如何预加载Tkinter帧以消除切换时的延迟？

我制作了一个简单的Tkinter GUI，顶部带有可切换不同帧的按钮，这些帧包含使用matplotlib绘制的各类2D图形。每个图形的2D数据尺寸为1000×1000，总计25张图，因此加载耗时较长。

我不介意GUI初始加载耗时久，但不希望切换帧时出现延迟。原以为可以在主循环前生成所有图形并放入帧中，仅通过frame.grid()和frame.grid_forget()切换帧，但首次点击按钮切换时仍存在明显延迟（后续切换延迟大幅降低）。请问是否有预加载帧的方法来减少按钮点击时的延迟？

以下是精简后的代码：

# insert libraries here
#
#
#

class App(tk.Tk):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.menu_list = ['Velocity','Momentum flux','Pressure','Force','Compare analytic','Compare custom']
        self.read_data()
        self.menu()
        self.make_frames()
        self.protocol("WM_DELETE_WINDOW", self.on_closing)
        self.mainloop()

    def read_data(self):
        # insert code to read data from hdf5 file here
        #
        #
        #

    def menu(self):
        # Make a frame for the menu
        self.menu_frame = tk.Frame(self)
        # Make a button for each option and link the command
        for i, name in enumerate(self.menu_list):
            tk.Button(self.menu_frame, text = name, command = lambda name = name: self.button_pressed(name)).grid(row = 0, column = i)
        # Put menu at the top of the screen
        self.menu_frame.grid(row = 0, column = 0, sticky = 'nw')

    def button_pressed(self, name):
        # Switch frame
        for n in self.menu_list:
            if n == name:
                self.frame_dict[n].grid()
            else:
                self.frame_dict[n].grid_forget()

    def make_frames(self):
        # Initialise a dictionary to hold all the graph frames
        self.frame_dict = {}
        # Initialise the frames
        for name in self.menu_list:
            self.frame_dict[name] = tk.Frame(self)
        # Plot figures in the frames
        # insert various functions here for each frame, for example: 
        self.plot_figs_in_frame( [['u','v'],['du','dv']], self.frame_dict[self.menu_list[0]])
        #
        #
        #

        # Put each graph frame below the menu frame
        for name in self.menu_list:
            self.frame_dict[name].grid(row = 1, column = 0)

        # Choose a frame to start on
        self.button_pressed(self.menu_list[0])

    def plot_figs_in_frame(self, varlist, frame):

        rows = len(varlist)
        columns = len(varlist[0])

        for i, row in enumerate(varlist):
            for j, var in enumerate(row):
                fig = self.make_fig(var)
                canvas = FigureCanvasTkAgg(fig, master = frame)   
                canvas.draw() 
                canvas.get_tk_widget().grid(row = i, column = j, sticky='nesw')
                plt.close(fig) 

    def make_fig(self, other_inputs):
        # insert matplotlib stuff here
        #
        #
        #
        return fig 

    def on_closing(self):
        self.destroy()
        self.quit()


App()

1. 强制触发所有帧的首次渲染 #

首次切换延迟的核心原因是：虽然你已经创建了画布并调用了canvas.draw()，但Tkinter在元素未实际显示时，不会完成全部的渲染准备工作。首次调用grid()时，才会真正完成布局和渲染的最后一步，导致延迟。

解决方法是在初始化阶段，短暂显示所有帧后再隐藏，强制完成渲染准备：
修改make_frames方法，在调用button_pressed之前，先遍历所有帧显示并更新GUI：

def make_frames(self):
    # 原有的初始化和绘图代码不变
    # ...

    # 强制触发所有帧的首次渲染
    for name in self.menu_list:
        self.frame_dict[name].grid(row=1, column=0)
        self.update_idletasks()  # 强制完成当前所有GUI任务
        self.frame_dict[name].grid_forget()

    # 再设置初始显示的帧
    self.button_pressed(self.menu_list[0])

update_idletasks()会让Tkinter立即处理所有待处理的布局、绘制任务，这样后续切换时就不需要再做首次渲染的工作了。

2. 优化Matplotlib画布的创建 #

• 避免重复创建Figure对象：可以提前为每个图形创建好Figure和Canvas，并保存到字典中，而不是每次绘图都新建。
• 使用Agg后端并关闭不必要的元素：在导入Matplotlib时指定后端，减少渲染开销：

import matplotlib
matplotlib.use('TkAgg')
import matplotlib.pyplot as plt

同时在make_fig中关闭坐标轴的不必要元素（比如刻度、边框，如果不需要的话），减少渲染计算量。

3. 使用多线程预加载数据和绘图 #

如果初始加载时间可以接受，但希望更高效地完成预渲染，可以用线程在后台处理绘图任务，避免阻塞GUI初始化。注意Tkinter的GUI操作必须在主线程，所以绘图可以在子线程完成，然后把Canvas对象移到主线程的帧中：

import threading

def make_frames(self):
    self.frame_dict = {}
    for name in self.menu_list:
        self.frame_dict[name] = tk.Frame(self)
    
    # 用线程批量绘图
    def pre_render():
        # 这里执行所有plot_figs_in_frame的调用
        self.plot_figs_in_frame([['u','v'],['du','dv']], self.frame_dict[self.menu_list[0]])
        # ... 其他帧的绘图代码
        # 绘图完成后强制触发所有帧渲染
        self.after(0, self.force_pre_render)
    
    threading.Thread(target=pre_render, daemon=True).start()

def force_pre_render(self):
    for name in self.menu_list:
        self.frame_dict[name].grid(row=1, column=0)
        self.update_idletasks()
        self.frame_dict[name].grid_forget()
    self.button_pressed(self.menu_list[0])

这样GUI可以先显示初始界面，后台完成所有绘图和预渲染，后续切换就不会有延迟。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者very_confused