如何实现一个Canvas渲染引擎(一)：节点和层级关系

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1 为什么要实现节点和层级关系

1.1 Canvas相较于DOM

1.2 Canvas开发的难点

1.3 在Canvas中实现节点和层级关系的优点

2 具体要实现哪些东西

我们要实现的节点和层级关系，会参照DOM的节点和层级关系来做，但不会完全实现DOM的那套东西，因为实在是太复杂了，我们只需要实现一部分核心的逻辑就能够满足我们使用了。

2.1 节点

2.2 父节点与子节点之间的层级关系

2.3 兄弟节点之间的层级关系

2.4 ‘组’的概念

2.5 锚点

3 细节实现

3.1 准备工作

到目前为止还没有任何代码，现在要开始写代码了，我们要先定义好一些以后会用到的类

3.1.1 DisplayObject

3.1.2 Container

3.1.3 Graphics

3.1.4 Matrix和Transform

3.1.5 Application

3.2 添加、删除子元素

实现层级关系的第一步，自然是在元素上添加、删除子元素

3.2.1 删除子元素Container.removeChild(child: Container)

public removeChild(child: Container) {
  for (let i = 0; i < this.children.length; i++) {
    if (this.children[i] === child) {
      this.children.splice(i, 1)
      return
    }
  }
}

3.2.2 添加子元素Container.addChild(child: Container)

public addChild(child: Container) {
  if (child.parent) {
    child.parent.removeChild(child) // 将要添加的child从它的父元素的children中移除
  }
  this.children.push(child)
  child.parent = this // 将要添加的child的parent指向this
  this.sortDirty = true // 添加了子元素之后，当前元素需要重新sort
}

3.2.3 排序子元素Container.sortChildren()

我们会根据zIndex属性来排序子元素，zIndex越大的元素会被排在children数组的越后面，但是注意，排序的时候，要保证相同zIndex的相对顺序不变。

public sortChildren() {
  if (!this.sortDirty) {
    return
  }

  this.children.sort((a, b) => a.zIndex - b.zIndex) // 这里用一个朴实无华的sort就行了
  this.sortDirty = false // 排序完毕后，标记这个元素的children不需要排序了
}

3.3 构建渲染图形

在3.2节里面已经简单地实现了层级关系，但是目前我们还没有可以渲染的节点，这一步里面我们将会简单地完善一下Graphics类以及相关的类，以便能够在canvas上渲染一些节点，让大家能够看到一些效果

3.3.1 Shape基类

在这个渲染引擎中支持的所有几何图形都会继承自这个Shape基类，这个基类会要求它的子类实现type属性和contains方法，type属性是为了渲染的时候，引擎能识别要渲染哪种图形，contains方法则是为了以后的碰撞检测做准备

export abstract class Shape {
  public abstract type: ShapeType
  constructor() {}
  public abstract contains(point: Point): boolean
}

3.3.2 Rectangle类

这个类用来表示矩形，这是一个比较简单的图形了，我们先实现这个图形，然后再在画布上画一些东西出来，其他的相对较复杂的图形后面再实现

export class Rectangle extends Shape {
  public x: number
  public y: number
  public width: number
  public height: number
  public type = ShapeType.Rectangle
  constructor(x = 0, y = 0, width = 0, height = 0) {
    super()
    this.x = x
    this.y = y
    this.width = width
    this.height = height
  }
  public contains(point: Point): boolean {
    return true // 碰撞检测目前还用不到，所以还没有实现这个方法
  }
}

3.3.3 Graphics.beginFill()

如果要填充图形，则需要先调用这个函数给画笔设置填充色

3.3.4 Graphics.drawRect(x: number, y: number, width: number, height: number)

调用这个函数来构造一个矩形，构造出来的矩形会被存入Graphics._geometry.graphicsData数组中，渲染的时候，会遍历这个数组，将所有图形渲染在canvas画布上。

3.4 渲染

目前我们已经可以构造一棵对象树了，现在我们要开始渲染这棵对象树。

3.4.1 前序遍历

假设我们写了如下代码

const blackGraphic = new Graphics()
blackGraphic.beginFill('black')
blackGraphic.drawRect(0, 0, 300, 300)

const redGraphic = new Graphics()
redGraphic.beginFill('red')
redGraphic.drawRect(0, 0, 200, 200)

const container1 = new Container()
container1.addChild(blackGraphic)
container1.addChild(redGraphic)

const container2 = new Container()
container2.addChild(container1)

const greenGraphic = new Graphics()
greenGraphic.beginFill('green')
greenGraphic.drawRect(150, 0, 180, 180)

container2.addChild(greenGraphic)

const yellowGraphic = new Graphics()
yellowGraphic.beginFill('yellow')
yellowGraphic.drawRect(0, 0, 250, 150)

app.stage.addChild(container2)
app.stage.addChild(yellowGraphic)

那么渲染引擎会构造出一棵这样的对象树：

前面说了，我们的渲染策略是：子节点在父节点之上(先绘制父节点，再绘制子节点)，相同层级的兄弟节点，zIndex越大，层级越高，相同zIndex，则按照添加顺序来决定，后添加的节点，层级更高(越晚绘制)。

也就是说我们期望的渲染顺序是这样的：stage->container2->container1->blackGraphics->redGraphics->greenGraphics->yellowGraphics

可以得出：我们要「先序遍历」这棵对象树，也就是说我们会先处理根节点，再递归处理子节点，直至所有节点处理完毕，退出递归。

在不断深入这棵对象树的同时，我们还要根据zIndex给每个节点的子节点进行排序。

代码如下(Container.renderCanvasRecursive)

public renderCanvasRecursive(render: CanvasRenderer) {
  if (!this.visible) {
    return
  }

  this.renderCanvas(render) // 先渲染自身

  // 渲染子节点
  for (let i = 0; i < this.children.length; i++) {
    const child = this.children[i]
    child.renderCanvasRecursive(render)
  }
}

Container.renderCanvas函数是没有内容的(Container类本身没有内容要渲染，它只是一个容器)，Graphics类中重写了这个方法(目前只实现了矩形的渲染，其他图形的渲染后续补充)，代码如下

protected renderCanvas(render: CanvasRenderer) {
    const ctx = render.ctx
    const { a, b, c, d, tx, ty } = this.transform.worldTransform

    ctx.setTransform(a, b, c, d, tx, ty)

    const graphicsData = this._geometry.graphicsData

    for (let i = 0; i < graphicsData.length; i++) {
      const data = graphicsData[i]
      const { lineStyle, fillStyle, shape } = data

      if (shape instanceof Rectangle) {
        const rectangle = shape
        // 先填充
        if (fillStyle.visible) {
          ctx.fillStyle = fillStyle.color
          ctx.globalAlpha = fillStyle.alpha * this.worldAlpha
          ctx.fillRect(
            rectangle.x,
            rectangle.y,
            rectangle.width,
            rectangle.height
          )
        }
        // 再stroke
        if (lineStyle.visible) {
          ctx.lineWidth = lineStyle.width
          ctx.lineCap = lineStyle.cap
          ctx.lineJoin = lineStyle.join
          ctx.strokeStyle = lineStyle.color
          ctx.globalAlpha = lineStyle.alpha * this.worldAlpha

          ctx.strokeRect(
            rectangle.x,
            rectangle.y,
            rectangle.width,
            rectangle.height
          )
        }
      }
    }
  }

渲染出来的效果是这样的：

黑色最先被绘制，所以在最下面，接着是红色、绿色、黄色，和预期的表现是一样的。

3.4.2 自动清除与自动重新绘制

想象一下这种case，在1秒后我想让黄色的节点向右位移200px，那么我要这样做：清空画布，将黄色节点的position设置为(200,0)，然后重新render一次stage，这样就可以看到我们想要的效果了。

但是，有一些步骤不应该让用户来做的，比如：清空画布、重新render一次stage，用户在使用这个渲染引擎时想要改变某个节点的位置，只需要像DOM那样：element.style.transform='translate(200px,0)'就行了，所以，渲染引擎需要自动清除画布以及重新绘制stage。

我们可以在requestAnimationFrame中进行这个操作。

export class Application {
  constructor(options: IApplicationOptions) {
    // ...
    this.start()
  }

  private render() {
    this.renderer.render(this.stage)
  }

  private start() {
    const func = () => {
      this.render()
      requestAnimationFrame(func) // 递归调用自身
    }
    func()
  }
}

移动黄色节点的代码如下

setTimeout(() => {
  yellowGraphic.position.set(200, 0)
}, 1000)

效果如下

code sandbox地址

3.5 应用了线性变换的渲染

前面我们已经渲染出了一些矩形，但是我们没有对矩形做任何线性变换操作(旋转、缩放等)。现在我们要把线性变化加入进来，实现真正的可用的渲染。

「我们要做的就是，实现类似于DOM的transform的效果。」

3.5.1 Transform类

这个类包含了节点的一些变换信息，如rotation(对标DOM的transform.rotate)，scale(对标DOM的transform.scale)，pivot(对标DOM的transform-origin)，skew(对标DOM的skew)。DisplayObject会实例化这个类并挂载到transform属性上，每个DisplayObject都会有一个transform属性，就像每个DOM节点都有一个transform属性一样。

3.5.2 Transform.localTransform

这个属性代表了当前节点相对于父节点的线性变换，它的值是一个矩阵(Matrix类)，更准确点说，当前节点的旋转、平移、缩放、斜切这4种变换，会用这个矩阵来表示，这个矩阵表示了这4种变换的叠加。

既然是叠加，那么必然会有先后顺序，pixijs的处理顺序是：先处理缩放，接下来是skew、旋转、平移。矩阵的左乘表示叠加另一个线性变换，所以，实际的处理方式是：Matrix(平移)xMatrix(旋转)xMatrix(skew)xMatrix(缩放)

我们可以通过追踪2个基向量来得出各种变换对应的矩阵

  1. scale(x,y)

  1. skew(x,y)

这里需要说明一下，浏览器的skew和pixijs的skew是不一样的，浏览器的skew是一种倾斜变换，pixijs的skew是一种剪刀变换，这么说有点抽象，直接上矩阵吧。

浏览器的skew(x,y)：

pixijs的skew(x,y)：

对一个DOM节点施加skew(45deg,0)是这样的效果(transform-origin设置为top left)：

红色是变换之前的效果，绿色是变换之后的效果，可以看到这个元素往x轴倾斜了45度，倾斜后它的高度保持不变。

而对一个pixijs的元素施加skew(Math.PI/4,0)后是这种效果：

红色是变换之前的效果，绿色是变换之后的效果，可以看到这个元素往x轴倾斜了45度，并且它的高度已经发生了改变，但是这个元素的4条边的长度是不变的，这个变换看起来就像一把剪刀进行了一次开合，两个基向量就是这把剪刀的两刃。

在这里，我还是决定采用pixijs的skew，而不是浏览器的skew。

  1. rotation(r)

  1. 平移-position

对于平移的处理这一步，是比较特殊的，因为我们会在这一步里实现「锚点」并且引入仿射变换的概念。

在2维空间里的平移操作，并不算一个线性的操作，因为这个操作将会移动原点，我们需要通过仿射变换来实现这个操作，具体来说就是在3维空间里操作2维空间，这样的话就能在这个2维空间上实现平移效果了。

平移的变换矩阵是：

这是一个3维矩阵，tx和ty代表了平移效果。

在pixijs中，可以这样来理解「锚点」：position设置的，是「锚点」的位置，假设position=(100,100)，那么无论经过何种变换，锚点都会出现在(100,100)这个点上；除了平移变换以外的所有变换，都是围绕锚点进行的。要实现这种效果，我们的做法是：

「先计算出在经过scale、skew、rotate变换之后，锚点的位置，然后叠加一个平移变换M，将锚点挪到position(x,y)。」，这个平移变换M，就是我们要求的平移变换。

假设「scale、skew、rotate」这3个线性变换叠加后得出的矩阵是:

将锚点的坐标(pivot.x,pivot.y)左乘这个矩阵，就得到了锚点在变换后的坐标，即：

(a * pivot.x + c * pivot.y, b * pivot.x + d * pivot.y)

要将这个点移到(position.x,position.y)，那么需要将这个点往X轴方向平移:

position.x-(a * pivot.x + c * pivot.y)

往Y轴方向平移:

position.y-(b * pivot.x + d * pivot.y)

这样就将锚点挪到了(position.x, position.y)

所以，平移变换对应的矩阵是：

更新Transform.localTransform的代码(Transform.updateLocalTransform)是：

private updateLocalTransform() {
  if (!this.shouldUpdateLocalTransform) {
    return
  }

  if (this.transformMatrix) {
    this.localTransform = this.transformMatrix
    return
  }

  // 旋转操作对应的矩阵
  const rotateMatrix = new Matrix(
    Math.cos(this.rotation),
    Math.sin(this.rotation),
    -Math.sin(this.rotation),
    Math.cos(this.rotation)
  )

  // skew操作对应的矩阵
  const skewMatrix = new Matrix(
    Math.cos(this.skew.y),
    Math.sin(this.skew.y),
    Math.sin(this.skew.x),
    Math.cos(this.skew.x)
  )
  // 缩放操作对应的矩阵
  const scaleMatrix = new Matrix(this.scale.x, 0, 0, this.scale.y)

  // 朴实无华的3个矩阵相乘
  const { a, b, c, d } = rotateMatrix.append(skewMatrix).append(scaleMatrix)

  /**
   * 接下来要处理平移操作了，因为要实现锚点，所以并不能简单地将平移的变换矩阵与上面那个矩阵相乘
   */
  // 首先计算出锚点在经历旋转，斜切(skew)，缩放后的新位置
  const newPivotX = a * this.pivot.x + c * this.pivot.y
  const newPivotY = b * this.pivot.x + d * this.pivot.y

  // 然后计算tx和ty
  const tx = this.position.x - newPivotX
  const ty = this.position.y - newPivotY

  this.localTransform.set(a, b, c, d, tx, ty) // 更新localTransform
}

注意：在这一小节中，我们讲解的是localTransform，也就是说这里面的变换都是相对于父节点的，position=(100,100)是相对于父节点的(100,100)，而不是相对于canvas视窗的(100,100)，下一节将讲述相对于canvas视窗的变换。

3.5.3 Transform.worldTransform

上一节我们得到了如何将节点自身的多种变换转化成一个矩阵，这个矩阵代表的就是当前节点相对于父节点线性变换，接下来我们要得到当前节点相对于canvas视窗的线性变换。

这一节要做的事情就比上一节简单多了，我们只需要将节点自身的localTransform左乘父节点的worldTransform，就得到了自身的worldTransform。

代码如下(Transform.updateTransform):

public updateTransform(parentTransform: Transform): boolean {
  // ...

  // 自身的localTransform左乘父元素的worldTransform就得到了自身的worldTransform
  this.worldTransform = this.localTransform
    .clone()
    .prepend(parentTransform.worldTransform)

  // ...
}

得到了worldTransform后，在渲染的时候，调用canvas的ctx.setTransform，就可以讲将canvas画笔调到我们要的状态了，下面是一个例子

这是Graphics.renderCanvas中的一段代码：

const { a, b, c, d, tx, ty } = this.transform.worldTransform
ctx.setTransform(a, b, c, d, tx, ty)

3.5.4 一次完整的渲染

「第一步」：在渲染之前，我们要先更新节点树上的所有节点的localTransform以及worldTransform。通过Container.updateTransform函数来递归更新所有节点的localTransform以及worldTransform，这个函数会先序遍历节点树，先计算出自身的localTransform以及worldTransform，然后递归计算子节点的localTransform以及worldTransform。

public updateTransform() {
  this.sortChildren()

  const parentTransform = this.parent?.transform || new Transform()
  const hasWorldTransformChanged =
    this.transform.updateTransform(parentTransform)

  this.worldAlpha = (this.parent?.worldAlpha || 1) * this.alpha

  if (this.worldAlpha <= 0 || !this.visible) {
    return
  }

  for (let i = 0, j = this.children.length; i < j; ++i) {
    const child = this.children[i]

    // 若当前元素的worldTransform改变了，那么其子元素的worldTransform需要重新计算
    if (hasWorldTransformChanged) {
      child.transform.shouldUpdateWorldTransform = true
    }

    child.updateTransform()
  }
}

「第二步」：递归渲染stage对象，这一点前面已经进行了说明，这里就不再进行赘述。

所以，最终的渲染代码(CanvasRenderer.render)如下：

public render(container: Container) {
  container.updateTransform()

  this.ctx.save()

  this.ctx.clearRect(0, 0, this.screen.width, this.screen.height)

  if (this.background) {
    this.ctx.fillStyle = this.background
    this.ctx.fillRect(0, 0, this.screen.width, this.screen.height)
  }

  container.renderCanvasRecursive(this)

  this.ctx.restore()
}

可以看到，除了上面提到的两步，这个函数还执行了一些额外的逻辑，即：画背景以及调用ctx.save()和ctx.restore()，画背景就不用多说了。调用ctx.save()和ctx.restore()主要是防止画笔状态的污染。ctx.save()和ctx.restore()是canvas提供的非常好用的用于保存/恢复画笔状态的函数，但是注意，每次渲染我们只会调用一次这两个函数，如果每渲染一个节点都调用一次的话，会拖慢渲染性能。

4 总结

canvas中没有节点和层级的概念，我们通过DisplayObject和Container等类，实现了节点和层级的概念；通过Transform属性实现了类似DOM的transform属性；通过叠加节点相对于父节点的变换(localTransform)和父节点相对于canvas视窗的变换(parent.worldTransform)，得到了每个节点相对于canvas视窗的变换，然后调用ctx.setTransform设置画笔的状态，来进行绘制；通过requestAnimationFrame实现了自动清除画布和重新绘制。

通过以上几步，我们实现了类似DOM的「节点」和「层级关系」的概念，让用户可以像使用DOM一样使用canvas。

5 最后

目前Graphics类只支持画矩形，下一节会补充一下Graphics类，让其支持「直线、多边形、圆角矩形、圆、贝塞尔曲线」等图形。

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