深入理解 CSS:字体度量、line-height 和 vertical-align

这是一篇译文,对 inline 和 inline-block 的元素剖析非常给力。

原文:Deep dive CSS: font metrics, line-height and vertical-align – Vincent De Oliveira

line-height 和 vertical-align 都是简单的 CSS 属性,以致于大多数人自以为知道这两个属性的工作原理。但实际上这两个属性非常复杂,也许算得上是 CSS 里最难的两个属性,因为这两个属性和 CSS 里一个鲜为人知的特性息息相关:内联格式化上下文(IFC)(译者注:和 BFC 相对应)。

举例来说,line-height 的值可以是一个长度(length)或者是一个数字,它的默认值是 normal。那么,normal 是什么呢?我们经常将 normal 理解为 1,或者 1.2,甚至连 CSS 规格文档都没有提到这一问题。我们知道 line-height 的值为数字时,表示的相对于 font-size 的倍数,但问题在于,font-size:100px 对应的文字在不同字体里的高度是不一样的!那么 line-height 会随着文字大小的改变而改变吗? normal 真的表示 1 或者 1.2 吗?vertical-align 又是如何被 line-height 影响的呢?

让我们来深入理解一个不那么简单的 CSS 机制。

font-size

下面是一段简单的 HTML 代码,一个 p 标签包含了 3 个 span 标签,每个 span 各自有一个 font-family:

<p>
    <span class="a">Ba</span>
    <span class="b">Ba</span>
    <span class="c">Ba</span>
</p>
p  { font-size: 100px }
.a { font-family: Helvetica }
.b { font-family: Gruppo    }
.c { font-family: Catamaran }

(译者注:这几款字体你的电脑上可能没有)

font-size 相同,font-family 不同,得到的 span 元素的高度也不同:

为什么 font-size: 100px 不能得到相同高度的元素呢?我测量了一下每个 span 的高度:Helvetica 115px,Gruppo 97px,Catamaran 164px。

乍看很奇怪,但是仔细想想,这么做又是很有道理的。原因在于字体本身,这是字体的原理:

  • 一款字体会定义一个 em-square,它是用来盛放字符的金属容器。这个 em-square 一般被设定为宽高均为 1000 相对单位,不过也可以是 1024、2048 相对单位。

  • 字体度量都是基于这个相对单位设置的,包括 ascender、descender、capital height、x-height 等。注意这里面的值是允许相对于 em-square 出血(bleed outside)的(译者注:大概可以理解为超出 em-square)

  • 在浏览器中,上面的 1000 相对单位会按照你需要的 font-size 缩放。

我们把 Catamaran 字体放到 FontForge 中,分析它的字体度量:

  • em-square 是 1000

  • ascender 是 1100,descender 是 540。通过测试发现,macOS 上的浏览器使用了 HHead Ascent 和 HHead Descent 值,Windows 上的浏览器使用了 Win Ascent 和 Win Descent(而且两个平台上的值不一样)。我们还看到 Capital Height 是 680,X height 是 485。

这意味着 Catamaran 字体占据了 1100 + 540 个相对单位,尽管它的 em-square 只有 1000 个相对单位,所以当我们设置 font-size:100px 时,这个字体里的文字高度是 164px。这个计算出来的高度决定了 HTML 元素的 content-area(内容区域),后面我会讲到 content-area。你可以认为 content-area 就是 background 作用的区域。

我们还能看出大写字母的高度是 68px,小写字母的高度(x-height)是 49px。所以 1ex = 49px,1em = 100px,而不是 164px。(真好,em 是基于 font-size,而不是基于计算出来的高度)

在继续深入之前,说点相关的知识。当 p 元素出现在屏幕上时,它可能包含了多行内容,每行内容由多个内联元素组成(内联标签或者是包含文本的匿名内联元素),每一行都叫做一个 line-box。line-box 的高度是由它所有子元素的高度计算得出的。浏览器会计算这一行里每个子元素的高度,再得出 line-box 的高度(具体来说就是从子元素的最高点到最低点的高度),所以默认情况下,一个 line-box 总是有足够的高度来容纳它的子元素。

每个 HTML 元素实际上都是由多个 line-box 的容器,如果你知道每个 line-box 的高度,那么你就知道了整个元素的高度。

如果我们修改一下最初的 HTML 代码:

<p>
    Good design will be better.
    <span class="a">Ba</span>
    <span class="b">Ba</span>
    <span class="c">Ba</span>
    We get to make a consequence.
</p>

那么就会得到 3 个 line-box(宽度固定):

  • 第一行和最后一行各有一个匿名内联元素(文本内容)

  • 中间一行包含两个匿名内联元素和三个 span

我们清楚地看到第二个 line-box 比其他两个要高一些。因为第二行里面的子元素因为有一个用到了 Catamaran 字体的 span。

line-box 的难点在于我们看不见它,而且不能用 CSS 控制它。即使我们用 ::first-line 给第一行加上背景色,我们也看不出第一个 line-box 的高度。

line-height

目前我已经提到了两个概念:content-area 和 line-box。如果你仔细看了,会发现我说 line-box 的高度是根据子元素的高度计算出来的,而不是子元素的 content-area 的高度。这个区别大了。

接下来说句听起来很奇怪的话:一个内联元素有两个高度:content-area 高度和 virtual-area (实际区域?)高度(virtual-area 是我自己发明的单词,它表示对人类有效的高度,你在其他地方是看不到这个单词的)。

  • content-area 的高度是由字体度量定义的(见上文)

  • vitual-area 的高度就是 line-height,这个高度用于计算 line-box 的高度

这么一来,这就打破了一个长久的谣言:line-height 表示两个 baseline 之间的距离。在 CSS 里,不是这样的。

virtual-area 和 content-area 高度的差异叫做 leading。leading 的一半会被加到 content-area 顶部,另一半会被加到底部。因此 content-area 总是处于 virtual-area 的中间。

计算出来的 line-height(也就是 virtual-area 的高度)可以等于、大于或小于 content-area。如果 virtual-area 小于 content-area,那么 leading 就是负的,因此 line-box 看起来就比内容还矮了。

还有一些其他种类的内联元素:

  • 可替换的内联元素,如 img / input / svg 等

  • inline-block 元素,以及所有 display 值以 inline- 开头的元素,如 inline-table / inline-flex

  • 处于某种特殊格式化上下文的内联元素,例如 flexbox 元素中的子元素都处于 flex formatting context(弹性格式化上下文)中,这些子元素的 display 值都是「blockified」

这类内联元素,其高度是基于 height、margin 和 border 属性(译者注:好像漏了 padding)。如果你将其 height 设置为 auto 的话,那么其高度的取值就是 line-height,其 content-area 的取值也是 line-height。

我们目前依然没有解释 line-height:normal 是什么意思。要解答这个问题,我们又得回到 content-area 高度的计算了,问题的答案就在字体度量里面。

我们回到 FontForge,Catamaran 的 em-square 高度是 1000,同时我们还看到很多其他的 ascender/descender 值:

  • 常规的 Ascent/Descent:ascender 是 770,descender 是 230,用于渲染字符。

  • 规格 Ascent/Descent:ascender 是 1100,descender 是 540。用于计算 content-area 的高度

  • 规格 Line Gap:用于计算 line-height: normal。

在 Catamaran 这款字体中,Line Gap 的值是 0,那么 line-height: normal 的结果就跟 content-area 的高度一样,是 1640 相对单位。

为了对比,我们再看看 Arial 字体,它的 em-square 是 2048,ascender 是 1854,descender 是 434,line gap 是 67。那么当 font-size: 100px 时,

  • 其 content-area 的高度就是 100/2048*(1854+434) = 111.72,约为 112px;

  • 其 line-height: normal 的结果就是 100/2048*(67+1854+434) 约为 115px。

所有这些值都是由字体设计师设置的。

这么看来,line-height:1 就是一个很糟糕的实践。记得吗,当 line-height 的值是一个数字时,其实就是相对 font-size 的倍数,而不是相对于 content-area。所以 line-height:1 很有可能使得 virtual-area 比 content-area 矮,从而引发很多其他的问题。

不仅仅是 line-height:1 有问题,我电脑上的 1117 款字体中,大概有 1059 款字体的 line-height 比 1 大,最低的是 0.618,最高的是 3.378。你没看错,是 3.378!

line-box 计算的一些细节:

  • 对于内联元素,padding 和 border 会增大 background 区域,但是不会增大 content-area(不是 line-box 的高度)。一般来说你无法再屏幕上看到 content-area。margin-top 和 margin-bottom 对两者都没有影响。

  • 对于可替换内联元素(replaced inline elements)、inline-block 元素和 blockified 内联元素,padding、margin 和 border 会增大 height(译者注:注意 margin),因此会影响 content-area 和 line-box 的高度

vertical-align

我还没提过 vertical-align 属性,它也是计算 line-box 高度的重要因素之一。我们甚至可以说 vertical-align 是内联格式化上下文(IFC)中最重要的属性。

它的默认值是 baseline。还记得字体度量里的 ascender 和 descender 吗?这两个值决定了 baseline 的位置。很少有

字体的 ascender 和 descender 的比例是一比一的,所以我们经常看到一些意想不到的现象,下面是例子。

代码如下:

<p>
    <span>Ba</span>
    <span>Ba</span>
</p>
p {
    font-family: Catamaran;
    font-size: 100px;
    line-height: 200px;
}

一个 p 标签内有两个 span 标签,span 继承了 font-family、font-size 和 200px 的 line-height。这时两个 span 的 baseline 是等高的,line-box 的高度就是 span 的 line-height。

如果第二个 span 的 font-size 变小了呢?

span:last-child {
    font-size: 50px;
}

我们会发现一个非常奇怪的现象,line-box 的高度变高了!如下图所示。提示你一下,line-box 的高度是从子元素的最高点到最低点的举例。

这个例子可以作为「应该将 line-height 的值写成数字」的论据,但是有时候我们为了做出好看的排版,必须把 line-height 写成一个固定值。

不过我实话告诉你吧,不管你把 line-height 写成什么,你都会在对齐内联元素的时候遇到麻烦。

我们来看另一个例子。p 标签有 line-height:200px,内含一个 span,span 继承了 p 的 line-height。

<p>
    <span>Ba</span>
</p>
p {
    line-height: 200px;
}
span {
    font-family: Catamaran;
    font-size: 100px;
}

此时 line-box 的高度是多少?貌似是 200px,但其实不是。这里你没有考虑到的问题是 p 有自己的 font-family,默认值是 serif。p 的 baseline 和 span 的 baseline 位置不一样,因此最终的 line-box 比我们预想的要高一些。出现这种问题是因为浏览器认为每个 line-box 的起始位置都有一个宽度为 0 的字符(CSS 文档将其称为 strut),并将其纳入 line-box 的高度的计算中。

看不见的字符,看得见的影响。

为了说明这个问题,我们画图解释一下这个问题。

用 baseline 来对齐令人费解,如果我们用 vertical-align: middle 会不会好一点呢?读 CSS 文档你会发现,middle 的意思是「用父元素 baseline 高度加上父元素中 x-height 的一半的高度来对齐当前元素的垂直方向的中点」。baseline 所处的高度跟字体有关,x-height 的高度也跟字体有关,所以 middle 对齐也不靠谱。更糟糕的是,一般来说,middle 根本就不是居中对齐!内联元素的对齐受太多因素影响,因此不可能用 CSS 实现。

顺便一说,vertical-align 的其他 4 个值有可能有点用:

  • vertical-align: top / bottom,表示与 line-box 的顶部或底部对齐

  • vertical-align: text-top / text-bottom,表示与 content-area 的顶部或底部对齐

不过你依然要小心,大部分情况下,对齐的是 virtual-area,也就是一个不可见的高度。看看下面这个用 vertical-align:top 的例子:

最后,vertical-align 的值也可以是数字,表示根据 baseline 升高或降低,不到万不得已还是别用数字吧。

CSS is awesome

我们讨论了 line-height 和 vertical-align 如果互相影响,现在问题来了:CSS 可以控制字体度量吗?简单来说答案是:不行。我也很想用 CSS 来控制字体。无论怎样,我还是想试试。字体度量只是一些固定的值而已,我们应该可以围绕它做点什么。

比如说,我们想要一段文字使用 Catamaran 字体,同时大写字母的高度正好是 100px,看起来可以实现,我们只需要一些数学知识。

首先我们把所有字体度量设置为 CSS 自定义属性,然后计算出一个 font-size,让大写字母的高度正好是 100px。

p {
    /* font metrics */
    --font: Catamaran;
    --fm-capitalHeight: 0.68;
    --fm-descender: 0.54;
    --fm-ascender: 1.1;
    --fm-linegap: 0;

    /* desired font-size for capital height */
    --capital-height: 100;

    /* apply font-family */
    font-family: var(--font);

    /* compute font-size to get capital height equal desired font-size */
    --computedFontSize: (var(--capital-height) / var(--fm-capitalHeight));
    font-size: calc(var(--computedFontSize) * 1px);
}

看起来也并不复杂不是吗?如果我们想要文字垂直居中怎么办呢?也就是让 B 上面的空间和下面的空间高度一样。为了做到这一点,我们必须要根据 ascender 和 descender 的比例来计算 vertical-align。

首先计算出 line-height:normal 的值和 content-area 的高度:

p {
    …
    --lineheightNormal: (var(--fm-ascender) + var(--fm-descender) + var(--fm-linegap));
    --contentArea: (var(--lineheightNormal) * var(--computedFontSize));
}

然后我们需要计算:

  • B 下面空间的高度

  • B 上面空间的高度

像这样:

p {
    …
    --distanceBottom: (var(--fm-descender));
    --distanceTop: (var(--fm-ascender) - var(--fm-capitalHeight));
}

然后我们就可以计算 vertical-align 的值。

p {
    …
    --valign: ((var(--distanceBottom) - var(--distanceTop)) * var(--computedFontSize));
}
span {
    vertical-align: calc(var(--valign) * -1px);
}

最后,设置 line-height:

p {
    …
    /* desired line-height */
    --line-height: 3;
    line-height: calc(((var(--line-height) * var(--capital-height)) - var(--valign)) * 1px);
}

添加一个和 B 一样高的 icon 就很容易了:

span::before {
    content: '';
    display: inline-block;
    width: calc(1px * var(--capital-height));
    height: calc(1px * var(--capital-height));
    margin-right: 10px;
    background: url('https://cdn.pbrd.co/images/yBAKn5bbv.png');
    background-size: cover;
}

JSBin 效果演示

注意这只是为了演示,请不要在生产环境中使用此方案。

结论

我们知道了:

  • IFC 真的很难懂

  • 所有的内联元素都有两个高度

  1. 基于字体度量的 content-area
  2. virtual-area(也就是 line-height )
  3. 这两个高度你都无法看到
  • line-height: normal 是基于字体度量计算出来的

  • line-height: n (n=1,2,3…) 可能得出一个比 virtual-area 还要矮的 content-area

  • vertical-align 不靠谱

  • line-box 的高度的受其子元素的 line-height 和 vertical-align 的影响

  • 我们无法轻易的用 CSS 来控制字体度量

但是我依然喜欢 CSS :)

作者:方应杭

16 thoughts on “深入理解 CSS:字体度量、line-height 和 vertical-align”

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