Flutter 陈航 04-关键技术 知识体系 架构

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• 04 | Flutter 的关键技术是什么？
  • Flutter 出现的历史背景
  • Flutter 是怎么运转的
  • Skia 是什么
  • 为什么是 Dart
  • Flutter 的原理
    • 布局
    • 绘制
    • 合成和渲染
  • 学习 Flutter 需要掌握的知识

04 | Flutter 的关键技术是什么？

原文

Flutter 出现的历史背景

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。

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。

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。

图 1 Flutter 绘制原理

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
• GPU 线程对这些数据进行图层合成，随后交给 Skia 引擎加工成 GPU 数据
• OpenGL 最终将这些数据提供给 GPU 进行渲染

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。

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

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。

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：

• Dart 同时支持 JIT 和 AOT。在开发期使用 JIT，开发周期异常短，调试方便；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。
• 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。
• 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。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。

Flutter 的原理

首先，我们来看一下 Flutter 的架构图。

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(Render Surface Setup)，线程设置(Thread Setup)，以及平台插件(Native Plugins)等平台相关特性(Platform Specific)的适配。

• Engine 层实现了 Flutter 的渲染引擎(Rendering)、文字排版(Text Layout)、事件处理(System Events)和 Dart 运行时(Dart VM)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 为 Flutter 提供了运行时调用 Dart 和渲染引擎的能力
  • Engine 层的作用是将它们组合起来，从它们生成的数据中实现视图渲染

• Framework 层是一个用 Dart 实现的 UI SDK，包含了动画(Animation)、图形绘制(Painting)和手势识别(Gestures)等功能。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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

学习 Flutter 需要掌握的知识

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。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。

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。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。

2022-12-3