Update configs. IGNORE BROKEN CHANGESETS CLOSED TREE NO BUG a=release ba=release
[gecko.git] / gfx / docs / AsyncPanZoom.rst
blob761c8fbb4fcf33e243cdf7c76221015fd93cc19a
1 .. _apz:
3 Asynchronous Panning and Zooming
4 ================================
6 **This document is a work in progress. Some information may be missing
7 or incomplete.**
9 .. image:: AsyncPanZoomArchitecture.png
11 Goals
12 -----
14 We need to be able to provide a visual response to user input with
15 minimal latency. In particular, on devices with touch input, content
16 must track the finger exactly while panning, or the user experience is
17 very poor. According to the UX team, 120ms is an acceptable latency
18 between user input and response.
20 Context and surrounding architecture
21 ------------------------------------
23 The fundamental problem we are trying to solve with the Asynchronous
24 Panning and Zooming (APZ) code is that of responsiveness. By default,
25 web browsers operate in a “game loop” that looks like this:
29        while true:
30            process input
31            do computations
32            repaint content
33            display repainted content
35 In browsers the “do computation” step can be arbitrarily expensive
36 because it can involve running event handlers in web content. Therefore,
37 there can be an arbitrary delay between the input being received and the
38 on-screen display getting updated.
40 Responsiveness is always good, and with touch-based interaction it is
41 even more important than with mouse or keyboard input. In order to
42 ensure responsiveness, we split the “game loop” model of the browser
43 into a multithreaded variant which looks something like this:
47        Thread 1 (compositor thread)
48        while true:
49            receive input
50            send a copy of input to thread 2
51            adjust rendered content based on input
52            display adjusted rendered content
54        Thread 2 (main thread)
55        while true:
56            receive input from thread 1
57            do computations
58            rerender content
59            update the copy of rendered content in thread 1
61 This multithreaded model is called off-main-thread compositing (OMTC),
62 because the compositing (where the content is displayed on-screen)
63 happens on a separate thread from the main thread. Note that this is a
64 very very simplified model, but in this model the “adjust rendered
65 content based on input” is the primary function of the APZ code.
67 A couple of notes on APZ's relationship to other browser architecture
68 improvements:
70 1. Due to Electrolysis (e10s), Site Isolation (Fission), and GPU Process
71    isolation, the above two threads often actually run in different
72    processes. APZ is largely agnostic to this, as all communication
73    between the two threads for APZ purposes happens using an IPC layer
74    that abstracts over communication between threads vs. processes.
75 2. With the WebRender graphics backend, part of the rendering pipeline is
76    also offloaded from the main thread. In this architecture, the
77    information sent from the main thread consists of a display list, and
78    scrolling-related metadata referencing content in that display list.
79    The metadata is kept in a queue until the display list undergoes an
80    additional rendering step in the compositor (scene building). At this
81    point, we are ready to tell APZ about the new content and have it
82    start applying adjustments to it, as further rendering steps beyond
83    scene building are done synchronously on each composite.
85 The compositor in theory can continuously composite previously rendered
86 content (adjusted on each composite by APZ) to the screen while the
87 main thread is busy doing other things and rendering new content.
89 The APZ code takes the input events that are coming in from the hardware
90 and uses them to figure out what the user is trying to do (e.g. pan the
91 page, zoom in). It then expresses this user intention in the form of
92 translation and/or scale transformation matrices. These transformation
93 matrices are applied to the rendered content at composite time, so that
94 what the user sees on-screen reflects what they are trying to do as
95 closely as possible.
97 Technical overview
98 ------------------
100 As per the heavily simplified model described above, the fundamental
101 purpose of the APZ code is to take input events and produce
102 transformation matrices. This section attempts to break that down and
103 identify the different problems that make this task non-trivial.
105 Checkerboarding
106 ~~~~~~~~~~~~~~~
108 The area of page content for which a display list is built and sent to
109 the compositor is called the “displayport”. The APZ code is responsible
110 for determining how large the displayport should be. On the one hand, we
111 want the displayport to be as large as possible. At the very least it
112 needs to be larger than what is visible on-screen, because otherwise, as
113 soon as the user pans, there will be some unpainted area of the page
114 exposed. However, we cannot always set the displayport to be the entire
115 page, because the page can be arbitrarily long and this would require an
116 unbounded amount of memory to store. Therefore, a good displayport size
117 is one that is larger than the visible area but not so large that it is a
118 huge drain on memory. Because the displayport is usually smaller than the
119 whole page, it is always possible for the user to scroll so fast that
120 they end up in an area of the page outside the displayport. When this
121 happens, they see unpainted content; this is referred to as
122 “checkerboarding”, and we try to avoid it where possible.
124 There are many possible ways to determine what the displayport should be
125 in order to balance the tradeoffs involved (i.e. having one that is too
126 big is bad for memory usage, and having one that is too small results in
127 excessive checkerboarding). Ideally, the displayport should cover
128 exactly the area that we know the user will make visible. Although we
129 cannot know this for sure, we can use heuristics based on current
130 panning velocity and direction to ensure a reasonably-chosen displayport
131 area. This calculation is done in the APZ code, and a new desired
132 displayport is frequently sent to the main thread as the user is panning
133 around.
135 Multiple scrollable elements
136 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
138 Consider, for example, a scrollable page that contains an iframe which
139 itself is scrollable. The iframe can be scrolled independently of the
140 top-level page, and we would like both the page and the iframe to scroll
141 responsively. This means that we want independent asynchronous panning
142 for both the top-level page and the iframe. In addition to iframes,
143 elements that have the overflow:scroll CSS property set are also
144 scrollable. In the display list, scrollable elements are arranged in a
145 tree structure, and in the APZ code we have a matching tree of
146 AsyncPanZoomController (APZC) objects, one for each scrollable element.
147 To manage this tree of APZC instances, we have a single APZCTreeManager
148 object. Each APZC is relatively independent and handles the scrolling for
149 its associated scrollable element, but there are some cases in which they
150 need to interact; these cases are described in the sections below.
152 Hit detection
153 ~~~~~~~~~~~~~
155 Consider again the case where we have a scrollable page that contains an
156 iframe which itself is scrollable. As described above, we will have two
157 APZC instances - one for the page and one for the iframe. When the user
158 puts their finger down on the screen and moves it, we need to do some
159 sort of hit detection in order to determine whether their finger is on
160 the iframe or on the top-level page. Based on where their finger lands,
161 the appropriate APZC instance needs to handle the input.
163 This hit detection is done by APZCTreeManager in collaboration with
164 WebRender, which has more detailed information about the structure of
165 the page content than is stored in APZ directly. See
166 :ref:`this section <wr-hit-test-details>` for more details.
168 Also note that for some types of input (e.g. when the user puts two
169 fingers down to do a pinch) we do not want the input to be “split”
170 across two different APZC instances. In the case of a pinch, for
171 example, we find a “common ancestor” APZC instance - one that is
172 zoomable and contains all of the touch input points, and direct the
173 input to that APZC instance.
175 Scroll Handoff
176 ~~~~~~~~~~~~~~
178 Consider yet again the case where we have a scrollable page that
179 contains an iframe which itself is scrollable. Say the user scrolls the
180 iframe so that it reaches the bottom. If the user continues panning on
181 the iframe, the expectation is that the top-level page will start
182 scrolling. However, as discussed in the section on hit detection, the
183 APZC instance for the iframe is separate from the APZC instance for the
184 top-level page. Thus, we need the two APZC instances to communicate in
185 some way such that input events on the iframe result in scrolling on the
186 top-level page. This behaviour is referred to as “scroll handoff” (or
187 “fling handoff” in the case where analogous behaviour results from the
188 scrolling momentum of the page after the user has lifted their finger).
190 .. _input-event-untransformation:
192 Input event untransformation
193 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
195 The APZC architecture by definition results in two copies of a “scroll
196 position” for each scrollable element. There is the original copy on the
197 main thread that is accessible to web content and the layout and
198 painting code. And there is a second copy on the compositor side, which
199 is updated asynchronously based on user input, and corresponds to what
200 the user visually sees on the screen. Although these two copies may
201 diverge temporarily, they are reconciled periodically. In particular,
202 they diverge while the APZ code is performing an async pan or zoom
203 action on behalf of the user, and are reconciled when the APZ code
204 requests a repaint from the main thread.
206 Because of the way input events are represented, this has some
207 unfortunate consequences. Input event coordinates are represented
208 relative to the device screen - so if the user touches at the same
209 physical spot on the device, the same input events will be delivered
210 regardless of the content scroll position. When the main thread receives
211 a touch event, it combines that with the content scroll position in order
212 to figure out what DOM element the user touched. However, because we now
213 have two different scroll positions, this process may not work perfectly.
214 A concrete example follows:
216 Consider a device with screen size 600 pixels tall. On this device, a
217 user is viewing a document that is 1000 pixels tall, and that is
218 scrolled down by 200 pixels. That is, the vertical section of the
219 document from 200px to 800px is visible. Now, if the user touches a
220 point 100px from the top of the physical display, the hardware will
221 generate a touch event with y=100. This will get sent to the main
222 thread, which will add the scroll position (200) and get a
223 document-relative touch event with y=300. This new y-value will be used
224 in hit detection to figure out what the user touched. If the document
225 had a absolute-positioned div at y=300, then that would receive the
226 touch event.
228 Now let us add some async scrolling to this example. Say that the user
229 additionally scrolls the document by another 10 pixels asynchronously
230 (i.e. only on the compositor thread), and then does the same touch
231 event. The same input event is generated by the hardware, and as before,
232 the document will deliver the touch event to the div at y=300. However,
233 visually, the document is scrolled by an additional 10 pixels so this
234 outcome is wrong. What needs to happen is that the APZ code needs to
235 intercept the touch event and account for the 10 pixels of asynchronous
236 scroll. Therefore, the input event with y=100 gets converted to y=110 in
237 the APZ code before being passed on to the main thread. The main thread
238 then adds the scroll position it knows about and determines that the
239 user touched at a document-relative position of y=310.
241 Analogous input event transformations need to be done for horizontal
242 scrolling and zooming.
244 Content independently adjusting scrolling
245 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
247 As described above, there are two copies of the scroll position in the
248 APZ architecture - one on the main thread and one on the compositor
249 thread. Usually for architectures like this, there is a single “source
250 of truth” value and the other value is simply a copy. However, in this
251 case that is not easily possible to do. The reason is that both of these
252 values can be legitimately modified. On the compositor side, the input
253 events the user is triggering modify the scroll position, which is then
254 propagated to the main thread. However, on the main thread, web content
255 might be running Javascript code that programmatically sets the scroll
256 position (via window.scrollTo, for example). Scroll changes driven from
257 the main thread are just as legitimate and need to be propagated to the
258 compositor thread, so that the visual display updates in response.
260 Because the cross-thread messaging is asynchronous, reconciling the two
261 types of scroll changes is a tricky problem. Our design solves this
262 using various flags and generation counters. The general heuristic we
263 have is that content-driven scroll position changes (e.g. scrollTo from
264 JS) are never lost. For instance, if the user is doing an async scroll
265 with their finger and content does a scrollTo in the middle, then some
266 of the async scroll would occur before the “jump” and the rest after the
267 “jump”.
269 Content preventing default behaviour of input events
270 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
272 Another problem that we need to deal with is that web content is allowed
273 to intercept touch events and prevent the “default behaviour” of
274 scrolling. This ability is defined in web standards and is
275 non-negotiable. Touch event listeners in web content are allowed call
276 preventDefault() on the touchstart or first touchmove event for a touch
277 point; doing this is supposed to “consume” the event and prevent
278 touch-based panning. As we saw in a previous section, the input event
279 needs to be untransformed by the APZ code before it can be delivered to
280 content. But, because of the preventDefault problem, we cannot fully
281 process the touch event in the APZ code until content has had a chance
282 to handle it.
284 To balance the needs of correctness (which calls for allowing web content
285 to successfully prevent default handling of events if it wishes to) and
286 responsiveness (which calls for avoiding blocking on web content
287 Javascript for a potentially-unbounded amount of time before reacting to
288 an event), APZ gives web content a "deadline" to process the event and
289 tell APZ whether preventDefault() was called on the event. The deadline
290 is 400ms from the time APZ receives the event on desktop, and 600ms on
291 mobile. If web content is able to process the event before this deadline,
292 the decision to preventDefault() the event or not will be respected. If
293 web content fails to process the event before the deadline, APZ assumes
294 preventDefault() will not be called and goes ahead and processes the
295 event.
297 To implement this, upon receiving a touch event, APZ immediately returns
298 an untransformed version that can be dispatched to content. It also
299 schedules the 400ms or 600ms timeout. There is an API that allows the
300 main-thread event dispatching code to notify APZ as to whether or not the
301 default action should be prevented. If the APZ content response timeout
302 expires, or if the main-thread event dispatching code notifies the APZ of
303 the preventDefault status, then the APZ continues with the processing of
304 the events (which may involve discarding the events).
306 To limit the responsiveness impact of this round-trip to content, APZ
307 tries to identify cases where it can rule out preventDefault() as a
308 possible outcome. To this end, the hit-testing information sent to the
309 compositor includes information about which regions of the page are
310 occupied by elements that have a touch event listener. If an event
311 targets an area outside of these regions, preventDefault() can be ruled
312 out, and the round-trip skipped.
314 Additionally, recent enhancements to web standards have given page
315 authors new tools that can further limit the responsiveness impact of
316 preventDefault():
318 1. Event listeners can be registered as "passive", which means they
319    are not allowed to call preventDefault(). Authors can use this flag
320    when writing listeners that only need to observe the events, not alter
321    their behaviour via preventDefault(). The presence of passive event
322    listeners does not cause APZ to perform the content round-trip.
323 2. If page authors wish to disable certain types of touch interactions
324    completely, they can use the ``touch-action`` CSS property from the
325    pointer-events spec to do so declaratively, instead of registering
326    event listeners that call preventDefault(). Touch-action flags are
327    also included in the hit-test information sent to the compositor, and
328    APZ uses this information to respect ``touch-action``. (Note that the
329    touch-action information sent to the compositor is not always 100%
330    accurate, and sometimes APZ needs to fall back on asking the main
331    thread for touch-action information, which again involves a
332    round-trip.)
334 Other event types
335 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
337 The above sections talk mostly about touch events, but over time APZ has
338 been extended to handle a variety of other event types, such as trackpad
339 and mousewheel scrolling, scrollbar thumb dragging, and keyboard
340 scrolling in some cases. Much of the above applies to these other event
341 types too (for example, wheel events can be prevent-defaulted as well).
343 Importantly, the "untransformation" described above needs to happen even
344 for event types which are not handled in APZ, such as mouse click events,
345 since async scrolling can still affect the correct targeting of such
346 events.
349 Technical details
350 -----------------
352 This section describes various pieces of the APZ code, and goes into
353 more specific detail on APIs and code than the previous sections. The
354 primary purpose of this section is to help people who plan on making
355 changes to the code, while also not going into so much detail that it
356 needs to be updated with every patch.
358 Overall flow of input events
359 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
361 This section describes how input events flow through the APZ code.
363 Disclaimer: some details in this section are out of date (for example,
364 it assumes the case where the main thread and compositor thread are
365 in the same process, which is rarely the case these days, so in practice
366 e.g. steps 6 and 8 involve IPC, not just "stack unwinding").
368 1.  Input events arrive from the hardware/widget code into the APZ via
369     APZCTreeManager::ReceiveInputEvent. The thread that invokes this is
370     called the "controller thread", and may or may not be the same as the
371     Gecko main thread.
372 2.  Conceptually the first thing that the APZCTreeManager does is to
373     associate these events with “input blocks”. An input block is a set
374     of events that share certain properties, and generally are intended
375     to represent a single gesture. For example with touch events, all
376     events following a touchstart up to but not including the next
377     touchstart are in the same block. All of the events in a given block
378     will go to the same APZC instance and will either all be processed
379     or all be dropped.
380 3.  Using the first event in the input block, the APZCTreeManager does a
381     hit-test to see which APZC it hits. If no APZC is hit, the events are
382     discarded and we jump to step 6. Otherwise, the input block is tagged
383     with the hit APZC as a tentative target and put into a global APZ
384     input queue. In addition the target APZC, the result of the hit test
385     also includes whether the input event landed on a "dispatch-to-content"
386     region. These are regions of the page where there is something going
387     on that requires dispatching the event to content and waiting for
388     a response _before_ processing the event in APZ; an example of this
389     is a region containing an element with a non-passive event listener,
390     as described above. (TODO: Add a section that talks about the other
391     uses of the dispatch-to-content mechanism.)
394     i.  If the input events landed outside a dispatch-to-content region,
395         any available events in the input block are processed. These may
396         trigger behaviours like scrolling or tap gestures.
397     ii. If the input events landed inside a dispatch-to-content region,
398         the events are left in the queue and a timeout is initiated. If
399         the timeout expires before step 9 is completed, the APZ assumes
400         the input block was not cancelled and the tentative target is
401         correct, and processes them as part of step 10.
403 5.  The call stack unwinds back to APZCTreeManager::ReceiveInputEvent,
404     which does an in-place modification of the input event so that any
405     async transforms are removed.
406 6.  The call stack unwinds back to the widget code that called
407     ReceiveInputEvent. This code now has the event in the coordinate
408     space Gecko is expecting, and so can dispatch it to the Gecko main
409     thread.
410 7.  Gecko performs its own usual hit-testing and event dispatching for
411     the event. As part of this, it records whether any touch listeners
412     cancelled the input block by calling preventDefault(). It also
413     activates inactive scrollframes that were hit by the input events.
414 8.  The call stack unwinds back to the widget code, which sends two
415     notifications to the APZ code on the controller thread. The first
416     notification is via APZCTreeManager::ContentReceivedInputBlock, and
417     informs the APZ whether the input block was cancelled. The second
418     notification is via APZCTreeManager::SetTargetAPZC, and informs the
419     APZ of the results of the Gecko hit-test during event dispatch. Note
420     that Gecko may report that the input event did not hit any
421     scrollable frame at all. The SetTargetAPZC notification happens only
422     once per input block, while the ContentReceivedInputBlock
423     notification may happen once per block, or multiple times per block,
424     depending on the input type.
427     i.   If the events were processed as part of step 4(i), the
428          notifications from step 8 are ignored and step 10 is skipped.
429     ii.  If events were queued as part of step 4(ii), and steps 5-8
430          complete before the timeout, the arrival of both notifications
431          from step 8 will mark the input block ready for processing.
432     iii. If events were queued as part of step 4(ii), but steps 5-8 take
433          longer than the timeout, the notifications from step 8 will be
434          ignored and step 10 will already have happened.
436 10. If events were queued as part of step 4(ii) they are now either
437     processed (if the input block was not cancelled and Gecko detected a
438     scrollframe under the input event, or if the timeout expired) or
439     dropped (all other cases). Note that the APZC that processes the
440     events may be different at this step than the tentative target from
441     step 3, depending on the SetTargetAPZC notification. Processing the
442     events may trigger behaviours like scrolling or tap gestures.
444 If the CSS touch-action property is enabled, the above steps are
445 modified as follows:
447 * In step 4, the APZC also requires the allowed touch-action behaviours
448   for the input event. This might have been determined as part of the
449   hit-test in APZCTreeManager; if not, the events are queued.
450 * In step 6, the widget code determines the content element at the point
451   under the input element, and notifies the APZ code of the allowed
452   touch-action behaviours. This notification is sent via a call to
453   APZCTreeManager::SetAllowedTouchBehavior on the input thread.
454 * In step 9(ii), the input block will only be marked ready for processing
455   once all three notifications arrive.
457 Threading considerations
458 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
460 The bulk of the input processing in the APZ code happens on what we call
461 “the controller thread”. In practice the controller thread could be the
462 Gecko main thread, the compositor thread, or some other thread. There are
463 obvious downsides to using the Gecko main thread - that is,“asynchronous”
464 panning and zooming is not really asynchronous as input events can only
465 be processed while Gecko is idle. In an e10s environment, using the Gecko
466 main thread of the chrome process is acceptable, because the code running
467 in that process is more controllable and well-behaved than arbitrary web
468 content. Using the compositor thread as the controller thread could work
469 on some platforms, but may be inefficient on others. For example, on
470 Android (Fennec) we receive input events from the system on a dedicated
471 UI thread. We would have to redispatch the input events to the compositor
472 thread if we wanted to the input thread to be the same as the compositor
473 thread. This introduces a potential for higher latency, particularly if
474 the compositor does any blocking operations - blocking SwapBuffers
475 operations, for example. As a result, the APZ code itself does not assume
476 that the controller thread will be the same as the Gecko main thread or
477 the compositor thread.
479 Active vs. inactive scrollframes
480 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
482 The number of scrollframes on a page is potentially unbounded. However,
483 we do not want to create a separate displayport for each scrollframe
484 right away, as this would require large amounts of memory. Therefore,
485 scrollframes as designated as either “active” or “inactive”. Active
486 scrollframes get a displayport, and an APZC on the compositor side.
487 Inactive scrollframes do not get a displayport (a display list is only
488 built for their viewport, i.e. what is currently visible) and do not get
489 an APZC.
491 Consider a page with a scrollframe that is initially inactive. This
492 scroll frame does not get an APZC, and therefore events targeting it will
493 target the APZC for the nearest active scrollable ancestor (let's call it
494 P; note, the rootmost scroll frame in a given process is always active).
495 However, the presence of the inactive scroll frame is reflected by a
496 dispatch-to-content region that prevents events over the frame from
497 erroneously scrolling P.
499 When the user starts interacting with that content, the hit-test in the
500 APZ code hits the dispatch-to-content region of P. The input block
501 therefore has a tentative target of P when it goes into step 4(ii) in the
502 flow above. When gecko processes the input event, it must detect the
503 inactive scrollframe and activate it, as part of step 7. Finally, the
504 widget code sends the SetTargetAPZC notification in step 8 to notify the
505 APZ that the input block should really apply to this new APZC. An issue
506 here is that the transaction containing metadata for the newly active
507 scroll frame must reach the compositor and APZ before the SetTargetAPZC
508 notification. If this does not occur within the 400ms timeout, the APZ
509 code will be unable to update the tentative target, and will continue to
510 use P for that input block. Input blocks that start after the transaction
511 will get correctly routed to the new scroll frame as there will now be an
512 APZC instance for the active scrollframe.
514 This model implies that when the user initially attempts to scroll an
515 inactive scrollframe, it may end up scrolling an ancestor scrollframe.
516 Only after the round-trip to the gecko thread is complete is there an
517 APZC for async scrolling to actually occur on the scrollframe itself. At
518 that point the scrollframe will start receiving new input blocks and will
519 scroll normally.
521 Note: with Fission (where inactive scroll frames would make it impossible
522 to target the correct process in all situations; see
523 :ref:`this section <fission-hit-testing>` for more details) and WebRender
524 (which makes displayports more lightweight as the actual rendering is
525 offloaded to the compositor and can be done on demand), inactive scroll
526 frames are being phased out, and we are moving towards a model where all
527 scroll frames with nonempty scroll ranges are active and get a
528 displayport and an APZC. To conserve memory, displayports for scroll
529 frames which have not been recently scrolled are kept to a "minimal" size
530 equal to the viewport size.
532 WebRender Integration
533 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
535 This section describes how APZ interacts with the WebRender graphics
536 backend.
538 Note that APZ predates WebRender, having initially been written to work
539 with the earlier Layers graphics backend. The design of Layers has
540 influenced APZ significantly, and this still shows in some places in the
541 code. Now that the Layers backend has been removed, there may be
542 opportunities to streamline the interaction between APZ and WebRender.
545 HitTestingTree
546 ^^^^^^^^^^^^^^
548 The APZCTreeManager keeps as part of its internal state a tree of
549 HitTestingTreeNode instances. This is referred to as the HitTestingTree.
551 The main purpose of the HitTestingTree is to model the spatial
552 relationships between content that's affected by async scrolling. Tree
553 nodes fall roughly into the following categories:
555 * Nodes representing scrollable content in an active scroll frame. These
556   nodes are associated with the scroll frame's APZC.
557 * Nodes representing other content that may move in special ways in
558   response to async scrolling, such as fixed content, sticky content, and
559   scrollbars.
560 * (Non-leaf) nodes which do not represent any content, just metadata
561   (e.g. a transform) that applies to its descendant nodes.
563 An APZC may be associated with multiple nodes, if e.g. a scroll frame
564 scrolls two pieces of content that are interleaved with non-scrolling
565 content.
567 Arranging these nodes in a tree allows modelling relationships such as
568 what content is scrolled by a given scroll frame, what the scroll handoff
569 relationships are between APZCs, and what content is subject to what
570 transforms.
572 An additional use of the HitTestingTree is to allow APZ to keep content
573 processes up to date about enclosing transforms that they are subject to.
574 See :ref:`this section <sending-transforms-to-content-processes>` for
575 more details.
577 (In the past, with the Layers backend, the HitTestingTree was also used
578 for compositor hit testing, hence the name. This is no longer the case,
579 and there may be opportunities to simplify the tree as a result.)
581 The HitTestingTree is created from another tree data structure called
582 WebRenderScrollData. The relevant types here are:
584 * WebRenderScrollData which stores the entire tree.
585 * WebRenderLayerScrollData, which represents a single "layer" of content,
586   i.e. a group of display items that move together when scrolling (or
587   metadata applying to a subtree of such layers). In the Layers backend,
588   such content would be rendered into a single texture which could then
589   be moved asynchronously at composite time. Since a layer of content can
590   be scrolled by multiple (nested) scroll frames, a
591   WebRenderLayerScrollData may contain scroll metadata for more than one
592   scroll frame.
593 * WebRenderScrollDataWrapper, which wraps WebRenderLayerScrollData
594   but "expanded" in a way that each node only stores metadata for
595   a single scroll frame. WebRenderScrollDataWrapper nodes have a
596   1:1 correspondence with HitTestingTreeNodes.
598 It's not clear whether the distinction between WebRenderLayerScrollData
599 and WebRenderScrollDataWrapper is still useful in a WebRender-only world.
600 The code could potentially be revised such that we directly build and
601 store nodes of a single type with the behaviour of
602 WebRenderScrollDataWrapper.
604 The WebRenderScrollData structure is built on the main thread, and
605 then shipped over IPC to the compositor where it's used to construct
606 the HitTestingTree.
608 WebRenderScrollData is built in WebRenderCommandBuilder, during the
609 same traversal of the Gecko display list that is used to build the
610 WebRender display list. As of this writing, the architecture for this is
611 that, as we walk the Gecko display list, we query it to see if it
612 contains any information that APZ might need to know (e.g. CSS
613 transforms) via a call to ``nsDisplayItem::UpdateScrollData(nullptr,
614 nullptr)``. If this call returns true, we create a
615 WebRenderLayerScrollData instance for the item, and populate it with the
616 necessary information in ``WebRenderLayerScrollData::Initialize``. We also
617 create WebRenderLayerScrollData instances if we detect (via ASR changes)
618 that we are now processing a Gecko display item that is in a different
619 scrollframe than the previous item.
621 The main sources of complexity in this code come from:
623 1. Ensuring the ScrollMetadata instances end on the proper
624    WebRenderLayerScrollData instances (such that every path from a leaf
625    WebRenderLayerScrollData node to the root has a consistent ordering of
626    scrollframes without duplications).
627 2. The deferred-transform optimization that is described in more detail
628    at the declaration of ``StackingContextHelper::mDeferredTransformItem``.
630 .. _wr-hit-test-details:
632 Hit-testing
633 ^^^^^^^^^^^
635 Since the HitTestingTree is not used for actual hit-testing purposes
636 with the WebRender backend (see previous section), this section describes
637 how hit-testing actually works with WebRender.
639 The Gecko display list contains display items
640 (``nsDisplayCompositorHitTestInfo``) that store hit-testing state. These
641 items implement the ``CreateWebRenderCommands`` method and generate a "hit-test
642 item" into the WebRender display list. This is basically just a rectangle
643 item in the WebRender display list that is no-op for painting purposes,
644 but contains information that should be returned by the hit-test (specifically
645 the hit info flags and the scrollId of the enclosing scrollframe). The
646 hit-test item gets clipped and transformed in the same way that all the other
647 items in the WebRender display list do, via clip chains and enclosing
648 reference frame/stacking context items.
650 When WebRender needs to do a hit-test, it goes through its display list,
651 taking into account the current clips and transforms, adjusted for the
652 most recent async scroll/zoom, and determines which hit-test item(s) are under
653 the target point, and returns those items. APZ can then take the frontmost
654 item from that list (or skip over it if it happens to be inside a OOP
655 subdocument that's ``pointer-events:none``) and use that as the hit target.
656 Note that the hit-test uses the last transform provided by the
657 ``SampleForWebRender`` API (see next section) which generally reflects the
658 last composite, and doesn't take into account further changes to the
659 transforms that have occurred since then. In practice, we should be
660 compositing frequently enough that this doesn't matter much.
662 When debugging hit-test issues, it is often useful to apply the patches
663 on bug 1656260, which introduce a guid on Gecko display items and propagate
664 it all the way through to where APZ gets the hit-test result. This allows
665 answering the question "which nsDisplayCompositorHitTestInfo was responsible
666 for this hit-test result?" which is often a very good first step in
667 solving the bug. From there, one can determine if there was some other
668 display item in front that should have generated a
669 nsDisplayCompositorHitTestInfo but didn't, or if display item itself had
670 incorrect information. The second patch on that bug further allows exposing
671 hand-written debug info to the APZ code, so that the WR hit-testing
672 mechanism itself can be more effectively debugged, in case there is a problem
673 with the WR display items getting improperly transformed or clipped.
675 The information returned by WebRender to APZ in response to the hit test
676 is enough for APZ to identify a HitTestingTreeNode as the target of the
677 event. APZ can then take actions such as scrolling the target node's
678 associated APZC, or other appropriate actions (e.g. initiating a scrollbar
679 drag if a scrollbar thumb node was targeted by a mouse-down event).
681 Sampling
682 ^^^^^^^^
684 The compositing step needs to read the latest async transforms from APZ
685 in order to ensure scrollframes are rendered at the right position. The API for this is
686 exposed via the ``APZSampler`` class. When WebRender is ready to do a composite,
687 it invokes ``APZSampler::SampleForWebRender``. In here, APZ gathers all async
688 transforms that WebRender needs to know about, including transforms to apply
689 to scrolled content, fixed and sticky content, and scrollbar thumbs.
691 Along with sampling the APZ transforms, the compositor also triggers APZ
692 animations to advance to the next timestep (usually the next vsync). This
693 happens just before reading the APZ transforms.
695 Fission Integration
696 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
698 This section describes how APZ interacts with the Fission (Site Isolation)
699 project.
701 Introduction
702 ^^^^^^^^^^^^
704 Fission is an architectural change motivated by security considerations,
705 where web content from each origin is isolated in its own process. Since
706 a page can contain a mixture of content from different origins (for
707 example, the top level page can be content from origin A, and it can
708 contain an iframe with content from origin B), that means that rendering
709 and interacting with a page can now involve coordination between APZ and
710 multiple content processes.
712 .. _fission-hit-testing:
714 Content Process Selection for Input Events
715 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
717 Input events are initially received in the browser's parent process.
718 With Fission, the browser needs to decide which of possibly several
719 content processes an event is targeting.
721 Since process boundaries correspond to iframe (subdocument) boundaries,
722 and every (html) document has a root scroll frame, process boundaries are
723 therefore also scroll frame boundaries. Since APZ already needs a hit
724 test mechanism to be able to determine which scroll frame an event
725 targets, this hit test mechanism was a good fit to also use to determine
726 which content process an event targets.
728 APZ's hit test was therefore expanded to serve this purpose as well. This
729 mostly required only minor modifications, such as making sure that APZ
730 knows about the root scroll frames of iframes even if they're not
731 scrollable. Since APZ already needs to process all input events to
732 potentially apply :ref:`untransformations <input-event-untransformation>`
733 related to async scrolling, as part of this process it now also labels
734 input events with information identifying which content process they
735 target.
737 Hit Testing Accuracy
738 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
740 Prior to Fission, APZ's hit test could afford to be somewhat inaccurate,
741 as it could fall back on the dispatch-to-content mechanism to wait for
742 a more accurate answer from the main thread if necessary, suffering a
743 performance cost only (not a correctness cost).
745 With Fission, an inaccurate compositor hit test now implies a correctness
746 cost, as there is no cross-process main-thread fallback mechanism.
747 (Such a mechanism was considered, but judged to require too much
748 complexity and IPC traffic to be worth it.)
750 Luckily, with WebRender the compositor has much more detailed information
751 available to use for hit testing than it did with Layers. For example,
752 the compositor can perform accurate hit testing even in the presence of
753 irregular shapes such as rounded corners.
755 APZ leverages WebRender's more accurate hit testing ability to aim to
756 accurately select the target process (and target scroll frame) for an
757 event in general.
759 One consequence of this is that the dispatch-to-content mechanism is now
760 used less often than before (its primary remaining use is handling
761 `preventDefault()`).
763 .. _sending-transforms-to-content-processes:
765 Sending Transforms To Content Processes
766 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
768 Content processes sometimes need to be able to convert between screen
769 coordinates and their local coordinates. To do this, they need to know
770 about any transforms that their containing iframe and its ancestors are
771 subject to, including async transforms (particularly in cases where the
772 async transforms persist for more than just a few frames).
774 APZ has information about these transforms in its HitTestingTree. With
775 Fission, APZ periodically sends content processes information about these
776 transforms so that they are kept relatively up to date.
778 Testing
779 -------
781 APZ makes use of several test frameworks to verify the expected behavior
782 is seen.
784 Mochitest
785 ~~~~~~~~~
787 The APZ specific mochitests are useful when specific gestures or events need to be tested
788 with specific content. The APZ mochitests are located in `gfx/layers/apz/test/mochitest`_.
789 To run all of the APZ mochitests, run something like the following:
793     ./mach mochitest ./gfx/layers/apz/test/mochitest
795 The APZ mochitests are often organized as subtests that run in a group. For example,
796 the `test_group_hittest-2.html`_ contains >20 subtests like
797 `helper_hittest_overscroll.html`_. When working on a specific subtest, it is often
798 helpful to use the `apz.subtest` preference to filter the subtests run to just the
799 tests you are working on. For example, the following would only run the
800 `helper_hittest_overscroll.html`_ subtest of the `test_group_hittest-2.html`_ group.
804     ./mach mochitest --setpref apz.subtest=helper_hittest_overscroll.html \
805         ./gfx/layers/apz/test/mochitest/test_group_hittest-2.html
807 For more information on mochitest, see the `Mochitest Documentation`_.
809 .. _gfx/layers/apz/test/mochitest: https://searchfox.org/mozilla-central/source/gfx/layers/apz/test/mochitest
810 .. _test_group_hittest-2.html: https://searchfox.org/mozilla-central/source/gfx/layers/apz/test/mochitest/test_group_hittest-2.html
811 .. _helper_hittest_overscroll.html: https://searchfox.org/mozilla-central/source/gfx/layers/apz/test/mochitest/helper_hittest_overscroll.html
812 .. _Mochitest Documentation: /testing/mochitest-plain/index.html
814 GTest
815 ~~~~~
817 The APZ specific GTests can be found in `gfx/layers/apz/test/gtest/`_. To run
818 these tests, run something like the following:
822     ./mach gtest "APZ*"
824 For more information, see the `GTest Documentation`_.
826 .. _GTest Documentation: /gtest/index.html
827 .. _gfx/layers/apz/test/gtest/: https://searchfox.org/mozilla-central/source/gfx/layers/apz/test/gtest/
829 Reftests
830 ~~~~~~~~
832 The APZ reftests can be found in `layout/reftests/async-scrolling/`_ and
833 `gfx/layers/apz/test/reftest`_. To run the relevant reftests for APZ, run
834 a large portion of the APZ reftests, run something like the following:
838     ./mach reftest ./layout/reftests/async-scrolling/
840 Useful information about the reftests can be found in the `Reftest Documentation`_.
842 There is no defined process for choosing which directory the APZ reftests
843 should be placed in, but in general reftests should exist where other
844 similar tests do.
846 .. _layout/reftests/async-scrolling/: https://searchfox.org/mozilla-central/source/layout/reftests/async-scrolling/
847 .. _gfx/layers/apz/test/reftest: https://searchfox.org/mozilla-central/source/gfx/layers/apz/test/reftest/
848 .. _Reftest Documentation: /layout/Reftest.html
850 Threading / Locking Overview
851 ----------------------------
853 Threads
854 ~~~~~~~
856 There are three threads relevant to APZ: the **controller thread**,
857 the **updater thread**, and the **sampler thread**. This table lists
858 which threads play these roles on each platform / configuration:
860 ===================== ============= ============== =============
861 APZ Thread Name       Desktop       Desktop+GPU    Android
862 ===================== ============= ============== =============
863 **controller thread** UI main       GPU main       Java UI
864 **updater thread**    SceneBuilder  SceneBuilder   SceneBuilder
865 **sampler thread**    RenderBackend RenderBackend  RenderBackend
866 ===================== ============= ============== =============
868 Locks
869 ~~~~~
871 There are also a number of locks used in APZ code:
873 ======================= ==============================
874 Lock type               How many instances
875 ======================= ==============================
876 APZ tree lock           one per APZCTreeManager
877 APZC map lock           one per APZCTreeManager
878 APZC instance lock      one per AsyncPanZoomController
879 APZ test lock           one per APZCTreeManager
880 Checkerboard event lock one per AsyncPanZoomController
881 ======================= ==============================
883 Thread / Lock Ordering
884 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
886 To avoid deadlocks, the threads and locks have a global **ordering**
887 which must be respected.
889 Respecting the ordering means the following:
891 - Let "A < B" denote that A occurs earlier than B in the ordering
892 - Thread T may only acquire lock L, if T < L
893 - A thread may only acquire lock L2 while holding lock L1, if L1 < L2
894 - A thread may only block on a response from another thread T while holding a lock L, if L < T
896 **The lock ordering is as follows**:
898 1. UI main
899 2. GPU main (only if GPU process enabled)
900 3. Compositor thread
901 4. SceneBuilder thread
902 5. **APZ tree lock**
903 6. RenderBackend thread
904 7. **APZC map lock**
905 8. **APZC instance lock**
906 9. **APZ test lock**
907 10. **Checkerboard event lock**
909 Example workflows
910 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
912 Here are some example APZ workflows. Observe how they all obey
913 the global thread/lock ordering. Feel free to add others:
915 - **Input handling** (with GPU process): UI main -> GPU main -> APZ tree lock -> RenderBackend thread
916 - **Sync messages** in ``PCompositorBridge.ipdl``: UI main thread -> Compositor thread
917 - **GetAPZTestData**: Compositor thread -> SceneBuilder thread -> test lock
918 - **Scene swap**: SceneBuilder thread -> APZ tree lock -> RenderBackend thread
919 - **Updating hit-testing tree**: SceneBuilder thread -> APZ tree lock -> APZC instance lock
920 - **Updating APZC map**: SceneBuilder thread -> APZ tree lock -> APZC map lock
921 - **Sampling and animation deferred tasks** [1]_: RenderBackend thread -> APZC map lock -> APZC instance lock
922 - **Advancing animations**: RenderBackend thread -> APZC instance lock
924 .. [1] It looks like there are two deferred tasks that actually need the tree lock,
925    ``AsyncPanZoomController::HandleSmoothScrollOverscroll`` and
926    ``AsyncPanZoomController::HandleFlingOverscroll``. We should be able to rewrite
927    these to use the map lock instead of the tree lock.
928    This will allow us to continue running the deferred tasks on the sampler
929    thread rather than having to bounce them to another thread.