如何打造一款高可用的全屏红包雨

我们腾讯新闻在年底前搞了一波大的烟花活动和跨年红包雨活动，我正好负责了全屏红包雨的特效。在活动结束后，我们来复盘下整个红包雨的实现过程，或许对您有什么帮助呢！

在实现红包雨时，我们首先要明确实现什么样子的功能，要给上层的调用方什么配置，调用方需要做什么，就能启动这个红包雨。

1. 为提高性能用 canvas 实现，用 div 的话，需要频繁地创建 div 并进行重绘，红包比较多时，可能会特别消耗性能；
2. 每个红包要有不同的降落速度，一样的速度太单调；
3. 确定红包的属性（如速度、位置坐标、大小、放大缩小和旋转的变形数据、是否已被销毁等）；
4. 可以手动启动和暂停红包雨；
5. 点击时，告诉调用方是否命中了红包；

接下来我们一步步地来实现一套完整的红包雨。代码较多，请静下心来。

1. 创建红包雨的画布 #

我们设置组件的原则是要开箱即用，让调用方尽可能少的配置就能使用我们的组件。我们要实现红包雨，首先就要创建一个画布来画这个红包雨。

class RedpackRain {
  private rainCtx: CanvasRenderingContext2D | null = null;
  private containerRect = { width: 0, height: 0, top: 0, left: 0 };
  private ratio = window.devicePixelRatio || 3; // 画布放大的倍数

  // 在指定容器内创建canvas
  private creatCanvas = () => {
    // 传入一个选择器，表示要在哪个里面展示红包雨
    const selector: HTMLElement = this.config.selector as HTMLElement;

    // 获取外层容器的属性，根据容器的属性来设置画布
    const { top, left, width, height } = selector.getBoundingClientRect();

    // 将容器的属性记下来
    // ratio表示放大的倍数，这是为了避免在一些高清屏下canvas模糊的问题
    this.containerRect.width = width * this.ratio;
    this.containerRect.height = height * this.ratio;
    this.containerRect.top = top;
    this.containerRect.left = left;

    // 容器中还没有创建canvas画布时，就创建一个
    // 若已经有了，则不再创建
    if (selector.getElementsByTagName('canvas').length === 0) {
      const canvasRain = document.createElement('canvas');
      canvasRain.style.cssText = 'position: absolute; top: 0; left: 0; width: 100%; height: 100%; z-index: 2';
      canvasRain.width = this.containerRect.width;
      canvasRain.height = this.containerRect.height;

      const div = document.createElement('div');
      div.style.cssText = 'position: relative; height: 100%';
      div.appendChild(canvasRain);
      selector.appendChild(div);

      const rainCanvasSelector: HTMLCanvasElement | null = selector.querySelector('.rain-redpack-canvas');

      if (rainCanvasSelector) {
        // 获取画布
        this.rainCtx = rainCanvasSelector.getContext('2d');
      }
    }
  }
}

这里其实我们要注意两点：

• 获取容器的属性（top, left, width, height），width 和 height 是为了设置画布的宽度和高度，而 top 和 left 的值，是为了在计算用户的点击坐标时，要减去容器的 top 和 left，才是用户在画布上的坐标；为了通用性，也是考虑了容器不是全屏的情况；
• 一个是 ratio 属性，为了避免在一些高清屏下 canvas 模糊的问题，对 canvas 进行了放大处理；那么 canvas 中所有的数据都是等比例放大了，这点在后面判断点击是否命中红包时非常有用，因为红包的坐标、宽度和高度都是等比例处理过了，点击事件产生的 top 和 left 也要先乘以对应的系数后，才能跟红包的坐标对应上。

2. 红包元素 #

在创建完成画布后，我们就可以画红包元素了，在 canvas 中，我们直接画一个图片即可。这里我们分成几个小节来分开将红包元素。

2.1 红包的创建 #

一个红包特有的几个属性：

具体代码如下：

class Item {
  redpackId = 1; // 红包标识
  x = 100; // 红包的横坐标
  y = 200; // 红包的竖坐标
  width = 100;
  height = 150;
  speed = 10; // 下降的速度，创建后则确定
  angle = 2; // 渲染的角度
  ratio = 1.1; // 放大的系数
  imgurl = ''; // 红包素材的地址
  redpackCtx: CanvasRenderingContext2D | null = null; // 画布

  constructor({ redpackId, x, y, imgurl, width, height, speedMax, speedMin, redpackCtx, onDestoryed }) {
    this.redpackId = redpackId;
    this.x = x;
    this.y = y;
    this.width = width;
    this.height = height;
    this.speed = (speedMax - speedMin) * Math.random() + speedMin;
    this.imgurl = imgurl;
    this.redpackCtx = redpackCtx;
    this.containerHeight = containerHeight;
    this.onDestoryed = onDestoryed;

    const random = Math.random();
    const angle = ((random * 30 + 10) * Math.PI) / 180; // 随机一个旋转偏移角度
    this.angle = random < 0.5 ? angle : 0 - angle; // 随机向左或者向右旋转
    this.ratio = random * 0.4 + 0.8; // 随机放大的效果，0.8~1.2倍之间
  }
}

虽然整个红包雨中，有的红包落的快，有的红包落的慢，但具体到某一个红包中，我们则在创建时，就已经确定了这个红包的速度，一直到当前红包被销毁。

为了不让红包显得过于单调，我们在红包素材固定的情况下，对元素进行了渲染和放大处理：

const random = Math.random();
const angle = ((random * 30 + 10) * Math.PI) / 180; // 随机一个旋转偏移角度
this.angle = random < 0.5 ? angle : 0 - angle; // 随机向左或者向右旋转
this.ratio = random * 0.4 + 0.8; // 随机放大的效果，0.8~1.2倍之间

2.2 红包的移动 #

在 canvas 中的移动，其实就是擦除刚才坐标的图像，然后在新的坐标重新画一个。将这个行为一直持续下去，红包就会一直动起来了。

class Item {
  render() {
    const { redpackCtx } = this;

    // 还在画布内时
    if (this.y < this.containerHeight) {
      // 绘制下一个位置
      const nextx = this.x; // 横轴坐标不变
      const nexty = this.y + this.speed; // 根据速度获取下一个竖轴坐标

      redpackCtx.save();
      redpackCtx.beginPath();
      redpackCtx.rect(nextx, nexty, this.width, this.height);
      redpackCtx.translate(nextx + this.width / 2, nexty + this.height / 2);
      redpackCtx.scale(this.ratio, this.ratio);
      redpackCtx.rotate(this.angle);
      redpackCtx.drawImage(this.redpackImg, -this.width / 2, -this.height / 2, this.width, this.height);
      redpackCtx.strokeStyle = 'transparent';
      redpackCtx.stroke();
      redpackCtx.restore();
      this.y = nexty;
    } else {
      // 超过边界，回调该元素被销毁的事件
      // 告诉主流程当前红包已销毁，可以将其剔除
      if (typeof this.onDestoryed === 'function') {
        this.onDestoryed(this.redpackId);
      }
    }
  }
}

当红包一直绘制到边界了，还没有被用户点中，则告诉主控制流程，这个红包已经达到边界了，可以将其从列表中删除了。细心的人也发现了，这个 render()只是一次的绘制操作，它怎么能动的起来呢？

本来做 demo 的过程中，我是把 requestAnimationFrame 放在红包 Item 中，也就是说每一个红包都有自己完整的一套绘制流程；而且每次移动的过程中，只擦除自己刚才所在的位置，并不擦除整个画布。同时 canvas 中还有一个isPointInPath方法用来判断点击是否在画出的封闭路径内，那么我正好可以用isPointInPath方法用户是否命中了红包？

然而这里有一个问题：isPointInPath方法只能判断最后一次绘制的图形，如果画布中有多个红包时，需要把每个红包都挨个儿重新绘制一次，然后一个一个进行判断。这样就会多次的重绘，每个红包运动时，自己都有一个 requestAnimationFrame 在重复绘制；用户点击时，还是会清除重新绘制，如果用户点击比较快，那么画布就需要频繁的擦除和重绘。

而且在真机测试的过程中发现，准确率不高，手指明明点中了红包，程序却判定没有点中。体验效果不好。

是不是有点跟不上了，别急，还没到最后呢！

3. 主流程 #

针对上面存在的问题，这里我在进行了下一步的优化。

主流程中一个变量redpackItemList保存着当前整个画布中正在存在的红包实例，若被点击命中或者降落到查出了画布，则将其移除。

3.1 全局只有一个 rAF 来控制 #

把用 requestAnimationFrame 控制红包下一次绘制的操作，放在了主流程中，整个红包雨只有一个 requestAnimationFrame 来控制所有的红包绘制，每次绘制前，先把整个画布擦除掉，然后循环redpackItemList，调用每个红包实例中的 render()再重新绘制出来。如果 redpackMap 已经不存在某个红包实例，则下次绘制时，则不会再进行绘制。

在修改了绘制流程后，我并没有同步修改对点击命中的判断逻辑，发现在 PC 上调试时命中率更低了，isPointInPath不好使了。主要是因为所有的红包都是在一次的渲染中完成的，点击的红包在 for 循环的渲染过程中，非常快地就过去了，根本就没有被做为当时最后一个画布的元素来判断。为了解决判定不准的问题，这里改成了通过坐标进行判断。

class RedpackRain {
  clickListener() {
    // 获取所有的手指坐标
    touchClients.forEach(({ clientX, clientY }) => {
      // 减去外层容器的偏移，并乘以画布放大的系数
      const myClientX = (clientX - left) * this.ratio;
      const myClientY = (clientY - top) * this.ratio;

      // 循环当前所有存在画布上的红包坐标
      for (const key in this.redpackItemList) {
        const redpackItem = this.redpackItemList[key];
        const { x, y, width, height } = redpackItem;

        const diff = 14; // 比红包区域大一点，类似于padding
        let hitedNum = 0; // 被命中的红包个数
        if (
          myClientX >= x - diff &&
          myClientX <= x + width + diff &&
          myClientY >= y - diff &&
          myClientY <= y + height + diff
        ) {
          delete this.redpackItemList[key];
          redpackItem.addBubble();
          hitedNum += 1;
        }
        if (typeof this.config.onClick === 'function') {
          this.config.onClick(hitedNum); // 返回当前次点击，一共命中了几个红包
        }
      }
    });
  }
}

我们这里特意进行了一个坐标的转换，首先减去外层容器相对可视窗口的偏移量，然后再乘以画布的放大系数，使点击的坐标能正好和画布的坐标能对应上：

// 减去外层容器的偏移，并乘以画布放大的系数
const myClientX = (clientX - left) * this.ratio;
const myClientY = (clientY - top) * this.ratio;

3.2 创建红包实例 #

每个降落的红包，都是一个红包实例，那么如何创建一个红包实例呢？又要考虑哪些问题呢？

其实创建红包实例很简单，我们在上面已经定义好红包类需要的属性，把这些数据传进去并初始化，初始化的实例放到redpackItemList中。

额外特别需要注意的就是红包降落的横轴 x 的值，我们制定了两个标准：

1. 不与最近一次降落的红包重叠，红包的速度有快有慢，如果重叠的话，看起来不好看；
2. 不出现在边界，避免用户不方便点击，同时也考虑到曲面屏手机的情况；

因此我专门写了一个方法，每次创建前，获取下即将降落的红包横坐标：

class RedpackRain {
  /**
   * 返回红包创建时的x轴坐标
   * @param width 红包的宽度
   * @return x轴坐标
   */
  private getRedpackItemX(width: number): number {
    let x = this.lastRedpackX; // 上次红包的坐标
    do {
      x = Math.floor(Math.random() * (this.containerRect.width - width * 3) + width); // 避免红包产生在边界
    } while (Math.abs(this.lastRedpackX - x) <= width * 1.5); // 避免先后两个红包重叠

    this.lastRedpackX = x;
    return x;
  }
}

这个方法产生的坐标坐标会在 width <= x < containerRect.width-width*2 中间产生，右边为什么是减去 2 个红包的宽度呢，因为红包本身还占有一个宽度，红包实例使用这样计算出来的 x 值，会在两边各留下一个红包宽度的间隙。

有读者可能会有疑问，这里通过 while 循环和 Math.random()算出一个范围内的数值，会不会出现每次随机出来的数值，都不满足要求，导致 while 循环次数过多的情况呢？其实并不会，我们在测试过程发现，大部分最多循环 2-3 次就能得到符合要求的数据，少部分会有 4 次的情况。

得到横轴的数值后，就可以创建红包了。

class RedpackRain {
  // 创建红包
  private createRedpackItem() {
    const { width, height, speedMax, speedMin, imgUrl } = this.config.redpack || {}; // 配置
    const redpackItemId = Date.now(); // 红包实例的ID，这里我们使用时间戳来作为ID
    const x = this.getRedpackItemX(width); // 获取横轴的坐标
    const redpackItem = new RedpackItem({
      redpackId: redpackItemId,
      x,
      y: -this.config.redpack.height,
      imgUrl,
      width,
      height,
      speedMax,
      speedMin,
      containerHeight: this.containerRect.height,
      redpackCtx: this.rainCtx, // 当前画布
      onDestoryed: (id) => {
        // 自身被销毁时的回调
        // 从列表中删除
        delete this.redpackItemList[id];
      },
    });

    // 将红包实例推送到列表中
    this.redpackItemList[redpackItemId] = redpackItem;

    // start中先判断红包图片加载完毕，然后调用render方法
    redpackItem.start();
  }
}

3.3 页面不可见时 #

使用 requestAnimationFrame 来循环对页面渲染，而不是使用 setTimeout 或者 setInterval，想必大家也能知道原因。这里我们主要探讨页面可见性发生变化时，对红包雨造成的影响。

我们考虑一个这样的场景：用户已经开启了红包雨，点击了几个红包，但是女朋友在微信忽然发了一条很重要的消息，必须马上要回复；这时就要从腾讯新闻切换到微信页面进行回复，回复完毕后再重新回到腾讯新闻。这里就涉及到了页面可见性的问题。

我们在测试的过程中发现，当前页面不可见时，requestAnimationFrame 在大多数浏览器中会停止执行，如果不做特殊处理，用户重新回来后，会发现在页面的顶部积攒了好几个红包。因为创建红包的 setInterval 定时器并没有停止执行（虽然定时器的时间间隔增加，但并没有彻底停止），而 requestAnimationFrame 则是直接停止了执行，这就造成虽然创建了好几个红包，但没有降落的操作。

这里我们就需要监听页面的可见性，当页面不可见时，则停止创建红包，当页面重新可见时，则继续创建。

// 我们已经封装了监听页面可见性的方法
// 这里就是看下在页面可见性发生变化时的定时器的处理
pageVisibility.visibilityChange((isShow) => {
  if (this.timer) {
    clearInterval(this.timer);
    this.timer = null;
  }
  if (isShow) {
    // 创建一个新的红包雨
    this.timer = setInterval(() => {
      this.createRedpackItem();
    }, this.config.interval);
  }
});

这里我做了一个比较粗暴的处理，凡是页面可见性发生变化时，都会清除定时器，然后页面可见时再重新创建定时器。

4. 红包雨的使用 #

目前我们已经基本把红包雨的流程跑通了，红包雨已经可以下了。我们就要考虑对外提供什么方法，方便调用者使用了。

这里我提供了 3 个方法来供调用者使用。

4.1 start #

启动整个红包雨。用户可能会重复多次启动红包雨，这里我们就要先清除上次的配置，然后重新设置：

class RedpackRain {
  start() {
    // 先停止上一个
    /**
     * 1. 清除定时器；
     * 2. 移除点击事件的监听；
     * 3. 移动页面可见性的监听；
     * 4. 停止创建红包 & 停止画布渲染；
     */
    this.clear(); // 下面会讲

    // 注册画布的点击事件
    this.config.selector.addEventListener(this.config.eventType, this.clickListener, false);

    // 创建红包
    this.createRedpackItem();

    // 创建一个新的红包雨
    this.timer = setInterval(() => {
      this.createRedpackItem();
    }, this.config.interval);
    this.render();

    // 注册监听页面可见性事件
    this.pageVisibility?.visibilityChange((isShow) => {
      if (this.timer) {
        clearInterval(this.timer);
        this.timer = null;
      }
      if (isShow) {
        // 创建一个新的红包雨
        this.timer = setInterval(() => {
          this.createRedpackItem();
        }, this.config.interval);
      }
    });
  }
}

4.2 clear #

该方法类似于暂停事件，将清除画布中所有的事件和红包。但红包数据还在，若重新 start 时，则还继续上次的红包雨。

4.3 stop #

先调用 clear()方法，然后清除所有的红包数据。当调用该方法后并重新 start 时，则是一场新的红包雨。

4.4 setOptions #

在红包雨的过程中，可能还会有红包雨越来越快的情况，这就需要随时可以修改配置。于是我就提供了一个setOptions方法，可以随时修改任何配置（除所在的容器外）：

class RedpackRain {
  setOptions(options) {
    if (!this.timer) {
      // 若没有启动红包雨，则无法调用该方法
      return console.error('please use start() before setOptions');
    }
    const beforeInterval = this.config.interval;
    this.createConfig(options);

    // 当下红包雨的间隔变化后，则重置定时器；
    // 若间隔不变，则还是使用之前的定时器
    if (beforeInterval !== this.config.interval) {
      this.start();
    }
  }
}

由此，我们形成一个完整的类图：

4.5 最终的成果 #

我们把内部的原理，都一步步的实现了，那么来看下最终的效果吧。

RedpackRain是一个类，在构建实例时，除selector外，其他均为非必须参数。

使用方式：

const rain = new RedpackRain({
  selector: document.body,
  interval: 1600,
  redpack: {
    speedMin: 10,
    speedMax: 10,
    imgUrl: 'https://sola.gtimg.cn/aoi/sola/20201226100322_I1ltnkzJVc.png',
    width: 126,
    height: 174,
  },
  bubble: {
    imgUrl: 'https://sola.gtimg.cn/aoi/sola/20201225103914_2QQ9bXg2rU.png',
    width: 156,
    height: 111,
    speed: 5,
    opacitySpeed: 0.04,
  },
  onClick: (isHited) => {
    console.log(isHited);
  },
  onMonitor(monitors) {
    console.log(monitors);
  },
});

rain.start();

// rain.stop();

// rain.setOptions({
//   interval: 400,
// })

当时线上的效果没有截图，这里就用 demo 样例做参考吧。

点击链接查看demo：全屏红包雨。

5. 总结 #

虽然红包雨只是整个活动的一部分而已，但是也学到了很多，尤其是在 canvas 操作和组件的代码组织上。这次贴的代码也有点多，感谢大家能看到最后。