head>
<body>
<div id="typed-strings">
<p>Typed.js is a <span>JavaScript</span> library.</p>
<p>It <em>types</em> out sentences.</p>
</div>
<span id="typed"></span>
</body>
<script>
var typed = new Typed('#typed', {
stringsElement: '#typed-strings',
typeSpeed: 60
});
</script>
</html>

【JS】从打字机效果的 N 种实现看JS定时器机制和前端动画

  使用Typed.js，我们也可以很容易的实现对动画开始、暂停等的控制：

<body>
<input type="text" class="content" name="">
<br>
<br>
<button class="start">开始</button>
<button class="stop">暂停</button>
<button class="toggle">切换</button>
<button class="reset">重置</button>
</body>
<script>
const startBtn = document.querySelector('.start');
const stopBtn = document.querySelector('.stop');
const toggleBtn = document.querySelector('.toggle');
const resetBtn = document.querySelector('.reset');
const typed = new Typed('.content',{
strings: ['雨过白鹭州，留恋铜雀楼，斜阳染幽草，几度飞红，摇曳了江上远帆，回望灯如花，未语人先羞。'],
typeSpeed: 200,
startDelay: 100,
loop: true,
loopCount: Infinity,
bindInputFocusEvents:true
});
startBtn.onclick = function () {
typed.start();
}
stopBtn.onclick = function () {
typed.stop();
}
toggleBtn.onclick = function () {
typed.toggle();
}
resetBtn.onclick = function () {
typed.reset();
}
</script>

【JS】从打字机效果的 N 种实现看JS定时器机制和前端动画

  当然，打字机效果的实现方式，也不仅仅局限于上面所说的几种方法，本文的目的，也不在于搜罗所有打字机效果的实现，如果那样将毫无意义，接下来，我们将会对CSS3动画和JS动画进行一些比较，并对setTimeout、setInterval 和 requestAnimationFrame的一些细节进行总结。

CSS3动画和JS动画的比较

  关于CSS动画和JS动画，有一种说法是CSS动画比JS流畅，其实这种流畅是有前提的。借此机会，我们对CSS3动画和JS动画进行一个简单对比。

JS动画

  • 优点：

    • JS动画控制能力强，可以在动画播放过程中对动画进行精细控制，如开始、暂停、终止、取消等；

    • JS动画效果比CSS3动画丰富，功能涵盖面广，比如可以实现曲线运动、冲击闪烁、视差滚动等CSS难以实现的效果；

    • JS动画大多数情况下没有兼容性问题，而CSS3动画有兼容性问题；

  • 缺点：

    • JS在浏览器的主线程中运行，而主线程中还有其它需要运行的JS脚本、样式计算、布局、绘制任务等，对其干扰可能导致线程出现阻塞，从而造成丢帧的情况；

    • 对于帧速表现不好的低版本浏览器，CSS3可以做到自然降级，而JS则需要撰写额外代码；

    • JS动画往往需要频繁操作DOM的css属性来实现视觉上的动画效果，这个时候浏览器要不停地执行重绘和重排，这对于性能的消耗是很大的，尤其是在分配给浏览器的内存没那么宽裕的移动端。

CSS3动画

  • 优点：

    • 部分情况下浏览器可以对动画进行优化（比如专门新建一个图层用来跑动画），为什么说部分情况下呢，因为是有条件的：

      • 在Chromium基础上的浏览器中

      • 同时CSS动画不触发layout或paint，在CSS动画或JS动画触发了paint或layout时，需要main thread进行Layer树的重计算，这时CSS动画或JS动画都会阻塞后续操作。

    • 部分效果可以强制使用硬件加速 （通过 GPU 来提高动画性能）

  • 缺点：

    • 代码冗长。CSS 实现稍微复杂一点动画，CSS代码可能都会变得非常笨重；

    • 运行过程控制较弱。css3动画只能在某些场景下控制动画的暂停与继续，不能在特定的位置添加回调函数。

main thread(主线程)和compositor thread(合成器线程)

  • 渲染线程分为main thread(主线程)和compositor thread(合成器线程)。主线程中维护了一棵Layer树（LayerTreeHost），管理了TiledLayer，在compositor thread，维护了同样一颗LayerTreeHostImpl，管理了LayerImpl，这两棵树的内容是拷贝关系。因此可以彼此不干扰，当Javascript在main thread操作LayerTreeHost的同时，compositor thread可以用LayerTreeHostImpl做渲染。当Javascript繁忙导致主线程卡住时，合成到屏幕的过程也是流畅的。

  • 为了实现防假死，鼠标键盘消息会被首先分发到compositor thread，然后再到main thread。这样，当main thread繁忙时，compositor thread还是能够响应一部分消息，例如，鼠标滚动时，如果main thread繁忙，compositor thread也会处理滚动消息，滚动已经被提交的页面部分（未被提交的部分将被刷白）。

CSS动画比JS动画流畅的前提

  • CSS动画比较少或者不触发pain和layout，即重绘和重排时。例如通过改变如下属性生成的css动画，这时整个CSS动画得以在compositor thread完成（而JS动画则会在main thread执行，然后触发compositor进行下一步操作）：

    • backface-visibility：该属性指定当元素背面朝向观察者时是否可见（3D，实验中的功能）；

    • opacity：设置 div 元素的不透明级别；

    • perspective 设置元素视图，该属性只影响 3D 转换元素；

    • perspective-origin：该属性允许您改变 3D 元素的底部位置；

    • transform：该属性应用于元素的2D或3D转换。这个属性允许你将元素旋转，缩放，移动，倾斜等。

  • JS在执行一些昂贵的任务时，main thread繁忙，CSS动画由于使用了compositor thread可以保持流畅；

  • 部分属性能够启动3D加速和GPU硬件加速，例如使用transform的translateZ进行3D变换时；

  • 通过设置 will-change 属性，浏览器就可以提前知道哪些元素的属性将会改变，提前做好准备。待需要改变元素的时机到来时，就可以立刻实现它们，从而避免卡顿等问题。

    • 不要将 will-change 应用到太多元素上，如果过度使用的话，可能导致页面响应缓慢或者消耗非常多的资源。

    • 例如下面的代码就是提前告诉渲染引擎 box 元素将要做几何变换和透明度变换操作，这时候渲染引擎会将该元素单独实现一帧，等这些变换发生时，渲染引擎会通过合成线程直接去处理变换，这些变换并没有涉及到主线程，这样就大大提升了渲染的效率。

      .box {will-change: transform, opacity;}

setTimeout、setInterval 和 requestAnimationFrame 的一些细节

setTimeout 和 setInterval

  • setTimeout 的执行时间并不是确定的。在JavaScript中，setTimeout 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，所以 setTimeout 的实际执行时机一般要比其设定的时间晚一些。

  • 刷新频率受 屏幕分辨率 和 屏幕尺寸 的影响，不同设备的屏幕绘制频率可能会不同，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。

  • setTimeout 的执行只是在内存中对元素属性进行改变，这个变化必须要等到屏幕下次绘制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元素。假设屏幕每隔16.7ms刷新一次，而setTimeout 每隔10ms设置图像向左移动1px， 就会出现如下绘制过程：

    • 第 0 ms：屏幕未绘制，等待中，setTimeout 也未执行，等待中；

    • 第 10 ms：屏幕未绘制，等待中，setTimeout 开始执行并设置元素属性 left=1px；

    • 第 16.7 ms：屏幕开始绘制，屏幕上的元素向左移动了 1px， setTimeout 未执行，继续等待中；

    • 第 20 ms：屏幕未绘制，等待中，setTimeout 开始执行并设置 left=2px;

    • 第 30 ms：屏幕未绘制，等待中，setTimeout 开始执行并设置 left=3px;

    • 第 33.4 ms：屏幕开始绘制，屏幕上的元素向左移动了 3px， setTimeout 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，元素直接从left=1px 的位置跳到了 left=3px 的的位置，这就是丢帧现象，这种现象就会引起动画卡顿。

  • setInterval的回调函数调用之间的实际延迟小于代码中设置的延迟，因为回调函数执行所需的时间“消耗”了间隔的一部分，如果回调函数执行时间长、执行次数多的话，误差也会越来越大：

// repeat with the interval of 2 seconds
let timerId = setInterval(() => console.log('tick', timerId), 2000);
// after 50 seconds stop
setTimeout(() => {
clearInterval(timerId);
console.log('stop', timerId);
}, 50000);

【JS】从打字机效果的 N 种实现看JS定时器机制和前端动画

  • 嵌套的setTimeout可以保证固定的延迟：

let timerId = setTimeout(function tick() {
console.log('tick', timerId);
timerId = setTimeout(tick, 2000); // (*)
}, 2000);

【JS】从打字机效果的 N 种实现看JS定时器机制和前端动画

requestAnimationFrame

  除了上文提到的requestAnimationFrame的优势外，requestAnimationFrame还有以下两个优势：

  • CPU节能：使用setTimeout实现的动画，当页面被隐藏或最小化时，setTimeout 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，当页面处于未激活的状态下，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。

  • 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，使用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是没有意义的，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。

关于最小时间间隔

  • 2011年的标准中是这么规定的：

    • setTimeout：如果当前正在运行的任务是由setTimeout（）方法创建的任务，并且时间间隔小于4ms，则将时间间隔增加到4ms；

    • setInterval：如果时间间隔小于10ms，则将时间间隔增加到10ms。

  • 在最新标准中：如果时间间隔小于0，则将时间间隔设置为0。 如果嵌套级别大于5，并且时间间隔小于4ms，则将时间间隔设置为4ms。

定时器的清除

  • 由于clearTimeout（）和clearInterval（）清除的是同一列表（活动计时器列表）中的条目，因此可以使用这两种方法清除setTimeout（）或 setInterval（）创建的计时器。

参考资料

  • HTML — 8.6 Timers

  • requestAnimationFrame

  • CSS3动画和JS动画的比较

  • Scheduling: setTimeout and setInterval

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  • 前端装逼技巧 108 式（三）—— 冇得感情的API调用工程师

  • 浏览器是如何工作的：Chrome V8让你更懂JavaScript

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