一、Flutter架构

众所周知，Flutter是由Google推出的开源的高性能跨平台框架，一个2D渲染引擎。在Flutter中，Widget是Flutter用户界面的基本构成单元，可以说一切皆Widget。与Weex和RN框架使用的JsCore转化的中间层不同，Flutter采用的是全新的架构方案，拥有自己的渲染引擎和Dart上层，每一层都建立在前一层的基础之上，并且上层比下层的使用频率更高，其框架架构如下图所示。

可以看到，自下而上，Flutter分为Embedder、Engine和Framework三层。其中，Embedder是操作系统适配层，主要负责Surface渲染设置，线程设置，以及平台插件等平台相关特性的适配；Engine层负责图形绘制、文字排版和提供Dart运行时，Engine层具有独立虚拟机，正是由于它的存在，Flutter程序才能运行在不同的平台上，实现跨平台运行；Framework层则是使用Dart编写的一套基础视图库，包含了动画、图形绘制和手势识别等功能，是使用频率最高的一层。

Flutter Embedder：Embedder是Flutter的操作系统适配层，又称为嵌入层，通过该层可以把Flutter嵌入到各个不同的平台上去。Embedder的主要工作包括Surface渲染设置、线程设置、事件循环以及插件的平台适配等。
Flutter Engine：纯 C++实现的 SDK，其中包括 Skia引擎、Dart运行时、文字排版引擎等。它是 Dart的一个运行时，它可以以 JIT 或者 AOT的模式运行 Dart代码。这个运行时还控制着 VSync信号的传递、GPU数据的填充等，并且还负责把客户端的事件传递到运行时中的代码。
Flutter Framework：纯 Dart实现的 SDK，提供了一整套自底向上的基础库，用于处理动画、绘图和手势。并且基于绘图封装了一套 UI组件库，然后根据 Material 和Cupertino两种视觉风格区分开来。在平时应用开发中，与开发者打交道最多的就是这一层，并且最多的就是各种Widget。

二、渲染流程

不管是什么渲染框架，其基本的原理都是：一般以60Hz的固定频率刷新，每一帧图像绘制完成后，会继续绘制下一帧，然后显示器就会发出一个Vsync信号，按60Hz计算，屏幕每秒会发出60次这样的信号。CPU计算好显示内容提交给GPU，GPU渲染好交给显示器显示。

在Flutter中，渲染会用到很多的线程，主要是UI线程和GPU线程，下图是Flutter App线程的运作原理图。

下面重点看一下UI线程和GPU线程。

UI Task Runner

UI Task Runner用于执行Root Isolate代码，它运行在线程对应平台的线程上，属于子线程。同时，Root isolate在引擎启动时会绑定不少Flutter需要的函数方法，这些绑定的函数可以提交渲染帧给Engine层执行渲染操作，下图演示了Widgets生成Layer Tree的过程。

对于每一帧，引擎通过Root Isolate通知Flutter Engine有帧需要渲染，平台收到Flutter Engine通知后会创建对象和组件并生成一个Layer Tree，然后将生成的Layer Tree提交给Flutter Engine。此时，只生成了需要绘制的内容，并没有执行屏幕渲染，而Root Isolate就是负责将创建的Layer Tree绘制到屏幕上，因此如果线程过载会导致卡顿掉帧现象。

除了用于处理渲染之外，Root Isolate还需要处理来自Native Plugins的消息响应、Timers、MicroTasks和异步IO。如果确实有无法避免的繁重计算，建议将这些耗时的操作放到独立的Isolate去执行，从而避免应用UI卡顿问题。

GPU Task Runner

GPU Task Runner用于执行设备GPU指令，UI Task Runner创建的Layer Tree是跨平台的。也就是说，Layer Tree提供了绘制所需要的信息，但是由谁来完成绘制它是不关心的。

GPU Task Runner的主要责任就是负责将Layer Tree提供的信息转化为平台可执行的GPU指令，同时它也负责管理每一帧绘制所需要的GPU资源，包括平台Framebuffer的创建，Surface生命周期管理，以及Texture和Buffers的绘制时机等，下图GPU Task Runner的工作流程。

UI Runner和GPU Runner运行在不同的线程。GPU Runner会根据目前帧执行的进度去向UI Runner请求下一帧的数据，在任务繁重的时候还可能会出现UI Runner的延迟任务。不过这种调度机制的好处在于，确保GPU Runner不至于过载，同时也避免了UI Runner不必要的资源消耗。

GPU Runner可以导致UI Runner的帧调度的延迟，GPU Runner的过载会导致Flutter应用的卡顿，因此在实际使用过程中，建议为每一个Engine实例都新建一个专用的GPU Runner线程。

三、Widget、Element 和 RenderObject

要理解Flutter的渲染原理，那么就必须了解Widget、RenderObject 和 Element及其作用。总的来说，Flutter调用runApp(rootWidget)，将rootWidget传给rootElement，做为rootElement的子节点，生成Element树，由Element树生成Render树，如下图所示。

从上面的介绍中，我们隐约知道了Widget、RenderObject 和 Element的作用，简单的介绍一下。

Widget：Widget 的主要作用是用来保存 Element 信息的（包括布局、渲染属性、事件响应等信息），本身是不可变的，Element 也是根据 Widget 里面保存的配置信息来管理渲染树，以及决定自身是否需要执行渲染。
RenderObject：RenderObject 做为渲染树中的对象存在，主要作用是处理布局、绘制相关的事情，而绘制的内容是Widget传入的内容。
Element：Element 可以理解为是其关联的 Widget 的实例，存放视图构建的上下文数据，可以通过遍历Element来查看视图树，Element同时持有Widget和RenderObject对象。

Flutter通过Widget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中的展示分为四阶段：布局、绘制、合成及渲染。其中，布局和绘制由RenderObject负责完成，Flutter采用深度优先机制遍历渲染树对象，确定树中每个对象的位置和尺寸，并把他们绘制到不同的图层上，而合成及渲染则交给Skia完成。

下图展示了Widget、Element 和 RenderObject的关系。

3.1 Widget

在 Flutter 中，万物皆是 Widget，无论是可见的还是功能型的，下面是官方对Widget的介绍。

Widget 的作用是用来保存 Element 的配置信息的。
Widget 本身是不可变的。
Element 根据 Widget 里面保存的配置信息来管理渲染树。
Widget 可以多次的插入到 Widget 树中，每插入一次，Element 都要重新装载一遍 Widget 。
Widget 里面的 key 属性用来决定依赖这个 Widget 的 Element 在 Element 树中是更新还是移除。

下面是Widget源码。

abstract class Widget extends DiagnosticableTree{
  const Widget({ this.key });
  final Key key;
  
  @protected
  Element createElement();
  
  static bool canUpdate(Widget oldWidget, Widget newWidget) {
   return oldWidget.runtimeType == newWidget.runtimeType
        && oldWidget.key == newWidget.key;
  }
}

Widget有两个重要的方法，一个是通过 createElement 来创建 Element 对象的，一个是根据 key 来决定更新行为的 canUpdate 方法。

3.2 RenderObject

RenderObject 是做为渲染树中的对象存在。
RenderObject 不定义约束关系，也就是不会对子控件的布局位置、大小等进行管理。
RenderObject 中有一个 parentData 属性，这个属性用来保存其孩子节点的特定信息，如子节点位置，这个属性对其孩子是透明的。

RenderObject的源码如下。

abstract class RenderObject extends AbstractNode with DiagnosticableTreeMixin implements HitTestTarget {
  ParentData parentData;
  Constraints _constraints;
  void layout(Constraints constraints, { bool parentUsesSize = false }) {
    
  }
  void paint(PaintingContext context, Offset offset) { }
  
  void performLayout();
  void markNeedsPaint() {
  }
}

可以看出，RenderObject 的主要作用就是绘制和布局。RenderObject 在 Flutter 中的作用分为四个阶段，即布局、绘制、合成和渲染。其中，布局和绘制在 RenderObject 中完成，Flutter 采用深度优先机制遍历渲染对象树，确定树中各个对象的位置和尺寸，并把它们绘制在不同的图层上。绘制完毕后，合成和渲染的工作则交给 Skia 完成。

3.2 Element

Element 是关联的Widget 的实例，并且关联在 Widget 树的特定位置上。
Widget 是不可变的，一个 Widget 可以同时用来配置多个子 Widget 树，而 Element 就用来代表特定位置的 Widget 。
Widget 是不可变的，而 Element 是可变的，Element决定是否需要刷新界面。
一些 Element 只能有一个子节点，如 Container、Opacity、Center ，还有一些可以有多个子节点，如 Column、Row 和 ListView 等。

Element 拥有自己的生命周期：

Flutter framework 通过 Widget.createElement 来创建一个 Element 。
每当 Widget 创建并插入到 Widget 树中时，framework 就会通过 mount 方法来把这个 widget 创建并关联的 Element 插入到 Element 树中。
通过 attachRenderObject 方法来将 render objects 来关联到 Render 树上，这时可以认为 Widget 已经显示在屏幕上了。
每当执行了 rebuid 方法，Widget 代表的配置信息改变时，framewrok 就会调用这个新的 Widget 的 update 方法执行重绘。
当 Element 的祖先想要移除一个子 Element 时，可以通过 deactivateChild 方法，先把这个 Element 从树中移除，然后将这个 Element 加入到一个“不活跃元素列表”中，接着 framework 就会将这个 element 从屏幕移除。

总的来说，Flutter提出一切皆Widget，Widget 主要用来保存 Element 信息，而Element作用Widget 的实例，存放视图构建的上下文数据，并且同时持有Widget和RenderObject对象，RenderObject的主要作用是处理布局、绘制相关的事情，确定Element树中每个对象的位置和尺寸。

Flutter渲染之Widget、Element、RenderObject