Flutter核心原理（4）：Flutter运行机制-从启动到显示

Flutter的入口在"lib/main.dart"的main()函数中，它是Dart应用程序的起点。在Flutter应用中，main()函数如下：

#runApp()方法：

参数app是一个Widget，它是Flutter应用启动后要展示的第一个Widget。而WidgetsFlutterBinding正是绑定Widget 框架和Flutter engine的桥梁，定义如下：

WidgetsFlutterBinding继承自 BindingBase 并混入了很多Binding，在介绍这些Binding之前我们先介绍一下Window对象。我们看看Window的官方解释：

The most basic interface to the host operating system's user interface.

Window正是Flutter Framework连接宿主操作系统的接口。

class Window {

  // 当前设备的DPI，即一个逻辑像素显示多少物理像素，数字越大，显示效果就越精细保真。
  // DPI是设备屏幕的固件属性，如Nexus 6的屏幕DPI为3.5 
  double get devicePixelRatio => _devicePixelRatio;

  // Flutter UI绘制区域的大小
  Size get physicalSize => _physicalSize;

  // 当前系统默认的语言Locale
  Locale get locale;

  // 当前系统字体缩放比例。  
  double get textScaleFactor => _textScaleFactor;  

  // 当绘制区域大小改变回调
  VoidCallback get onMetricsChanged => _onMetricsChanged;  
  // Locale发生变化回调
  VoidCallback get onLocaleChanged => _onLocaleChanged;
  // 系统字体缩放变化回调
  VoidCallback get onTextScaleFactorChanged => _onTextScaleFactorChanged;
  // 绘制前回调，一般会受显示器的垂直同步信号VSync驱动，当屏幕刷新时就会被调用
  FrameCallback get onBeginFrame => _onBeginFrame;
  // 绘制回调  
  VoidCallback get onDrawFrame => _onDrawFrame;
  // 点击或指针事件回调
  PointerDataPacketCallback get onPointerDataPacket => _onPointerDataPacket;
  // 调度Frame，该方法执行后，onBeginFrame和onDrawFrame将紧接着会在合适时机被调用，
  // 此方法会直接调用Flutter engine的Window_scheduleFrame方法
  void scheduleFrame() native 'Window_scheduleFrame';
  // 更新应用在GPU上的渲染,此方法会直接调用Flutter engine的Window_render方法
  void render(Scene scene) native 'Window_render';

  // 发送平台消息
  void sendPlatformMessage(String name,
                           ByteData data,
                           PlatformMessageResponseCallback callback) ;
  // 平台通道消息处理回调  
  PlatformMessageCallback get onPlatformMessage => _onPlatformMessage;

  ... //其它属性及回调

}

Window类包含了当前设备和系统的一些信息以及Flutter Engine的一些回调。现在我们再回来看看WidgetsFlutterBinding混入的各种Binding。通过查看这些 Binding的源码，我们可以发现这些Binding中基本都是监听并处理Window对象的一些事件，然后将这些事件按照Framework的模型包装、抽象然后分发。可以看到WidgetsFlutterBinding正是粘连Flutter engine与上层Framework的”胶水“。

• GestureBinding：提供了window.onPointerDataPacket 回调，绑定Framework手势子系统，是Framework事件模型与底层事件的绑定入口。
• ServicesBinding：提供了window.onPlatformMessage 回调， 用于绑定平台消息通道（message channel），主要处理原生和Flutter通信。
• SchedulerBinding：提供了window.onBeginFrame和window.onDrawFrame回调，监听刷新事件，绑定Framework绘制调度子系统。
• PaintingBinding：绑定绘制库，主要用于处理图片缓存。
• SemanticsBinding：语义化层与Flutter engine的桥梁，主要是辅助功能的底层支持。
• RendererBinding: 提供了window.onMetricsChanged 、window.onTextScaleFactorChanged 等回调。它是渲染树与Flutter engine的桥梁。
• WidgetsBinding：提供了window.onLocaleChanged、onBuildScheduled 等回调。它Flutter Widget层与engine的桥梁。

WidgetsFlutterBinding.ensureInitialized()负责初始化一个WidgetsBinding的全局单例，紧接着会调用WidgetsBinding的attachRootWidget方法，该方法负责将根Widget添加到RenderView上，代码如下：

代码中的有renderView和renderViewElement两个变量，renderView是一个RenderObject，它是渲染树的根，而renderViewElement是renderView对应的Element对象，可见该方法主要完成了 根Widget 到根 RenderObject再到更Element的整个关联过程。我们看看attachToRenderTree的源码实现：

该方法负责创建根 Element，即 RenderObjectToWidgetElement，并且将 Element 与 Widget 进行关联，即创建出 WidgetTree 对应的 ElementTree。如果 Element 已经创建过了，则将根 Element 中关联的 Widget 设为新的，由此可以看出 Element 只会创建一次，后面会进行复用。那么BuildOwner是什么呢？其实他就是Widget framework的管理类，它跟踪哪些Widget需要重新构建。

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渲染:

回到runApp的实现中，当调用完attachRootWidget后，最后一行会调用 WidgetsFlutterBinding 实例的 scheduleWarmUpFrame() 方法，该方法的实现在 SchedulerBinding 中，它被调用后会立即进行一次绘制（而不是等待"Vsync" 信号），在此次绘制结束前，该方法会锁定事件分发，也就是说在本次绘制结束完成之前Flutter将不会响应各种事件，这可以保证在绘制过程中不会再触发新的重绘。下面是scheduleWarmUpFrame() 方法的实现：

  /// Schedule a frame to run as soon as possible, rather than waiting for
  /// the engine to request a frame in response to a system "Vsync" signal.
  ///
  /// This is used during application startup so that the first frame (which is
  /// likely to be quite expensive) gets a few extra milliseconds to run.
  ///
  /// Locks events dispatching until the scheduled frame has completed.
  ///
  /// If a frame has already been scheduled with [scheduleFrame] or
  /// [scheduleForcedFrame], this call may delay that frame.
  ///
  /// If any scheduled frame has already begun or if another
  /// [scheduleWarmUpFrame] was already called, this call will be ignored.
  ///
  /// Prefer [scheduleFrame] to update the display in normal operation.
  void scheduleWarmUpFrame() {
    if (_warmUpFrame || schedulerPhase != SchedulerPhase.idle)
      return;

    _warmUpFrame = true;
    Timeline.startSync('Warm-up frame');
    final bool hadScheduledFrame = _hasScheduledFrame;
    // We use timers here to ensure that microtasks flush in between.
    Timer.run(() {
      assert(_warmUpFrame);
      handleBeginFrame(null);
    });
    Timer.run(() {
      assert(_warmUpFrame);
      handleDrawFrame();
      // We call resetEpoch after this frame so that, in the hot reload case,
      // the very next frame pretends to have occurred immediately after this
      // warm-up frame. The warm-up frame's timestamp will typically be far in
      // the past (the time of the last real frame), so if we didn't reset the
      // epoch we would see a sudden jump from the old time in the warm-up frame
      // to the new time in the "real" frame. The biggest problem with this is
      // that implicit animations end up being triggered at the old time and
      // then skipping every frame and finishing in the new time.
      resetEpoch();
      _warmUpFrame = false;
      if (hadScheduledFrame)
        scheduleFrame();
    });

    // Lock events so touch events etc don't insert themselves until the
    // scheduled frame has finished.
    lockEvents(() async {
      await endOfFrame;
      Timeline.finishSync();
    });
  }

该方法中主要调用了handleBeginFrame() 和 handleDrawFrame() 两个方法.

Frame 和c 的概念：

• Frame: 一次绘制过程，我们称其为一帧。Flutter engine受显示器垂直同步信号"VSync"的趋势不断的触发绘制。我们之前说的Flutter可以实现60fps（Frame Per-Second），就是指一秒钟可以触发60次重绘，FPS值越大，界面就越流畅。

• FrameCallback：SchedulerBinding 类中有三个FrameCallback回调队列， 在一次绘制过程中，这三个回调队列会放在不同时机被执行：

  1. transientCallbacks：用于存放一些临时回调，一般存放动画回调。可以通过SchedulerBinding.instance.scheduleFrameCallback 添加回调。
  2. persistentCallbacks：用于存放一些持久的回调，不能在此类回调中再请求新的绘制帧，持久回调一经注册则不能移除。SchedulerBinding.instance.addPersitentFrameCallback()，这个回调中处理了布局与绘制工作。
  3. postFrameCallbacks：在Frame结束时只会被调用一次，调用后会被系统移除，可由 SchedulerBinding.instance.addPostFrameCallback() 注册，注意，不要在此类回调中再触发新的Frame，这可以会导致循环刷新。
• handleBeginFrame() 和 handleDrawFrame() 两个方法的源码，可以发现前者主要是执行了transientCallbacks队列，而后者执行了 persistentCallbacks 和 postFrameCallbacks 队列。

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绘制

渲染和绘制逻辑在RenderBinding 中实现，查看其源发，发现在其initInstances()方法中有如下代码：

void initInstances() {
  ... //省略无关代码

  //监听Window对象的事件  
  ui.window
    ..onMetricsChanged = handleMetricsChanged
    ..onTextScaleFactorChanged = handleTextScaleFactorChanged
    ..onSemanticsEnabledChanged = _handleSemanticsEnabledChanged
    ..onSemanticsAction = _handleSemanticsAction;

  //添加PersistentFrameCallback    
  addPersistentFrameCallback(_handlePersistentFrameCallback);
}

通过addPersistentFrameCallback 向persistentCallbacks队列添加了一个回调 _handlePersistentFrameCallback:

void _handlePersistentFrameCallback(Duration timeStamp) {
  drawFrame();
}

该方法直接调用了RenderBinding的drawFrame()方法：

void drawFrame() {
  assert(renderView != null);
  pipelineOwner.flushLayout(); //布局
  pipelineOwner.flushCompositingBits(); //重绘之前的预处理操作，检查RenderObject是否需要重绘
  pipelineOwner.flushPaint(); // 重绘
  renderView.compositeFrame(); // 将需要绘制的比特数据发给GPU
  pipelineOwner.flushSemantics(); // this also sends the semantics to the OS.
}

(1).flushLayout()

void flushLayout() {
   ...
    while (_nodesNeedingLayout.isNotEmpty) {
      final List dirtyNodes = _nodesNeedingLayout;
      _nodesNeedingLayout = [];
      for (RenderObject node in 
           dirtyNodes..sort((RenderObject a, RenderObject b) => a.depth - b.depth)) {
        if (node._needsLayout && node.owner == this)
          node._layoutWithoutResize();
      }
    }
  } 
}

该方法主要任务是更新了所有被标记为“dirty”的RenderObject的布局信息。主要的动作发生在node._layoutWithoutResize()方法中，该方法中会调用performLayout()进行重新布局。 

(2).flushCompositingBits()

void flushCompositingBits() {
  _nodesNeedingCompositingBitsUpdate.sort(
      (RenderObject a, RenderObject b) => a.depth - b.depth
  );
  for (RenderObject node in _nodesNeedingCompositingBitsUpdate) {
    if (node._needsCompositingBitsUpdate && node.owner == this)
      node._updateCompositingBits(); //更新RenderObject.needsCompositing属性值
  }
  _nodesNeedingCompositingBitsUpdate.clear();
}

检查RenderObject是否需要重绘，然后更新RenderObject.needsCompositing属性，如果该属性值被标记为true则需要重绘。 

(3).flushPaint()

void flushPaint() {
 ...
  try {
    final List dirtyNodes = _nodesNeedingPaint; 
    _nodesNeedingPaint = [];
    // 反向遍历需要重绘的RenderObject
    for (RenderObject node in 
         dirtyNodes..sort((RenderObject a, RenderObject b) => b.depth - a.depth)) {
      if (node._needsPaint && node.owner == this) {
        if (node._layer.attached) {
          // 真正的绘制逻辑  
          PaintingContext.repaintCompositedChild(node);
        } else {
          node._skippedPaintingOnLayer();
        }
      }
    }
  } 
}

该方法进行了最终的绘制，可以看出它不是重绘了所有 RenderObject，而是只重绘了需要重绘的 RenderObject。真正的绘制是通过PaintingContext.repaintCompositedChild()来绘制的，该方法最终会调用Flutter engine提供的Canvas API来完成绘制。 

(4).compositeFrame()

void compositeFrame() {
  ...
  try {
    final ui.SceneBuilder builder = ui.SceneBuilder();
    final ui.Scene scene = layer.buildScene(builder);
    if (automaticSystemUiAdjustment)
      _updateSystemChrome();
    ui.window.render(scene); //调用Flutter engine的渲染API
    scene.dispose(); 
  } finally {
    Timeline.finishSync();
  }
}

方法中有一个Scene对象，Scene对象是一个数据结构，保存最终渲染后的像素信息。这个方法将Canvas画好的Scene传给window.render()方法，该方法会直接将scene信息发送给Flutter engine，最终又engine将图像画在设备屏幕上。 

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注意：

由于RenderBinding只是一个mixin，而with它的是WidgetBinding，所以我们需要看看WidgetBinding中是否重写该方法，查看WidgetBinding的drawFrame()方法源码：

@override
void drawFrame() {
 ...//省略无关代码
  try {
    if (renderViewElement != null)
      buildOwner.buildScope(renderViewElement); 
    super.drawFrame(); //调用RenderBinding的drawFrame()方法
    buildOwner.finalizeTree();
  } 
}

在调用RenderBinding.drawFrame()方法前会调用 buildOwner.buildScope() （非首次绘制），该方法会将被标记为“dirty” 的 Element 进行 rebuild() 。