理解WebKit和Chromium: Canvas2D及其实现
# Canvas 2D及其在WebKit和Chromium中的实现
## 概述
Canvas是HTML5新引入的元素，它是一个画布。开发者可以用JavaScript脚本在该元素上绘制任意图形（2D或者3D）。Canvas元素有两个属性“width”和“height”，用来设置画布的宽度和高度。Canvas本身来讲并没有定义绘制图形的动作和行为，只是提供了一个获取绘图的上下文（context）对象的方法－getContext来获取绘制2D或者3D上下文。
Canvas的‘getContext’方法包含一个参数，该参数用来指定创建上下文对象的类型。对于2d的图形操作，通过传递参数值’2d’，浏览器会返回一个2d的绘图上下文，称为CanvasRenderingContext2D， 它提供了用于绘制2d图形的各种API， 包括基本图形绘制（例如线，矩形，圆弧），文字绘制，图形变换，图片绘制及合成等。我们把以上这些称之为Canvas2D。下图是一个使用Canvas2d的简单例子，后面的讨论都会基于它来进行。
Canvas 2D是HTML5草案的一部分，被众多的浏览器所支持， 包括chrome, IE， Firefox， Safari等等。 不仅如此，越来越多的浏览器开始支持在Canvas中绘制3D图形，该部分规范由Khronos组织定义。 也就是，通过传入适当的参数来调用Canvas的getContext函数以创建3D上下文对象用于绘制3D图形， 目前不同的浏览器支持不同的参数，例如chromium支持“webkit-3d”和”experimental-webgl”。
值得注意的是，2D和3D是互斥的，不能同时在同一个canvas中操作它们，也就是说，当创建了一个2D的上下文对象后，你不能再为其创建3D的上下文，反之亦然。本章将重点介绍Canvas 2D方面的只是及在WebKit和chromium中的实现， Canvas 3D也就是WebGL将在下一章中作介绍。
## CanvasRenderingContext2D 介绍
前面说到，CanvasRenderingContext2D是2d图形绘制的上下文对象，其提供了用于绘制2d图形的API，W3C工作组起草了标准的草案，详细见参考文献2。该对象由JavaScript代码创建后，JavaScript便可以调用它的API在画布上绘制图形了。这些API主要的作用就是在画布上绘制点，线，矩形，弧形，图片等等，除此之外，还提供了这些绘制的样式和合成效果等。下面按类简单介绍一下它所包含这些API。
第一部分，如下两个函数save和restore用来保存或者恢复2D上下文的状态；
第二部分，用来设置变换参数，例如缩放，旋转，平移等，这些构成了一个变换矩阵，缺省是Identity矩阵；
第三部分，对象的两个属性globalAlpha和globalCompositeOperation，用来设置alpha值和合成模式，alpha值表示将要绘制图形的透明度，合成模式表示将要绘制的图形和绘制对象如何合成，合成模式有多种，例如source-over, source-in, source-out, destination-over,destination-in, destination-in等等；
第四部分，有关设置颜色和样式，包括两个属性strokeStyle, fillStyle，gradient, pattern, 用来表示笔画和填充的格式，变化率，和用来填充图片的模式
第五部分，有关线的样式属性，它们包括线宽度，线端样式及其线与线的连接方式等；
第六部分，有关阴影方面的属性，这是全局的，影响所有绘制的图形；
第七部分，绘制矩形的相关操作，包括清除矩形区域，填充和绘制矩形边框；
第八部分，Path相关的操作，用来绘制自定义的路径的图形，这可以是图形可以是直线，弧形，曲线等；
第九部分，与文字相关的操作，包括字体，文字对齐方式等属性和绘制文字等操作；
第十部分，绘制图像到画布上，图像来源可以Image元素，Canvas元素，或者是Video元素。通过设置的样式，可以把待绘制的图像以不同的方式绘制到目标的Canvas上；
第十一部分，有关像素方面的操作，包括ImageData创建，以及从canvas读取内容创建ImageData和把ImageData内容写到canvas；
第十二部分，定义与上面一些API相关的类（接口），例如CanvasGradient，CanvasPattern等，这些类街头连同上面的API都被定义WebIDL格式。
通过以上解释，那么canvas2d例子中的代码就比较容易理解了。那段JS代码首先创建一个2D的上下文对象，然后设置填充的颜色为红色，最后填充一个80x100的矩形内部为红色。你可以尝试把例子放在chromium里面运行然后看看能得到什么。值得提醒的是，当画布的宽度或者高度发生改变时，该画布上的所有绘制的内容都将被移除。
## WebKit和Chromium的支持
W3C定义了2D context标准的草案， 这些接口保存在IDL文件中。 WebKit根据这IDL来直接生成相关的C++类的代码，这些类包括CanvasRenderingContext2D,CanvasPattern, CanvasGradient, ImageData, TextMetrics等， 它们和标准中的接口一一对应，你可以在WebKit/Source/WebCore/html/canvas中找到它们。那么它们被JS中的代如何码调用的呢？答案是生成JavaScript绑定。
Canvas2D上下文类的具体绘制动作由实现平台决定， 其由软件或者硬件来完成取决于移植。下面， 我们来看看WebKit如何支持Canvas2D以及如何提供合适的接口将实现交给移植来完成的。
首先，大致理解一下WebKit和chromium中支持Canvas2D的重要的类模块和它们之间关系，如下图所示。同以前一样， 包括WebKit的基础类和与平台相关的绘图类及支持canvas2D硬件加速的类。
让我们简单了解一下这些类的作用：
WebKit端：
HTMLCanvasElement：DOM中的对应着HTML5 的canvas元素，该类包含有关为2D或者3D context服务的相关接口，主要的作用创建JS使用的2D或者3D上下文对象，绘图的平台无关的GraphicsContext对象，后端存储的buffer
GraphicsContext：WebKit的平台无关的上下文类，用于绘制工作，具体调用平台相关的上下文类来实现绘制
PlatformGraphicsContext：平台绘制上下文类，不同的平台有不同的实现，在chromium中是PlatformContextSkia
ImageBuffer：WebKit平台无关后端存储类，不同平台会定义不同的结构，在chromium中会使用SkCanvas
RenderHTMLCanvas：RenderObject的子类，为canvas而设计的
Chromium端：
PlatformContextSkia： Chromium中的PlatformGraphicsContext类
SkCanvas：skia画布，包含所有的绘制状态，使用SkDevice来绘制图形
SkDevice：设备类，包含一个SkBitmap作为后端，利用光栅扫描算法来生成像素值保存于后端存储中，用于软件绘制方案
SkGpuDevice：设备类，包含一个绘制的目标对象，通过GrContext来绘制，其利用硬件加速的GL库来绘制2D图形
GrContext: GPU绘制的上下文类，包含一个平台相关的3D上下文成员
Canvas2DLayerChromium:LayerChromium的子类，包含一个硬件加速的Canvas2D层
其他类：之前介绍过，不再赘述
上图中加速部分相关的GraphicsLayer, CCLayerImpl等，因为在之前介绍过，为方便起见，图中省略了它们。
Chromium中的Canvas2D的绘制操作的实现都是由图形库skia来完成，这里包括软件和硬件加速实现，chromium所要做的就是把WebKit中的调用交给skia来执行并和自己的绘制模型和硬件加速机制集成起来。
那么如何打开或者关闭Canvas2D的硬件加速功能呢？ Chromium中提供了两个选项，分别是“--disable-accelerated-2d-canvas”和“--enable-accelerated-2d-canvas”，用户可以通过查看“about://gpu”来确认。
在介绍了基础设施之后，下面来看看具体的软件和硬件加速如何实现Canvas2D的。后面的软件实现和硬件加速实现都基于本章开始的canvas例子来说明。
## Canvas 2D的软件实现
这里我们以本章中的Canvas2D的例子来说这个过程。
首先，当执行到JS代码中的canvas.getContext时，WebKit通过V8 JS绑定会调用HTMLCanvasElement.getContext。该函数根据传入的参数来决定创建2D或者3D的上下文对象。 在这里， CanvasRenderingContext2D对象会被创建。此时其他有关的对象例如ImageBuffer，GraphicsContext等不会被创建，直到后面使用到时才会被创建，这是WebKit的做事原则。
其次，当设置fillStyle属性时，WebKit同样通过V8 JS绑定调用CanvasRenderingContext2D.setFillStyle，在这种情形下，2D上下文对象会开始创建相关对象（在软件实现情况下，上图中右侧框中的对象不会被创建，包括ImageBuffer， GraphicsContext， PlatformContextSkia， SkCanvas，SkDevice和 SkBitmap）。
当执行JS的fillRect时，CanvasRenderingContext2D调用GraphicsContext来完成绘制。 这两个类是WebKit的基础类，GraphicsContext需要有不同移植来具体实现绘制工作，在chromium中，这就是PlatformContextSkia。该类是一个转接口，调用skia来绘制。SkCanvas根据之前设定的样式，由SkDevice利用光栅扫描法来计算生成相应的像素值，结果保存在一个SkBitmap中。
最后，当fillRect操作调用完成之后，会安排一个Invalidate相关区域的命令。而后，当该命令被执行了，WebKit会遍历RenderLayer依次绘制RenderObject的内容，当绘制Canvas元素时，会把之前Canvas绘制在SkBitmap的内容绘制到网页的Bitmap上（该bitmap通过共享内存机制会被Browser进程绘制在Tab子窗口中）。下图显示的是当有更新请求时，WebKit遍历RenderLayer树和Render树来绘制网页及Canvas的详细调用过程。
## Canvas 2D的硬件加速实现
在硬件加速实现Canvas情况下，有一些地方是相似的，下面主要介绍它们的不同之处。
首先，硬件加速需要创建更多的对象和设施，主要有两点，一是如前面章节介绍的，会为Canvas元素创建一个新的RenderLayer及其相应的GraphicsLayer，Canvas2DLayerChromium，CCLayerImpl等。二是因为利用GL来渲染，所以为skia的SkCanvas创建一个SkGpuDevice, GrTexture, GrContext来使用GL绘制2D图形，同时，跟合成器一样，它也会创建3D的上下文对象- WebGraphicsContext3DCommandBufferImpl， 将skia的GrContext， GrTexture等对gl调用转发给GPU进程，具体的创建过程可参考ImageBufferSkia.cpp文件中的createAcceleratedCanvas函数。
其次，当调用fillRect时，canvas的内容由SkCanvas调用SkGpuDevice将其绘制在Texture，当然这些GL的操作都通过WebGraphicsContext3DCommandBufferImpl交给GPU进程来完成绘制。最后，会请求一个更新某个区域的任务。
最后，更新请求会调度合成操作，其首先调用Canvas2DLayerImpl::paintContentsIfDirty绘制自己，然后将Canvas的Texture合成起来生成网页内容。
## 源文件目录
WebKit/Source/WebCore/html/canvas/
WebKit支持Canvas相关的类，包括支持2D和3D上下文及其所涉及的其他类
WebKit/Source/WebCore/platform/graphics/skia/
实现WebKit中的平台相关的2D图形功能，Canvas2D在chromium中的实现依赖skia图形库
## 参考文献
1. HTML5 canvas element http://www.w3schools.com/html5/html5_canvas.asp
2. Canvas2D context http://www.w3.org/TR/2dcontext/
3. WebKit HTMLCanvasElement
http://developer.apple.com/library/safari/#documentation/WebKit/Reference/HTMLCanvasElementRef/HTMLCanvasElementClassReference.html#//apple_ref/doc/uid/TP40009476