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Flutter背后解决了哪些问题

Flutter背后解决了哪些问题

Flutter 出现的历史背景

为不同的操作系统开发拥有相同功能的应用程序,开发人员只有两个选择:

  1. 使用原生开发语言(即 Java 和 Objective-C),针对不同平台分别进行开发。
  2. 使用跨平台解决方案,对不同平台进行统一开发。

原生开发方式的体验最好,但研发效率和研发成本相对较高;而跨平台开发方式研发虽然效率高,但为了抹平多端平台差异,各类解决方案暴露的组件和 API 较原生开发相比少很多,因此研发体验和产品功能并不完美。

所以,最成功的跨平台开发方案其实是依托于浏览器控件的 Web。浏览器保证了 99% 的概率下 Web 的需求都是可以实现的,不需要业务将就“技术”。不过,Web 最大的问题在于它的性能和体验与原生开发存在肉眼可感知的差异,因此并不适用于对体验要求较高的场景。

对于用户体验更接近于原生的 React Native,对业务的支持能力却还不到浏览器的 5%,仅适用于中低复杂度的低交互类页面。面对稍微复杂一点儿的交互和动画需求,开发者都需要 case by case 地去 review,甚至还可能要通过原生代码去扩展才能实现。

这些因素,也就导致了虽然跨平台开发从移动端诞生之初就已经被多次提及,但到现在也没有被很好地解决。

带着这些问题,我们终于迎来了本次专栏的主角——Flutter。

Flutter 是构建 Google 物联网操作系统 Fuchsia 的 SDK,主打跨平台、高保真、高性能。开发者可以通过 Dart 语言开发 App,一套代码可以同时运行在 iOS 和 Android 平台。 Flutter 使用 Native 引擎渲染视图,并提供了丰富的组件和接口,这无疑为开发者和用户都提供了良好的体验。

从 2017 年 5 月,谷歌公司发布的了 Alpha 版本的 Flutter,到 2018 年底 Flutter Live 发布的 1.0 版本,再到现在最新的 1.5 版本(截止至 2019 年 7 月 1 日),Flutter 正在赢得越来越多的关注。

很多人开始感慨,跨平台技术似乎终于迎来了最佳解决方案。那么,接下来我们就从原理层面去看看,Flutter 是如何解决既有跨平台开发方案问题的。

Flutter 是怎么运转的?

与用于构建移动应用程序的其他大多数框架不同,Flutter 是重写了一整套包括底层渲染逻辑和上层开发语言的完整解决方案。这样不仅可以保证视图渲染在 Android 和 iOS 上的高度一致性(即高保真),在代码执行效率和渲染性能上也可以媲美原生 App 的体验(即高性能)。

这,就是 Flutter 和其他跨平台方案的本质区别:

  • React Native 之类的框架,只是通过 JavaScript 虚拟机扩展调用系统组件,由 Android 和 iOS 系统进行组件的渲染;
  • Flutter 则是自己完成了组件渲染的闭环。

那么,Flutter 是怎么完成组件渲染的呢?这需要从图像显示的基本原理说起。

在计算机系统中,图像的显示需要 CPU、GPU 和显示器一起配合完成:CPU 负责图像数据计算,GPU 负责图像数据渲染,而显示器则负责最终图像显示。

CPU 把计算好的、需要显示的内容交给 GPU,由 GPU 完成渲染后放入帧缓冲区,随后视频控制器根据垂直同步信号(VSync)以每秒 60 次的速度,从帧缓冲区读取帧数据交由显示器完成图像显示。

操作系统在呈现图像时遵循了这种机制,而 Flutter 作为跨平台开发框架也采用了这种底层方案。下面有一张更为详尽的示意图来解释 Flutter 的绘制原理。

Flutter大火的背后到底解决了哪些痛点问题?

可以看到,Flutter 关注如何尽可能快地在两个硬件时钟的 VSync 信号之间计算并合成视图数据,然后通过 Skia 交给 GPU 渲染:UI 线程使用 Dart 来构建视图结构数据,这些数据会在 GPU 线程进行图层合成,随后交给 Skia 引擎加工成 GPU 数据,而这些数据会通过 OpenGL 最终提供给 GPU 渲染。

在进一步学习 Flutter 之前,我们有必要了解下构建 Flutter 的关键技术,即 Skia 和 Dart。

Skia 是什么?

要想了解 Flutter,你必须先了解它的底层图像渲染引擎 Skia。因为,Flutter 只关心如何向 GPU 提供视图数据,而 Skia 就是它向 GPU 提供视图数据的好帮手。

Skia 是一款用 C++ 开发的、性能彪悍的 2D 图像绘制引擎,其前身是一个向量绘图软件。2005 年被 Google 公司收购后,因为其出色的绘制表现被广泛应用在 Chrome 和 Android 等核心产品上。Skia 在图形转换、文字渲染、位图渲染方面都表现卓越,并提供了开发者友好的 API。

因此,架构于 Skia 之上的 Flutter,也因此拥有了彻底的跨平台渲染能力。通过与 Skia 的深度定制及优化,Flutter 可以最大限度地抹平平台差异,提高渲染效率与性能。

底层渲染能力统一了,上层开发接口和功能体验也就随即统一了,开发者再也不用操心平台相关的渲染特性了。也就是说,Skia 保证了同一套代码调用在 Android 和 iOS 平台上的渲染效果是完全一致的。

为什么是Dart?

除了我们在第 2 篇预习文章“预习篇 · Dart 语言概览”中提到的,Dart 因为同时支持 AOT 和 JIT,所以具有运行速度快、执行性能好的特点外,Flutter 为什么选择了 Dart,而不是前端应用的准官方语言 JavaScript 呢?这个问题很有意思,但也很有争议。

很多人说,选择 Dart 是 Flutter 推广的一大劣势,毕竟多学一门新语言就多一层障碍。想想 Java 对 Android,JavaScript 对 NodeJS 的推动,如果换个语言可能就不一样了。

但,Google 公司给出的原因很简单也很直接:Dart 语言开发组就在隔壁,对于 Flutter 需要的一些语言新特性,能够快速在语法层面落地实现;而如果选择了 JavaScript,就必须经过各种委员会和浏览器提供商漫长的决议。

事实上,Flutter 的确得到了兄弟团队的紧密支持。2018 年 2 月发布的 Dart 2.0,2018 年 12 月发布的 Dart 2.1,2019 年 2 月发布的 Dart 2.2,2019 年 5 月发布的 Dart2.3,每次发布都包含了为 Flutter 量身定制的诸多改造(比如,改进的 AOT 性能、更智能的类型隐式转换等)。

当然,Google 公司选择使用 Dart 作为 Flutter 的开发语言,我想还有其他更有说服力的理由:

  1. Dart 同时支持即时编译 JIT 和事前编译 AOT。在开发期使用 JIT,开发周期异常短,调试方式颠覆常规(支持有状态的热重载);而发布期使用 AOT,本地代码的执行更高效,代码性能和用户体验也更卓越。
  2. Dart 作为一门现代化语言,集百家之长,拥有其他优秀编程语言的诸多特性(比如,完善的包管理机制)。也正是这个原因,Dart 的学习成本并不高,很容易上手。
  3. Dart 避免了抢占式调度和共享内存,可以在没有锁的情况下进行对象分配和垃圾回收,在性能方面表现相当不错。

Dart 是一门优秀的现代语言,最初设计也是为了取代 JavaScript 成为 Web 开发的官方语言。竞争对手如此强劲,最后的结果可想而知。这,也是为什么相比于其他热门语言,Dart 的生态要冷清不少的原因。

而随着 Flutter 的发布,Dart 开始转型,其自身定位也发生了变化,专注于改善构建客户端应用程序的体验,因此越来越多的开发者开始慢慢了解、学习这门语言,并共同完善它的生态。凭借着 Flutter 的火热势头,辅以 Google 强大的商业运作能力,相信转型后的 Dart 前景会非常光明。

Flutter 的原理

在了解了 Flutter 的基本运作机制后,我们再来深入了解一下 Flutter 的实现原理。

首先,我们来看一下 Flutter 的架构图。我希望通过这张图以及对应的解读,你能在开始学习的时候就建立起对 Flutter 的整体印象,能够从框架设计和实现原理的高度去理解 Flutter 区别其他跨平台解决方案的关键所在,为后面的学习打好基础,而不是直接一上来就陷入语言和框架的功能细节“泥潭”而无法自拔。

Flutter大火的背后到底解决了哪些痛点问题?

备注:此图引自Flutter System Overview

Flutter 架构采用分层设计,从下到上分为三层,依次为:Embedder、Engine、Framework。

  • Embedder 是操作系统适配层,实现了渲染 Surface 设置,线程设置,以及平台插件等平台相关特性的适配。从这里我们可以看到,Flutter 平台相关特性并不多,这就使得从框架层面保持跨端一致性的成本相对较低。
  • Engine 层主要包含 Skia、Dart 和 Text,实现了 Flutter 的渲染引擎、文字排版、事件处理和 Dart 运行时等功能。Skia 和 Text 为上层接口提供了调用底层渲染和排版的能力,Dart 则为 Flutter 提供了运行时调用 Dart 和渲染引擎的能力。而 Engine 层的作用,则是将它们组合起来,从它们生成的数据中实现视图渲染。
  • Framework 层则是一个用 Dart 实现的 UI SDK,包含了动画、图形绘制和手势识别等功能。为了在绘制控件等固定样式的图形时提供更直观、更方便的接口,Flutter 还基于这些基础能力,根据 Material 和 Cupertino 两种视觉设计风格封装了一套 UI 组件库。我们在开发 Flutter 的时候,可以直接使用这些组件库。

接下来,我以界面渲染过程为例,和你介绍 Flutter 是如何工作的。

页面中的各界面元素(Widget)以树的形式组织,即控件树。Flutter 通过控件树中的每个控件创建不同类型的渲染对象,组成渲染对象树。而渲染对象树在 Flutter 的展示过程分为四个阶段:布局、绘制、合成和渲染。

布局

Flutter 采用深度优先机制遍历渲染对象树,决定渲染对象树中各渲染对象在屏幕上的位置和尺寸。在布局过程中,渲染对象树中的每个渲染对象都会接收父对象的布局约束参数,决定自己的大小,然后父对象按照控件逻辑决定各个子对象的位置,完成布局过程。

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为了防止因子节点发生变化而导致整个控件树重新布局,Flutter 加入了一个机制——布局边界(Relayout Boundary),可以在某些节点自动或手动地设置布局边界,当边界内的任何对象发生重新布局时,不会影响边界外的对象,反之亦然。

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绘制

布局完成后,渲染对象树中的每个节点都有了明确的尺寸和位置。Flutter 会把所有的渲染对象绘制到不同的图层上。与布局过程一样,绘制过程也是深度优先遍历,而且总是先绘制自身,再绘制子节点。以下图为例:节点 1 在绘制完自身后,会再绘制节点 2,然后绘制它的子节点 3、4 和 5,最后绘制节点 6。

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可以看到,由于一些其他原因(比如,视图手动合并)导致 2 的子节点 5 与它的兄弟节点 6 处于了同一层,这样会导致当节点 2 需要重绘的时候,与其无关的节点 6 也会被重绘,带来性能损耗。

为了解决这一问题,Flutter 提出了与布局边界对应的机制——重绘边界(Repaint Boundary)。在重绘边界内,Flutter 会强制切换新的图层,这样就可以避免边界内外的互相影响,避免无关内容置于同一图层引起不必要的重绘。

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重绘边界的一个典型场景是 Scrollview。ScrollView 滚动的时候需要刷新视图内容,从而触发内容重绘。而当滚动内容重绘时,一般情况下其他内容是不需要重绘的,这时候重绘边界就派上用场了。

合成和渲染

终端设备的页面越来越复杂,因此 Flutter 的渲染树层级通常很多,直接交付给渲染引擎进行多图层渲染,可能会出现大量渲染内容的重复绘制,所以还需要先进行一次图层合成,即将所有的图层根据大小、层级、透明度等规则计算出最终的显示效果,将相同的图层归类合并,简化渲染树,提高渲染效率。

合并完成后,Flutter 会将几何图层数据交由 Skia 引擎加工成二维图像数据,最终交由 GPU 进行渲染,完成界面的展示。这部分内容,我已经在前面的内容中介绍过,这里就不再赘述了。

接下来,我们再看看学习 Flutter,都需要学习哪些知识。

学习 Flutter 需要掌握哪些知识?

终端设备越来越碎片化,需要支持的操作系统越来越多,从研发效率和维护成本综合考虑,跨平台开发一定是未来大前端的趋势,我们应该拥抱变化。而 Flutter 提供了一套彻底的移动跨平台方案,也确实弥补了如今跨平台开发框架的短板,解决了业界痛点,极有可能成为跨平台开发领域的终极解决方案,前途非常光明。

那么,我们学习 Flutter 都需要掌握哪些知识呢?

我按照 App 的开发流程(开发、调试测试、发布与线上运维)将 Flutter 的技术栈进行了划分,里面几乎包含了 Flutter 开发需要的所有知识点。而这些所有知识点,我会在专栏中为你一一讲解。掌握了这些知识点后,你也就具备了企业级应用开发的必要技能。

这些知识点,如下图所示:

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有了这张图,你是否感觉到学习 Flutter 的路线变得更加清晰了呢?

小结

今天,我带你了解了 Flutter 的历史背景与运行机制,并以界面渲染过程为例,从布局、绘制、合成和渲染四个阶段讲述了 Flutter 的实现原理。此外,我向你介绍了构建 Flutter 底层的关键技术:Skia 与 Dart,它们是 Flutter 有别于其他跨平台开发方案的核心所在。

最后,我梳理了一张 Flutter 学习思维导图,围绕一个应用的迭代周期介绍了 Flutter 相关的知识点。我希望通过这个专栏,能和你把 Flutter 背后的设计原理和知识体系讲清楚,让你能对 Flutter 有一个整体感知。这样,在你学完这个专栏以后,就能够具备企业级应用开发的理论基础与实践。

从我的角度看,不管你是学习编程语言,还是框架、编辑器,都应该先去看看它的来龙去脉,了解它们是怎么发展而来的,曾经遇到了什么问题,又是怎么解决的,这些信息都便于你从大局上提高对事情本质的认识。Flutter 同样如此。

【摘自卖桃者说的陈航分享】

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