[0129] 优化 PDF 缩放性能：页面缓存、可见性裁剪与防抖 (#3371)

Co-authored-by: Claude Opus 4.7 <noreply@anthropic.com>

Author: da-liii

devel/0129.md

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+# [0129] PDF 缩放性能优化
+
+## 1 相关文档
+- [dddd.md](dddd.md) - 任务文档模板
+- [0120.md](0120.md) - 在 Mogan STEM 中实现 PDF 阅读功能
+
+## 2 任务相关的代码文件
+- `src/Plugins/Qt/qt_pdf_reader_widget.hpp`
+- `src/Plugins/Qt/qt_pdf_reader_widget.cpp`
+- `tests/Plugins/Qt/qt_pdf_reader_widget_test.cpp`
+
+## 3 如何测试
+
+### 3.1 确定性测试（单元测试）
+```bash
+xmake run qt_pdf_reader_widget_test
+```
+
+### 3.2 非确定性测试（文档验证）
+```bash
+# 启动 Mogan STEM，打开一个多页 PDF 文件
+# 验证：
+# 1. Ctrl+滚轮缩放时流畅，不卡顿
+# 2. 窗口大小调整时不会卡死
+# 3. 快速连续缩放后有防抖效果，最终只渲染一次
+# 4. 滚动长文档时，非可见页面不阻塞渲染
+```
+
+## 4 如何提交
+
+提交前执行以下最少步骤：
+
+```bash
+xmake build qt_pdf_reader_widget_test stem
+xmake run qt_pdf_reader_widget_test
+```
+
+## 5 What
+
+优化 `PDFReaderWidget` 的缩放与渲染性能。当前实现存在严重性能瓶颈：
+1. 每次缩放（Ctrl+滚轮）都同步重新渲染**所有**页面
+2. 窗口 Resize 也触发全部页面重新渲染
+3. 没有缓存机制，翻页或轻微缩放后重复渲染相同页面
+4. 不可见页面也参与渲染，浪费 CPU/GPU 资源
+
+参考 Okular 的 Tile-based 渲染架构，引入页面级缓存、可见性裁剪、缩放防抖等优化策略。
+
+## 6 Why
+
+`PDFReaderWidget` 使用 MuPDF 逐页矢量渲染，每页渲染成本较高（打开文档、解析流、光栅化）。对于 50 页以上的 PDF，缩放时同步渲染全部页面会导致 UI 冻结数秒，体验极差。必须通过算法优化减少无效渲染。
+
+## 7 How
+
+### 7.1 Okular 核心算法分析
+
+Okular 的缩放性能优化基于以下核心机制（文件参考 `okular/core/tilesmanager.cpp`、`okular/part/pageview.cpp`、`okular/gui/pagepainter.cpp`）：
+
+1. **瓦片化渲染 (Tile-based Rendering)**  
+   每页初始划分为 4x4 网格（16 个 Tile）。若 Tile 像素数超过 `TILES_MAXSIZE` (200万)，递归四分为子 Tile。这样高缩放下只渲染可见区域的小块，而非整页。
+
+2. **可见性裁剪 (Viewport Clipping)**  
+   `slotRequestVisiblePixmaps()` 只请求与视口相交的 Tile，并扩展 512px 预加载边距。完全不可见的页面不发起渲染请求。
+
+3. **异步渲染 (Async Rendering)**  
+   渲染请求以 `PixmapRequest` 异步发送到后台 Generator，UI 线程不阻塞。渲染完成后通过 `setPixmap()` 回填 Tile。
+
+4. **脏标记与增量更新 (Dirty Flag)**  
+   缩放/旋转时将所有 Tile 标记为 `dirty=true`，但不清除缓存。绘制时先显示旧缓存的缩放版本（Qt::FastTransformation），只重新请求 dirty 的可见 Tile。
+
+5. **瓦片缓存 LRU 淘汰 (LRU Eviction)**  
+   `cleanupPixmapMemory()` 按 Manhattan 距离对 Tile 排序，优先淘汰距离视口中心最远且不可见的 Tile。可见 Tile 永不淘汰。
+
+6. **请求去重 (Request Deduplication)**  
+   `isRequesting()` / `setRequest()` 避免对同一区域重复发起渲染请求，防止快速滚动/缩放时的请求风暴。
+
+7. **降级显示 (Progressive Rendering)**  
+   后端支持 `isPartialPixmap=true` 的部分更新。大图的背景可先显示，文字层随后叠加，避免白屏等待。
+
+### 7.2 Mogan 适配方案
+
+Mogan 的 `PDFReaderWidget` 基于连续滚动的 QLabel 列表，架构比 Okular 简单（无 Tile 层级、无 Generator 线程池）。采用**页面级**优化而非完整 Tile 系统，在现有架构上最大化收益：
+
+#### 7.2.1 页面渲染缓存 (Page Render Cache)
+
+- 新增 `PageCacheKey { int pageNumber; int targetWidth; }` 作为缓存键
+- 使用 `QHash<PageCacheKey, QPixmap>` 存储已渲染页面
+- `renderPageToLabel()` 先从缓存查找，命中则直接 `setPixmap`，跳过 MuPDF 渲染
+- 缓存仅在以下情况失效：
+  - `zoomFactor` 变化导致 `targetWidth` 改变
+  - `loadFromFile()` 加载新文档
+  - `clear()` 清除文档
+
+#### 7.2.2 可见性裁剪 (Visibility Culling)
+
+- `rebuildPages()` 不再遍历所有页面
+- 计算当前视口 Y 范围 `scrollY` 到 `scrollY + viewportHeight`
+- 只渲染满足 `labelY + labelHeight > scrollY - preloadMargin` 且 `labelY < scrollY + viewportHeight + preloadMargin` 的页面
+- 不可见页面保留为空白占位符或旧缓存图
+- 滚动时通过 `verticalScrollBar()->valueChanged` 信号触发按需渲染
+
+#### 7.2.3 缩放防抖 (Zoom Debounce)
+
+- 新增 `QTimer* zoomDebounceTimer_`（超时 200ms）
+- `wheelEvent` 中 Ctrl+滚轮缩放时，只更新 `zoomFactor_`，不立即 `rebuildPages()`
+- 启动/重启防抖定时器，连续缩放时不断重置
+- 定时器超时后统一调用 `rebuildPages()`，只渲染最终状态
+
+#### 7.2.4 Resize 防抖 (Resize Debounce)
+
+- 新增 `QTimer* resizeDebounceTimer_`（超时 300ms）
+- `eventFilter` 中 `QEvent::Resize` 不立即 `rebuildPages()`
+- 防抖后统一重建，避免拖拽窗口大小时的连续重渲染
+
+#### 7.2.5 降级显示 (Fast Fallback)
+
+- 缩放导致缓存失效时，若某页旧缓存仍存在，先以 `Qt::FastTransformation` 缩放到目标尺寸显示
+- 后台渲染完成后替换为 `Qt::SmoothTransformation` 高清图
+- 实现思路：每个 QLabel 先尝试显示旧缓存的 Fast 缩放版本，再异步（或延迟同步）替换为清晰版本
+
+### 7.3 数据结构修改
+
+**`qt_pdf_reader_widget.hpp`** 新增：
+```cpp
+struct PageCacheKey {
+    int pageNumber;
+    int targetWidth;
+    bool operator==(const PageCacheKey& other) const;
+};
+
+// 自定义 qHash
+inline uint qHash(const PageCacheKey& key, uint seed = 0);
+
+QHash<PageCacheKey, QPixmap> pageCache_;
+QTimer* zoomDebounceTimer_;
+QTimer* resizeDebounceTimer_;
+static constexpr int PRELOAD_MARGIN = 200;  // 预加载边距（像素）
+```
+
+### 7.4 核心函数修改
+
+1. **`renderPageToLabel()`**：先查 `pageCache_`，命中则直接返回；未命中则 MuPDF 渲染后写入缓存。
+
+2. **`rebuildPages()`**：
+   - 遍历前先计算视口范围
+   - 对每个 `QLabel* label`，若其在视口+预加载范围内，调用 `renderPageToLabel()`
+   - 若不在范围内但缓存存在，显示缓存的 Fast 缩放版本
+   - 若不在范围内且无缓存，显示空白占位符（保持布局高度）
+
+3. **`setZoomFactor()`**：
+   - 更新 `zoomFactor_`
+   - 启动 `zoomDebounceTimer_`
+   - 不立即调用 `rebuildPages()`
+
+4. **`eventFilter()` Resize 处理**：
+   - 启动 `resizeDebounceTimer_`
+   - 不立即调用 `rebuildPages()`
+
+5. **`clear()`**：清空 `pageCache_`。
+
+### 7.5 测试策略
+
+**测试 1：`test_zoom_debounce()`**
+- 快速连续调用 `setZoomFactor()` 10 次
+- 验证 `renderPageToLabel` 实际执行次数 < 10（理想为 1）
+
+**测试 2：`test_page_cache_hit()`**
+- 加载 PDF，渲染第 1 页
+- 再次调用 `renderPageToLabel(0, label, width)`
+- 验证渲染耗时显著降低（或验证 MuPDF 未再次调用）
+
+**测试 3：`test_visibility_culling()`**
+- 加载 10 页 PDF，视口仅显示第 1 页
+- 验证非可见页面的 `renderPageToLabel` 未被调用（除非预加载范围包含）
+
+### 7.6 注意事项
+
+- `pageCache_` 的总内存消耗约为 `sum(pixmap.width * pixmap.height * 4)` 字节。对于 100 页、每页 1000x1400 的 PDF，全缓存约 560MB。暂不设 LRU 上限，因 Mogan 以 STEM 文档为主，PDF 为辅助阅读，通常不会同时打开超大 PDF。若后续需要，可引入 Okular 式的距离排序淘汰。
+- MuPDF 的 `fz_context` 非线程安全，若未来引入多线程异步渲染，需为每个线程创建独立 context。
+- 防抖定时器使用 `Qt::PreciseTimer` 还是 `Qt::CoarseTimer` 对体验影响不大，默认即可。