引言

PixiJS 是一个开源的2D渲染库，由Goodboy Digital于2013年首次发布。该库旨在提供高性能的图形渲染能力，同时简化开发者的使用门槛。PixiJS 支持 WebGL 和 HTML5 Canvas，可以在设备上自动选择最佳的渲染方式，确保其在多种设备和平台上都能获得最佳的性能表现。

PixiJS 的历史

发展历程

1. 初创期（2013）：
   • Goodboy Digital 发布 PixiJS 的第一个版本，目的是为开发者提供一个简单、高效的2D渲染库。
   • 支持 WebGL 和 Canvas 双后备机制，自动选择最佳渲染方式。
2. 快速增长期（2014-2017）：
   • PixiJS 的社区迅速扩大，吸引了大量开发者和贡献者。
   • 持续添加各类新功能，如高级滤镜、纹理管理、事件系统等。
3. 稳定成熟期（2018-至今）：
   • 在社区和贡献者的共同努力下，PixiJS 变得更加稳定和功能完备。
   • 引入了 WebGPU 支持等前沿技术，进一步提升渲染性能和可扩展性。

核心特性

PixiJS 在2D渲染领域中具有许多核心特性，使其成为开发高性能、互动性强的Web内容和游戏的理想选择。

1. 高性能的2D渲染器：可支持成千上万个精灵对象、复杂的图形绘制以及动画效果，而性能表现依然出色。
2. 自动兼容 WebGL 和 Canvas：PixiJS 采用自动回退机制，优先使用 WebGL 渲染以获得最佳性能，但在不支持 WebGL 的设备或浏览器上，它会自动回退到 Canvas 渲染
3. 易于使用的API：PixiJS 拥有一个简洁且强大的API，使得开发者可以轻松上手并快速创建2D图形应用。
4. 丰富的交互能力：提供了强大的事件系统，使得创建交互式应用变得非常简单。开发者可以方便地监听和处理鼠标、触摸等用户输入事件，从而实现丰富的交互效果。
5. 灵活的扩展性：插件机制，允许开发者根据需要扩展其功能。

应用领域

PixiJS 在游戏开发和交互式 Web 内容创作中具有广泛的应用场景，包括但不限于：

• 2D 游戏开发：由于其高效的渲染性能和丰富的动画功能，PixiJS 被广泛应用于各类2D游戏的开发。
• 数据可视化：利用 PixiJS 简单创建高性能的图表和数据可视化工具，广泛应用于金融、医疗等领域。
• 互动广告和媒体：通过 PixiJS 构建互动性强、视觉效果炫酷的广告和多媒体内容。

多年以来，PixiJS 已成为2D图形渲染领域的领导者，被众多知名公司和项目所采用，如谷歌的创意广告、微软的游戏开发、幕布的思维导图等。

写作初衷与背景

写作目的

本系列文章旨在深入解析 PixiJS 的源码实现，通过系统化的分析和讲解，帮助大家深刻理解其核心技术和设计思想。具体目的如下：

1. 掌握实际开发技巧：提供详尽的代码示例和实战案例，便于读者将其运用到实际项目中。
2. 提升性能优化能力：学习 PixiJS 的性能优化策略与方法，提高项目开发的效率和质量。
3. 渲染引擎原理剖析：深度探究 2D 渲染引擎的核心原理，涵盖 WebGL 与 Canvas 的工作机制、渲染管线的构建、批处理技术等。
4. 理解 PixiJS 的设计原理：通过对源码的剖析，深入掌握 PixiJS 的整体架构以及各个模块的设计原理。
5. 扩展开发视野：了解前沿技术在实际项目中的应用，拓展开发者的技术视野。

阅读准备

预期读者：

1. Web开发者：具备一定 Web 开发经验，想了解和掌握高性能 2D 图形渲染技术。
2. 游戏开发者：希望深入理解PixiJS 及其在游戏开发中的应用，以提升游戏性能和开发效率。
3. 技术爱好者和研究者：对图形渲染技术有浓厚兴趣，想深入学习 PixiJS 内部实现和设计思想。

知识基础：

1. JavaScript基础：熟悉 JavaScript 语言及常用开发工具。
2. HTML5知识：了解 HTML5 和 Canvas 的基本概念和使用方法。
3. 前端开发经验：有一定的前端开发经验，了解常用的Web开发技术和框架。

概览PixiJS的架构

在理解PixiJS的具体实现之前，我们需要对其整体架构有一个概览性的认知。PixiJS 架构设计清晰，模块划分明确。下面将从核心概念和主要组成部分两个方面进行介绍。

核心概念

渲染循环（Render Loop）

PixiJS 与静态网页不同，它是一个动态更新的系统，持续不断地更新和重绘自身。这个过程被称为渲染循环（Render Loop）。

在PixiJS项目中，大部分工作都是在这个更新和渲染的循环中完成。你编写代码更新场景中的对象，而PixiJS负责将这些对象渲染到屏幕上。

在每一帧的渲染循环中发生的事情，主要有三个步骤：

1. 运行 Ticker 回调

渲染循环的第一步是计算自上一帧以来经过的时间，并调用 Application 对象的 Ticker 回调函数。Ticker 是一个计时器系统，它的回调函数负责更新场景中的元素，例如动画、物体移动等。它会根据时间增量（delta time）更新每个对象的状态。

2. 更新场景图（Scene Graph）

PixiJS的场景图是一种树状结构，包含了所有待绘制的对象，如 Sprites、文本等。每个对象都有自己的位置、旋转和缩放属性，这些对象在场景图中按层次关系排列。

在更新阶段，PixiJS需要遍历整个场景图，重新计算每个对象的位置和状态，包括以下步骤：

• 更新变换属性：每个对象的位移、旋转和缩放属性需要根据父子关系进行更新。
• 计算边界框：计算每个对象的包围盒，用于确定它们的渲染区域。
• 更新渲染属性：更新每个对象的渲染属性，例如透明度、混合模式等。

3. 渲染场景图

一旦场景图中的所有对象都更新完毕，PixiJS就会开始绘制它们。渲染过程从场景图的根节点（通常是app.stage）开始，依次渲染每个对象及其子对象。PixiJS会遍历整个树状结构，绘制其中所有的对象。

需要注意的是，PixiJS默认不会对场景图中的对象进行剪裁优化（culling）。也就是说，即使对象在屏幕外部，PixiJS也会尝试绘制它们。因此，开发者需要自行禁用那些不可见的对象以优化性能。

场景图（Scene Graph）

在每一帧中，PixiJS会更新并渲染场景图。

场景图是一棵树

场景图的根节点是由应用维护的一个容器，这个容器被引用为 app.stage。当你将一个 Text 或者其他可渲染对象添加为 stage 的子节点时，它们就被添加到了场景图中，并且会被渲染和交互。PixiJS的容器（Containers）也可以包含子节点，因此，当你构建更复杂的场景时，会形成一个以 app.stage 为根的父子关系树。

父子关系

在场景图中，父节点移动时，它的所有子节点也会随之移动。当父节点旋转时，子节点也会旋转。隐藏父节点时，子节点也会被隐藏。如果你的一个对象是由多个 sprites 组成的，你可以将它们放在一个容器下，将它们作为一个整体进行移动和旋转。

在每一帧中，PixiJS 会从根节点开始，遍历整个场景图，计算每个对象的最终位置、旋转、可见性、透明度等属性。例如，如果一个父节点的透明度（alpha）设置为0.5，它的所有子节点起始透明度也是0.5。如果一个子节点的透明度设置为0.5，它的最终透明度将是0.5 * 0.5 = 0.25，即75%的透明度。同样，一个对象的位置是相对于它的父节点的，如果父节点的 x 位置是50像素，而子节点的 x 位置是100像素，那么这个子节点将绘制在屏幕上150像素的位置，即50 + 100。

渲染顺序

场景图中的对象是按照从根节点到叶节点的顺序渲染的。在每一层级中，当前对象首先被渲染，然后依次渲染其子对象，子对象的渲染顺序与其插入顺序一致。因此，第二个子对象会被绘制在第一个子对象之上，第三个子对象会被绘制在第二个子对象之上。

本地与全局坐标

如果你将一个 sprite 添加到舞台，默认情况下它会显示在屏幕的左上角，这是 PixiJS 使用的全局坐标空间的原点。如果所有对象都是舞台的子对象，你只需要关心全局坐标。但引入容器和子对象后，情况变得复杂。一个子对象的位置是相对于它的父对象而言的。

全局与屏幕坐标

当你的项目与操作系统或浏览器交互时，还需要考虑第三种坐标系统——“屏幕”坐标（又称为“视口”坐标）。屏幕坐标表示相对于PixiJS渲染到的canvas元素的左上角的位置。

在很多情况下，屏幕坐标与世界坐标是等价的，即在canvas元素的尺寸与创建Application时指定的渲染视图尺寸相同时。例如，如果你创建了一个800x600的应用窗口，并将其添加到HTML页面中，默认情况下，100像素的世界坐标等于100像素的屏幕坐标。

但是，当渲染视图被拉伸以填满屏幕，或以较低分辨率进行渲染并缩放时，情况就会变得复杂。此时canvas元素的屏幕尺寸会改变（例如通过CSS），但基础渲染视图的尺寸不会改变，从而导致世界坐标与屏幕坐标之间的不匹配。

渲染组（Render Groups）

PixiJS v8引入了一个强大的功能：渲染组。渲染组可以看作是场景图中的专门容器，它们本身就像是小型的场景图。

渲染组是什么？

渲染组本质上是PixiJS认为的独立场景图的容器。当你将场景的一部分分配给渲染组时，这意味着你在告诉 PixiJS 将这些对象作为一个单元进行管理。这个管理包括监控变化，并为该组准备一组专门的渲染指令。这是一个强大的工具，可以优化你的渲染过程。

为什么要使用渲染组？

使用渲染组的主要优势在于它们的优化能力。渲染组允许将某些计算（如变换、颜色调整和透明度调整）卸载到GPU 上进行处理。这意味着诸如移动或调整渲染组的操作可以以最小的 CPU 开销完成，从而使应用程序更具性能效率。

虽然渲染组很强大，但使用太多反而可能降低性能。目标是找到优化渲染和避免系统负担过重之间的平衡。在使用渲染组时，请务必进行性能分析。大多数时候你并不需要使用它们。

主要组成部分

PixiJS的架构由多个核心组件组成，各自负责不同的功能区域。

Renderer

渲染器是 PixiJS 系统的核心部分，负责显示场景图并将其绘制到屏幕上。PixiJS 能够自动确定是否使用 WebGPU 或 WebGL 渲染器，根据具体平台和浏览器的支持情况选择最佳渲染方式。

Container

容器作为构造场景图的基础对象，采用了一种树状结构来组织各种可渲染对象，如精灵、图形和文本。容器与场景图的概念紧密相关，为组织和管理不同层次的可视元素提供了一个高效的框架。

Assets

资源系统提供了一组高效的工具，用于异步加载外部资源，包括图像、音频文件等。此系统使得资源的管理变得更加简单和高效，促进了媒体内容的重复使用和优化

Ticker

Ticker 是一种基于时间的周期性回调机制，它提供了一个稳定的循环，用于驱动游戏或应用的更新逻辑。开发者可以利用一个或多个 Ticker 实例来分离和管理不同的逻辑更新需求。

Application

Application 类是一个便捷的封装体，将 Loader（加载器）、Ticker 和 Renderer（渲染器）集成为一个易于操作的接口。这个辅助类非常适合于快速启动项目、原型设计以及构建较为简单的应用。

Events

PixiJS 提供了完整的基于指针的事件系统，支持对象的点击、触发悬停等交互操作。这套事件系统极大地简化了交互性应用和游戏开发的复杂度。

Accessibility

为了确保你的应用或游戏能够被更广泛的用户群体所访问，PixiJS 引入了一整套工具以支持键盘操作和屏幕阅读器的兼容性，从而提升应用的总体可访问性。

源码目录结构分析

PixiJS的源码目录结构层次清晰，并按照功能模块进行了划分。

主要目录结构

src目录是PixiJS源码的核心部分，主要分为以下几个模块，每个模块负责不同的功能：

src
├─ accessibility        // 无障碍功能的实现
├─ advanced-blend-modes // 高级混合模式功能
├─ app                  // 应用程序相关内容
├─ assets               // 资源管理和加载
├─ color                // 颜色相关实用工具
├─ compressed-textures  // 压缩纹理处理
├─ culling              // 剪枝相关功能
├─ environment          // 运行环境检测和适配
├─ events               // 事件管理系统
├─ extensions           // 扩展管理功能
├─ filters              // 图像滤镜
├─ math-extras          // 数学扩展工具
├─ maths                // 数学相关功能
├─ prepare              // 资源预处理
├─ rendering            // 渲染系统
├─ scene                // 场景管理和显示对象
├─ spritesheet          // 精灵图相关功能
├─ ticker               // 帧调度系统
├─ unsafe-eval          // 非安全代码评估的处理
├─ utils                // 工具函数
├─ bundle.advanced-blend-modes.ts  // 高级混合模式的打包文件
├─ bundle.browser.ts                 // 浏览器环境的打包文件
├─ bundle.math-extras.ts             // 数学扩展的打包文件
├─ bundle.unsafe-eval.ts             // 不安全代码评估的打包文件
├─ bundle.webworker.ts               // Web Worker 环境的打包文件
└─ index.ts                           // 入口文件

模块详解

accessibility 无障碍功能

accessibility目录包含了与无障碍功能相关的实现，确保PixiJS应用对所有用户友好，包括那些使用辅助技术的用户。

1. AccessibilityMixins.d.ts：类型定义。
2. AccessibilitySystem.ts：核心逻辑。
3. accessibilityTarget.ts：无障碍目标对象的处理。
4. init.ts：初始化。

advanced-blend-modes 高级混合模式

advanced-blend-modes目录包含实现各种高级混合模式的代码，这些混合模式用于控制如何将图像渲染到屏幕上。

1. 各种混合模式文件，如ColorBlend.ts、HardLightBlend.ts等。
2. init.ts：初始化。

app 应用程序相关内容

app目录包含与PixiJS应用程序相关的内容，主要是Application类的实现和插件管理。

1. Application.ts：Application类的实现，负责应用程序的核心逻辑。
2. ApplicationMixins.d.ts：Application的类型定义。
3. ResizePlugin.ts 和 TickerPlugin.ts：两种常见插件的实现。
4. init.ts：应用程序的初始化。

assets 资源管理和加载

assets目录负责资源的加载和管理，包括纹理、音频等。

1. cache：资源缓存的实现。
2. detections：资源格式检测。
3. loader：资源加载器及其解析器。
4. resolver：资源解析相关功能。
5. utils：资源管理的实用工具。

rendering 渲染系统

rendering目录包含PixiJS渲染系统的核心代码，该系统负责将场景图渲染到屏幕上。

1. batcher：批处理系统。
2. high-shader：高级着色器。
3. mask：蒙版处理。
4. renderers：不同类型的渲染器实现。
5. shared：共享的渲染工具和系统。

scene 场景管理和显示对象

scene目录管理所有的显示对象和容器，包括精灵、图形、文本等。

1. container：容器及其相关工具。
2. graphics：图形绘制。
3. mesh：网格处理。
4. sprite：精灵处理。
5. text：文本渲染。

快速定位功能实现和相关类

1. 按功能模块查找：如果了解要查找的功能对应的模块，可以直接在相应的目录中查找。例如，需要处理精灵相关的内容，可以直接查看src/scene/sprite目录。
2. 使用文件名中的关键词：目录中的文件名通常包含了它们实现的具体功能，例如需要查找高级混合模式的实现，可以先找到advanced-blend-modes目录，再查找具体的混合模式文件如ColorBlend.ts。
3. 利用init文件：很多模块都有init.ts文件，这些文件通常用于模块的初始化，可以作为了解模块整体功能的起点。
4. 参考类型定义文件：类型定义文件（如*.d.ts）通常包含各类和接口的定义，可以帮助理解各类的结构和用法。
5. 使用IDE的搜索和导航功能，可以迅速在相关模块和类之间跳转，方便地进行源码阅读和调试。

源码调试

首先要设置开发环境：

1. 克隆仓库

https://github.com/pixijs/pixijs.git
cd pixijs

2. 安装依赖

npm install

3. 启动开发环境

npm run start

接下来就可以调试代码、运行示例和测试用例，以便更好地理解源码。

使用示例

让我们通过一个简单的示例来展示如何使用 PixiJS 构建一个基本的应用程序，并解析其渲染流程。首先，我们需要安装 PixiJS 依赖：

npm install pixi.js

安装完成后，我们在项目中引入所需模块并创建一个简单的应用程序，

import { Application, Assets, Sprite } from 'pixi.js';

(async () => {
  // 创建一个新的应用程序
  const app = new Application();

  // 初始化应用程序
  await app.init({ background: '#1099bb', resizeTo: window });

  // 将应用程序的画布添加到文档 body 中
  document.body.appendChild(app.canvas);

  // 加载小兔子图片
  const texture = await Assets.load('https://pixijs.com/assets/bunny.png');

  // 创建一个小兔子精灵
  const bunny = new Sprite(texture);

  // 将精灵的锚点设置到中心
  bunny.anchor.set(0.5);

  // 将精灵移动到屏幕中心
  bunny.x = app.screen.width / 2;
  bunny.y = app.screen.height / 2;

  app.stage.addChild(bunny);

  // 监听动画更新
  app.ticker.add((time) => {
    // 为了好玩，每帧旋转一下小兔子
    bunny.rotation += 0.1 * time.deltaTime;
  });
})();

在这个示例中，PixiJS的渲染流程如下：

1. 初始化应用程序： 创建一个Application实例，并初始化它。这一步会配置应用程序的背景颜色及画布的大小等。
2. 加载资源： 使用Assets模块加载图像资源。当资源加载完成时，执行回调函数创建纹理。
3. 创建精灵： 使用加载的纹理创建精灵对象，并设置其初始位置和其他属性。
4. 添加到舞台： 将精灵对象添加到舞台上，使其参与渲染。
5. 更新和渲染： 每帧调用Ticker的回调函数，更新精灵的状态（如旋转），确保帧独立的变换，然后渲染器会自动根据最新状态重新绘制舞台。

通过以上步骤，我们成功创建了一个简单的PixiJS应用，并理解了其基本的渲染流程。

PixiJS 官网提供了一个Playground，里面包含了一些简单的示例。你可以在Playground中编写自己的 demo 并进行调试，是一个非常方便的学习和实验工具。

结语

本篇文章介绍了 PixiJS 的发展历程、核心特性、核心概念、源码目录结构、源码调试方法以及使用示例等相关内容，后续文章将在此基础上进一步深入解析 PixiJS 的源码。