JavaScript架构设计 14.动画引擎
动画是我们眼睛中的残影，叫视觉暂留现象。这里有两个关键字，差异与快速。
在网页中，扩展样式的任务早已经交由css处理，让javascript第一次拥有视觉处理的api,setTimeout与setInterval早在css诞生前就已经出现。
一：动画的原理
在标准浏览器中，可计算的样式基本浏览器已经为你转化好，比如width,height,margin-x,border-x-width,padding-x.这些样式单位为px,color和background-color则被分解成RGB,这个很容易被格式化为一个数组，透明度自不用说。
不过css3新引进的变形样式transfrom,一种是面向程序员，是rotate()/skew()/scale()/translate(),分别有x, y之分，如rotateX(),rotateY(),依次类推；
一种是面向计算机，传入矩阵进去，matrix()。无论传什么，都会转成矩阵。
如果传承是旧版本的IE，就得自己转换了。比如你原来的单位是em，currentStyle就会返回em,原来填充的颜色是red,它不会返回rgb(255,0,0)
因此，动画引擎的第一步就是设法获得元素的精确样式，这个在第九章：样式模块已经介绍，给出的$.css方法基本上除了颜色值都是已经转换好的。
现在我们尝试让一个方块运动起来，简单说就是变化位置。一般来说，我们变化一个元素的top,left即可，当然也可以设置margin,这里只说元素定位的移动方法，要取得元素的left值，直接可以使用getComputedStyle,然后让用户传值改变值。就是我们需要一点点的变动值的大小。另外还要涉及到时长，就是动画的总共执行时间，就是执行的总时间，另外一个就是每次变动的相隔时间。这个通常由引擎来决定，当然也可以暴露出来，它有个学名叫FPS。
fps通俗的来说，叫刷新率，在1秒内更新多少次画面，根据人视觉停留效应，停留多少秒最合适呢？我们不但要照顾人的眼睛，还要顾及下显示器的显示速度与浏览器的渲染速度 ，根据国外的统计，25毫秒为最佳数值。
因此，我们创建一个新页面，里边有一个方块，它位于这个轨道上，它从一端到另外一端，动画时间为2秒，fps为30帧。
<style type="text/css">
#way{width:800px;height:100px;background:#e8e8ff;position:relative;}
#move{position:absolute;left:0px;width:100px;height:100px;background:#a9ea00;}
</style>
<div id="way">
<div id="move"></div>
</div>
<script type="text/javascript">
window.onload = function () {
var el = document.getElementById("move");
var parent = document.getElementById("way");
var distance = parent.offsetWidth - el.offsetWidth; //总移动距离
var bengin = parseFloat(window.getComputedStyle(el, null).left) //开始位置
console.log(bengin)
var end = bengin + distance; //结束位置
var fps = 30; //刷新率
var interval = 1000/fps ; //相隔多少ms刷新一次
var duration = 2000 ; //时长
var times = duration /1000 * fps ; //一共刷新的次数
var step = distance /times; //每次移动的距离。
el.onclick = function() {
var now = new Date();
var id = setInterval(function(){
if (bengin >= end) {
el.style.left = end + "px";
clearInterval(id)
console.log(new Date - now)
} else {
bengin += step;
el.style.left = bengin + "px"
}
},interval)
}
}
</script>
上面，我们用了最简单累加来实现，现在我们改写下，加入进度这个变量，让其更具有广泛性。
el.onclick = function(){
var benginTime = new Date();
var id = setInterval(function(){
var t = new Date - benginTime; //当时已经用到的时间
if (t >= duration) {
el.style.left = end + "px";
clearInterval(id);
console.log(t)
} else {
var per = t / duration; //当前进度
el.style.left = bengin + per * distance + "px";
}
},interval)
}如果我们能随意控制per这个数值，那么就能轻易实现加速减速，于是，发明了缓动公式，所谓的缓动公式，就是来自数学上的三角函数，二次项方程式，高阶方程式。它们最初是由flash界的Robert Penner整理而来(http://robertpenner.com/easing/)。
有了缓动公式，我们就能轻松的模拟加速，减速，急刹车，重力，弹簧，来回摆动等效果。
二，缓动公式
经过这么多的发展，缓动公式各项规范都稳定下来，虽然现在还有人源源不断的发掘新公式，但一般业务中，绝对数人选择使用默认的easein,linear.因此，对库的大小有顾虑，那么久将它们独立成一个模块吧。
现在所有的缓动公式，基本上除了linear外(但也被称为easeNone),它们都以ease开头命名，添加三种后缀，In表示加速，Out表示减速，InOut表示加速到中途又开始减速，于是就有了easeIn,easeOut,easeInOut之分，如果单是这样命名，说明它们没有介入高阶函数与三角函数。linear就是匀速。
然后在以实现的方式与指数或开根进行区分。Sine表示由三角函数实现，Quad是二次方，Cubic是三次方，Quart是四次方，Quint是五次方，Circ使用开平方根的Match.sqit,Expo使用开立方根的Math.pow,Elastic则是结合三角函数与开立三方根的初级弹簧效果，Back是使用一个1.70158常数来计算的回退效果。Bounce则是高级弹簧效果。
http://hosted.zeh.com.br/tweener/docs/en-us/misc/transitions.html（有更多的ease效果）
这些我们可以在AS库，jQuery.easing.js,mootools等库里拔下来，基本上大同小异。其中，jq的最规范，mootools使用循环生成的方式实现，代码最简，读者像实现自己的动画库，可以参考这两者。
jQuery标准库里只有这两条
linear : function(p){
return p
},
swing: function(p){
return 0.5 - Math.cos{p*Math.PI} / 2;
}
//很显然与其它库的缓动参数兴盛不一样
var easing = {
esaeInQuad : function (t, b, c, d){
return c * (t /= d) * t + b;
},
esaeOutQuad : function(t, b, c, d){
return -c (t /= d) * (t - 2) + b;
},
esaeInOutQuad : function(t, b, c, d){
if ((t /= d /2 ) < 1)
return c / 2 * t * t + b;
return -c / 2 * ((--t) * (t - 2) - 1) + b
}
//...
}这是因为jQuery在上面的计算过程中已经做了这一步，我们看看四个参数分别代表什么：
T: timestamap, 指缓动效果开始执行到当前帧所经过的时间段，单位ms
B: beginning val 起始值
C: change, 要变化的总量
D: duration ,动画持续的时间
返回的是直接可用的数值，或许我们只要加个单位进行赋值就行了。
而jQuery那一个参数的风格，其实是当前时间减去动画开始时间除以总时间的比值，一个0到1的小数，它用于乘以总变化量，然后加上起始值，就是现在此样式的情况。
下面是缓动应用，结合上例子：
window.onload = function () {
var el = document.getElementById("move");
var parent = document.getElementById("way");
var change = parent.offsetWidth - el.offsetWidth;
//var distance = parent.offsetWidth - el.offsetWidth; //总移动距离
var bengin = parseFloat(window.getComputedStyle(el, null).left) //开始位置
console.log(bengin)
var end = bengin + change; //结束位置
var fps = 30; //刷新率
var interval = 1000/fps ; //相隔多少ms刷新一次
var duration = 2000 ; //时长
var bounce = function(per) {
if (per < (1 / 2.75)) {
return (7.5625 * per * per);
} else if (per < (2 / 2.75)) {
return (7.5625 * (per -= (1.5 / 2.75)) * per + .75)
} else if (per < (2.5 / 2.75)) {
return (7.5625 * (per -= (2.25 / 2.75))* per + .9375);
} else {
return (7.5625 * (per -= (2.625 / 2.75)) * per + .984375);
}
}
el.onclick = function(){
var benginTime = new Date()
var id = setInterval(function(){
var per = (new Date - benginTime) / duration; //进度
if (per >= 1) {
el.style.left = end + "px";
clearInterval(id)
} else {
el.style.left = bengin + bounce(per) * change + "px";
}
},interval)
}
}
三,API设计
现在我们看如何写动画引擎。由于选择器的流行，注定这个API到用里也是集化操作，一下子处理N个元素。但这也无所谓，关键是函数名与如何传参。
jQuery的API易用性很好，我们看一下它的animate。它有两种用法。
.animate(proprtties[,duration][,easing][,complete])
.animate(proprtties,options)
第一个参数恒为要进行动画的属性映射，在第一种情况下，其它参数都是可选的，因为duration除了show,fast,default这三个字符串就是数字，esaing为特殊的缓动公式的名字，complete的函数，options是对象。不过尽管说的轻松，jQuery在这里也化了几十行进行转换，最后转换两个对象的形式与css3keyframe animation的定义此吻合。
我们还是利用上例子的方块，价个类名，就能看到效果了。
#way{width:800px;height:100px;background:#e8e8ff;position:relative;}
#move{position:absolute;left:0px;width:100px;height:100px;background:#a9ea00;}
.animate{
animation-duration:3s;
animation-name:slidein;
animation-timing-function:ease-in-out;
animation-fill-mode:forwards;
}
@keyframes slidein{
from {left:0%;background:white;}
to {left:700px;background:red;}
}这个动画分为两部分：一个是普通样式规则，用于描述动画所需的时长，缓动公式，结束后保留状态，重复多少次，及关键帧的动画引用名字(slidein),第二个是关键帧的规则。这里只有两个关键帧，实际上可以插入更多，最开始与结尾可以 用from和to命名，其实当你用javascript对应jq的anmimate方法的第一个参数。至于初始值，浏览器会自动计算，如果我们使用纯javascript实现方式，这个需要我们自己来计算了。动画引擎的强大与否，取决于css模块的强大。anmimate方法的第二个参数等对应animation-duration,animation-timing-function, anmation-fill-mode.
此外，jQuery还提供一个queue参数，目的让作用于同一个元素的动画进行排队，在处理完这个在处理后一个，要不，同时用于浏览器的定时器就太多了。加之集化操作，会把它放大化，队列的重要性就更突出，为此jQuery把这个参数默认为true.
从实现上，jQuery是放在元素对应的缓存体上，里边是一个promise对象，complete之后，会自动弹出下一个动画对象。所有动画对象都有自己的setInterval驱动，在YUI,kissy则有一个中央队列，所有不排队的动画全部放在这个数组中，然后有一个setInterval来驱动它们，排队的动画作为它的兄弟属性而存在（有的中央队列可能是一条二维数组），当前面的动画执行完，后面的动画就翻身。
四，requestAnimationFrame
如果一个页面运行许多定时器，那么你无论怎么优化，最后肯定是超过指定的时间才能完成动画，定时器越多，延迟越严重。为此，YUI,kissy等采用中央队列的方式，将定时器减少至一个，浏览器厂商firefox在4.0就推出mozRequestAnimationFrame,由于浏览器在维护队列，它内部掌握DOM渲染，事件队列等情况，所以大抵能保证fps在60左右。
谷歌发现这个思路不错，整合到自己的chrome中去，相对而言，精简很多。与最后定案的标准相差很小。webkitRequestAnimationFrame有点像定时器，第一个是回调，第二个可选，传执行动画的元素节点进去，返回一个ID，然后允许像clearTimeout一样有个weibkitCancelRequest-AnimationFrame函数进行中止动画。不过名字有点长了，后来模仿firfox一样使用cancelAnimationFrame,不同的只是私有前缀。
<script type="text/javascript">
// chrome 10-23
var startTime,
duration = 3000;
function animate(now) {
var per = (now - startTime) / duration;
if (per >= 1) {
window.webkitCancelRequestAnimationFrame(requestID);
} else {
document.getElementById("test").style.left = Math.round(600 * per) + "px";
window.webkitRequestAnimationFrame(animate);//不断地归抵调用animate
}
}
function start(){
startTime = Date.now();
requestID = window.webkitRequestAnimationFrame(animate)
}
</script>
<button onclick="start()">click</button>
<div id="test" style="position:absolute;left:10px;background:red">go</div>
IE与Opera起步最晚，IE到10才开始支持，不过这时标准已经形成，没有私有前缀，没有兼容性问题。
网上有很多非常不负责任的写法，因此，总结过很多写法，这里就不写出了。
这里参考司徒正美，网友屈屈，月影的版本改进。
//司徒正美从，网友屈屈，月影的版本改进。
function getAnimationFrame(){
//不存在msRequestAnimationFrame,IE10和chrome24直接使用requestAnimationFrame
if (window.requestAnimationFrame) {
return {
request:requestAnimationFrame,
cancel:cancelRequestAnimationFrame
}
//firefox11没有实现cancelRequestAnimationFrame
//并且mozRequestAnimationFrame与标准出入过大
} else if (window.mozCancelRequestAnimationFrame && window.mozCancelAnimationFrame) {
return {
request:mozRequestAnimationFrame,
cancel:mozCancelAnimationFrame
}
} else if (window.webkitRequestAnimationFrame && webkitRequestAnimationFrame(String)) {
return { //修正某个特异的webkit下没有time的参数
request:function(callback) {
return window.webkitRequestAnimationFrame(
function(){
return callback(new Date - 0);
});
},
cancel:window.webkitCancelAnimationFrame || window.webkitCancelRequestAnimationFrame
}
} else {
var millisec = 25; //40fps
var callbacks = [];
var id = 0, cursor = 0;
function playAll(){
var cloned = callbacks.slice(0);
cursor += callbacks.length;
callbacks.length = 0 ;//清空队列
for (var i = 0; callback; callback = cloned[i++]) {
if (callback !== "cancelled") {
callback(new Date - 0);
}
}
}
window.setInterval(playAll, millisec) ;
return {
request:function(handler){
callbacks.push(handler);
return id++;
},
cancel: function(id){
callbacks[id - cursor] = "cancelled"
}
};
}
}
当然，requestAnimationFrame不是没有缺点，它不能控制fps,比如我们做一些慢动作，许多回调都是做无用功。另外一个极端，在动作，枪战等动态场景，如果帧数不够高，换就会发虚，模糊。利用原始的setTimeout(在IE9 10 firefox10，chrome等浏览器中，它的最短时隔已经压缩到4ms，能轻松跑100帧以上的动画)，让动画更逼真，特写镜头丝丝入扣。
另外我们可以尝试postMessage这个异步方法，能实现超高度的动画(IE10 有setImmediate,速度也相当不错)。
（实验略。。）
视电脑性能而言，结果大致如下
| 类型 | setTimeout | requestAnimationFrame | loop | postMessage |
| 平均帧数 | 200 | 60 | 200-300 | 900-1000 |
微软官方，也放出使用高性能异步的方法setImmediate，与原始的setTimeout的对比实验，流程度很好。
在现实中，尤其是游戏中的，结合多种异步API是很有必要的。如作为背景的树木，流水，NPC用requestAnimationFrame实现，而玩家的角色，由于需要点击，再配合速度，体力，耐力等元素，其走路的速度是可变的，用setTimeout实现比较合适。一些非常炫酷的动画，可能就需要postMessage,image.one, setImmediate, MessageChancel等API.
注意！
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