Flutter 流畅度优化实践总结
本篇内容来自ArchSummit会议分享
作者介绍：
张云龙（云从），闲鱼客户端专家。先后在网易、字节、阿里任职移动端研发。目前在阿里巴巴闲鱼技术部，目前负责闲鱼 app 包大小、流畅度、启动等端体验内容。
“围绕 Flutter 流畅度体感优化，分享了挑战、线上线下监控工具建设、优化手段在组件容器沉淀，最后给出了优化建议。"
大纲
本次分享围绕 flutter 流畅度，分别讲述：1.Flutter 流畅度优化挑战；2.列表容器和 FlutterDx 组件优化；3.性能衡量和 devtool 扩展；4.Flutter 滑动曲线优化；5.性能优化建议。
Flutter 流畅度优化挑战
▐ 业务复杂度挑战
Flutter 一直以高性能被大家所认知，Flutter Gallery（左图所示）展示的列表控件，也确实非常流畅。但实际业务场景（右图所示）比 Gallery 列表 demo 复杂的多：
相同的卡片，有更多和复杂（如圆角）的视图控件；
列表滚动时，有更多的视图逻辑，如滚动控制其他控件渐显和消失；
卡片控件，也有更多的业务逻辑，如基于后台数据控制不同的标签、活动价等，也有埋点等常见业务逻辑；
因为闲鱼是电商 App，所以我们需要有一定的动态能力应对频繁多变的活动。这里我们使用阿里自研的 Flutter DynamicX 组件实现我们的动态能力。
▐ 框架实现的挑战
我们再来看列表滚动的整体流程，这里只关注手指放开后的自由滚动阶段。
手指松开时，基于 ScrollDragController.end 计算初始速度；
UI Thread 向 Platform Thread 请求 requestFrame，在 Platform Thread 收到 Vsync 信息，则向 UI Thread 调用 beginFrame；
UI Thread Animate 阶段触发列表滑动一点距离，同时向 Platform Thread 注册下一帧回调；
UI Thread Build Widget，再通过 Flutter 三棵树 Diff 算法生成/更新 RenderObject 树；
UI Thread RenderObject 树 Layout、Paint 生成 Scene 对象，最后传递给 Raster Thread 进行绘制上屏；
上述流程，必须要 16.6 ms 内完成，才能保证不掉帧。大部分情况，不需要构建新的卡片，但当新卡片进入列表区域时，整个计算量就会变得巨大，尤其是在复杂的业务场景下，如何保证在一帧 16.6ms 内完成全部计算，是一个不小的挑战。
上图是一次滑动 devtool 样例，卡顿阶段都是新卡片上屏时发生，其他阶段均很流畅，因为滚动速度在衰减，所以卡顿间隔也在变大。因为大部分时候都很流畅，所以平均 FPS 不低。但新卡片构建时的产生画面停顿，给我们的卡顿体感却很明显。
▐ 动态能力的挑战 - Flutter DynamicX
闲鱼 App 卡片使用自研 Flutter DynamicX 来支持我们的动态能力。基本原理：在线编辑布局 DSL，生成 dx 文件并下发。端侧通过解析 dx 文件，并结合后台卡片数据，生成 DXComponentWidget，最后生成 Widget Tree。Flutter DynamicX 技术给闲鱼带来动态更新的能力，统一监控能力（如在 DXComponentWidget 监控卡片创建），良好研发体感（在线 DSL 和 Android Layout 基本一致，对 Android 开发优化），在线编辑能力；
但在性能上，我们也付出了一定的代价：DX 卡片相比增加了模板装载和数据绑定开销，Widget 要通过 WidgetNode 递归遍历动态创建，视图嵌套层级会更得更深（后续讲述）。
说明：Flutter DynamicX 参考阿里集团 DSL 规则实现
▐ 用户体感的挑战
前面已经讲述过，相同 FPS 下，Flutter 列表的卡顿体感更明显；
在 Android RecycleView 发生小卡顿（16.6*2ms）时，体感并不明显，而 Flutter 列表在发生卡顿时，不仅时间上停顿，滑动 Offset 上也发生了跳变，为此小卡顿的体感也变得明显了；
假设列表内容足够简单，滚动不会发生卡顿，我们也发现 Flutter 列表和 Android RecycleView 也不太一样：
使用 ClampingScrollPhysics，在列表快停止的时候，会感受到类似磁铁吸住的感觉。
使用 BouncingScrollPhysics，列表滚动开始时，速度衰减的更快；
在 90hz 机器上，早期 Flutter 列表并不流畅，原因是部分机器上，触控采样率是 120hz，屏幕刷新率是 90hz，导致部分画面是 2 次触控事件，部分是 1 次触控事件，最后导致滚动 offset 发生跳变。在 Flutter 1.22 版本时，可以使用 resamplingEnabled 对触控事件进行重采样。
列表容器和FlutterDx组件优化
讲述了 Flutter 流畅度优化的挑战，现在来分享闲鱼如何优化流畅度，并沉淀进 PowerScrollView 和 Flutter Dynamic 组件。
▐ PowerScrollView 设计和性能优化
PowerScrollView 是闲鱼团队自研 Flutter 列表组件，在 Sliver 协议上有了更好的封装和补充：数据增删改方面，补充了局部刷新；布局方面，补充了瀑布流；事件方面，补充了卡片上屏、离屏、滚动事件；控制方面，补充了滚动到 index 的能力。
在性能方面，补充了瀑布流布局优化、局部刷新优化、卡片分帧优化和滑动曲线优化。
▐ PowerScrollView 瀑布流布局
PowerScrollView 瀑布流布局提供了纵向布局、横向布局、混排布局（横向卡片和普通卡片混排）。现在闲鱼大部分列表页面均采用 PowerScrollView 的瀑布流布局，如首页同城页、搜索结果页等。
▐ PowerScrollView 瀑布流布局优化
首先通过常规的缓存优化，缓存每个卡片左上角 x 值和属于哪一列。
相比 SliverGrid 卡片是并排进入列表区域，而瀑布流布局，我们需要定义 Page，卡片入场创建和离场销毁需要以 Page 为单位。优化前，Page 以屏幕可视区域为单位计算卡片，同时为了确定 Page 的起点 Y 值，一次布局需要计算 Page N 和 N+1 二页，所以参与布局计算的卡片量较多，性能变低。优化后，使用全部卡片高度平均值的近似值计算 Page，极大减少参与布局卡片的数量，同时 Page 离场销毁的卡片数量也变少。
经过列缓存和分页优化，使用闲鱼自研 benchmark 工具（后续介绍）对比瀑布流和 GridView，查看丢帧数和最差帧耗时，能发现性能表现基本一致。
▐ PowerScrollView 局部刷新优化
闲鱼产品期望用户浏览商品更流畅，不会被 loadmore 加载打断，所以列表在滚动过程中就需要触发 loadmore。Flutter SliverList 在 loadmore 补充卡片数据时，会对 List 控件标脏，而标脏后 SliverList build 会销毁全部卡片并重新创建，此刻性能数据能想象非常的差。PowerScrollView 提供了布局刷新优化：缓存屏幕上的全部卡片，不再重新创建，UI Thread 耗时从原来的 34ms 优化至 6ms（见左下图），右图查看 Timeline，视图构建的深度和复杂度均有明显优化。
▐ PowerScrollView 卡片分帧优化
左图2个卡片是闲鱼早期搜索结果页，当时还不是瀑布流。查看卡片创建时的 Timeline 图（补充了 Dx Widget 创建 和 PerformLayout 开销），可以发现一次卡片创建的复杂度极大，在普通中端机器上，UI Thread 耗时机已经超出 30ms，要优化至 16.6ms 以内，用常规的优化手段就很困难了。为此想象 2 个卡片能否拆解掉，各自使用 1 帧的时间去渲染。
直接看源码，基本思想是：对卡片 Widget 进行标记，在左边卡片真实创建的时候，右边卡片先 _buildPlaceholderCell 构建占位 Widget（空的 Container），并注册监听下一帧。在下一帧，右边卡片进行修改 needShowRealCell 为 true，并自我标脏，此后构建真实内容。
延迟构建卡片真实内容，是否会对显示内容产生影响？因为 Flutter 列表在可视区域上下还有 CacheExtends 区域，这部分区域用户不可见。为此在大部分场景下，用户并不会看到空白卡片的场景。
同样使用 Flutter BenchMark 工具进行性能测试，能看到卡片分帧前后 90分位，99分位帧耗时都有明显的降级，丢帧数也从 39 降低至 27
这里注意，监听下一帧的时候，需要 WidgetsBinding.instance.scheduleFrame() 触发 requestFrame。因为在列表首屏显示的时候，有可能因为没有下一帧的回调，导致延迟显示队列的任务没有执行，最终使得首屏内容显示不正确。
▐ 延迟分帧优化思路和使用建议
对比 Flutter 和 H5 设计比较接近：
dart 和 js 都是单线程模型，跨线程通信需要走序列化和反序列化；
Flutter Widget 和 H5 vDom 类似，都有一个 Diff 过程。
早期 FaceBook 在 React 优化时，提出了 Fiber 架构：基于 vDom tree 的父节点→子节点→兄弟节点→子节点的方式，将 vDom tree 转化为 fiber 数据结构（链式结构），进而实现 reconcile 阶段的可中断可恢复；基于 fiber 数据结构，控制部分 fiber 节点在下一帧继续操作。
基于 React Fiber 思路，我们提出了自己的延迟分帧优化，不只是左右卡片粒度，更进一步，将渲染内容拆解为当前帧任务、高优延迟任务和低优延迟任务，上屏优先级依次变低。其中当前帧任务，是左右 2 个空白 Container；高优延迟任务独占一帧，其中图片部分也使用 Container 占位；在闲鱼场景，我们把全部的 DX Image Widget 从卡片内拆解出来，作为低优延迟任务，并设置在一帧消费不超过 10 个。
通过将 1 帧显示任务拆解到 4 帧时间，高端机上最高 UI 耗时从 18ms 优化至 8ms。
说明1：不同业务场景下，高优任务和低优任务设置要有所不同 说明2：在低端机（如 vivo Y67）上快速列表滑动，分帧方案会让用户看到列表变白和内容上屏的过程
▐ Flutter-DynamicX组件优化-原理详解
在线编辑“类 Android Layout DSL”，编译生成二进制 dx 文件。端侧通过文件下载、加载和解析，生成 WidgetNode Tree，见右图。
之后结合后台下发的业务数据，通过递归遍历 WidgetNode Tree 动态生成 Widget Tree，最后显示上屏。
说明：Flutter DynamicX 参考阿里集团 DSL 规则实现
▐ Flutter-DynamicX组件优化-缓存优化
知道了原理，就容易发现上图红色框中的流程：二进制（模板）文件解析装载、数据绑定、Widget 动态创建都有一定的开销。为避免反复开销，我们对 DxWidgetNode 和 DxWidget 均进行了缓存，蓝色选中代码展示了 Widget 缓存。
▐ Flutter-DynamicX组件优化-独立 isolate 优化
此外，将上述逻辑放置到独立 isolate 中，最大限度的将开销降低至最低。经过线上技术灰度 AB 实验，平均卡顿坏帧比例从 2.21% 降低至 1.79%。
▐ Flutter-DynamicX组件优化-层级优化
Flutter DynamicX 提供了类 Android Layout DSL，为实现每个控件 padding、margin、corner 等属性，增加了 Decoration 层；为实现类 Android FrameLayout、LinearLayout 布局能力，增加了 DXContainerRender 层。每一层都有自己的清晰职责，代码层次清晰。但也因为增加 2 层导致 Widget Tree 层级变深，3棵树的 Diff 逻辑变得复杂，性能变低。为此，我们将 Decoration 层和 DXContainerRender 层进行了合并，查看中间 Timeline 图，可以发现优化后的燃焰图层级和复杂度都变低。经过线上技术灰度 AB 实验，平均卡顿坏帧比例从 2.11% 降低至 1.93%。
性能衡量和devtool扩展
讲述了优化手段，这里讲述我们的流畅度性能如何做衡量，以及工具的构建/扩展。
▐ 线下场景-flutter benchmark
检测 Flutter 每帧耗时，需要统计 UI Thread 和 Raster Thread 上的计算耗时。所以 Flutter 优化前后比较，使用 SchedulerBinding.instance.addTimingsCallback 获取每一帧的 UI Thread 和 Raster Thread 的耗时数据。
此外，流畅度性能数值受操作手势、滚动速度影响，所以基于人工操作的测量结果会存在误差。这里使用 WidgetController 控制列表控件 fling。
工具提供设置滚动速度、滚动次数、滚动之间的间隔时间等。滚动测试完成后，显示 UI 和 Raster Thread 丢帧数，50分位、90分位、99分位的帧耗时等数据，从多种维度给出了性能数据。
▐ 线下场景-基于录屏的流畅度检测
flutter benchmark 在 flutter 页面给出了多维度的测量数据，但有时候我们需要横向比较竞品 App，所以我们需要有工具横向比较不同技术栈的页面流畅度。闲鱼在 Android 端自研了基于录屏数据的流畅度检测。将手机界面想象成多个画面，通过向系统录屏服务 MediaProjection 注册获取 VirtualDisplay，间隔 16.6 ms读取其中的画面数据（字节数组），这里使用字节数组的 hash 值代表当前画面，当前后 2 次读取的 hash 值不变，则认为发生了卡顿。
为了保证流畅度检测工具 app自身不发生卡顿，这里读取的是压缩画面数据，低端机上压缩比例要更高
通过工具无侵入的检测，可以检测到一次滚动测试，平均 FPS 值（图中 57），帧分布均方差（7.28），1s 时间发生的大卡顿次数平均值（0.306），大卡顿累计时间（27.919）。中间数组展示帧分布情况：371 代表正常帧数量，6 代表 16.62ms 的小卡顿数量，1 代表 16.63ms 的卡顿数量。
这里大卡顿的定义是：大于 16.6*2 ms 的卡顿
▐ 线下场景-基于devtool的性能检测
此外，闲鱼线下场景也扩展了 devtool。在一次 Timeline 图扩展了每个阶段的耗时，大于 16.6ms 红色高亮显示，便捷了开发使用。
▐ 线下场景-Flutter高可用检测FPS实现原理
在线上场景，闲鱼自研了 Flutter 高可用。基本原理是基于2个事件：
ui.window.onBeginFrame 事件
engine 通知 Vysnc 信号到来，通知 UI Thread 开始准备下一帧画面构建
触发 SchedulerBinding.handleBeginFrame 回调
ui.window.onDrawFrame 事件
engine 通知 UI Thread 开始绘制下一帧画面
触发SchedulerBinding.handleDrawFrame 回调
这里我们在 handleBeginFrame 处理之前，记录一帧开始事件，在 handleDrawFrame 之后记录一帧的结束。这里每一帧都需要计算列表控件 offset 值，具体代码实现见右图。在整个累计超过 1s 时，执行一次计算，使用 offset 过滤掉没有发生滚动的场景，使用每一帧的时间计算 fps 值。
▐ 线上场景-FlutterBlockCanary线上卡顿堆栈检测
使用 Flutter 高可用计算得到线上 FPS 数值后，如何定位卡顿问题，需要收集堆栈信息。闲鱼使用自研的 FlutterBlockCanary 收集卡顿堆栈。基本原理是，在 C 层轮询发送信号，比如 5ms 一次，每次信号接收触发 dart UI Thread 堆栈采集，对得到的一系列堆栈进行聚合，连续多次相同堆栈就认为是发生了卡顿，这时这个堆栈就是我们想要的卡顿堆栈。
上图是 FlutterBlockCanary 采集的堆栈信息，中间 FrameFpsRecorder.getScrollOffset 就是发生卡顿的调用。
▐ 线上场景-FlutterBlockCanary检测过度渲染
此外，FlutterBlockCanary 也集成了过度渲染检测的能力。通过复写 WidgetsFlutterBinding 的 buildOwner 方法替换 BuildOwner 对象，进而重写 scheduleBuildFor 方法，实现拦截脏 element。基于脏 element 节点，提取出脏节点的深度、直接子节点的数量、全部子节点的数量。
基于全部子节点数量，在闲鱼详情页，我们定位到“快速提问视图”在滚动过程中，频繁被标脏和全部子节点数量过大。查看代码，定位该视图层级过高，通过将视图下沉到叶子节点，一次标脏 build 节点数量从 255 优化至 43。
Flutter 滑动曲线优化
前面讲述了卡顿优化手段和衡量工具和标准，主要还是围绕着 FPS。但从用户体感出发，我们发现 Flutter 也有很多可优化点。
▐ Flutter 列表滑动曲线和原生曲线
分别对比 offset/time 的滚动曲线，可以发现 Flutter BouncingScrollSimulation 和iOS 滚动曲线接近，ClampingScrollSimulation 和 RecyclerView 接近。查看 Flutter 源码注释，也确实是如此。
因为 BouncingScrollSimulation 具有回弹能力，所以很多下拉刷新和加载更多功能，都是基于 BouncingScrollSimulation 封装实现，这也就造成 Flutter 页面滑动时，体感和原生 Android 页面不一致的原因。
▐ Flutter 列表在快速滑动下的表现和优化
虽然 ClampingScrollSimulation 滑动曲线和 Android RecyclerView 接近，但在快速滑动场景下，可以发现 Flutter 列表滚动快停止的时候会像磁铁吸住一般，快速滑动一下停止。究其原因，可以看到滑动曲线快停止的瞬间，速度并不是下降，而会加快，最后到达终点，快速停止。基于源码公式，绘制曲线，可以发现，Flutter ClampingScrollSimulation 是通过公式拟合方式，去逼近 Android RecyclerView 曲线（BSpline）。在快速滑动的情况下，公式曲线的重点并不是 1 对应的值，而是右图虚线位置，速度会变快。
可以理解 Flutter 的公式拟合结果并不理想，为此近期也有 PR 提出使用 dart 实现了 RecyclerView 曲线。
▐ Flutter 列表在卡顿情况下的表现和优化
第一章提过相同 FPS 情况下，如 FPS 55，原生列表感受流畅，而 Flutter 列表的卡顿体感更明显。这里一个原因是原生列表通常有多线程操作，出现大卡顿的概率更低；另一个原因是，相同小卡顿的体感，Flutter 有明显的卡顿感，而原生列表几乎感受不出来。那这是为什么呢？
我们在构建卡片的时候，故意制造小卡顿，在前后对比 Flutter 列表和 RecyclerView，可以发现 RecyclerView offset 并不会发生跳变，而 Flutter 曲线有很多毛刺，因为 Flutter 滚动是基于 d/t 曲线计算，当发生卡顿的时候，△t 发生翻倍，offset 也发生跳变。也正是因为时间停顿和 Offset 跳变，让用户明显感受到 Flutter 列表在小卡顿的不流畅感。
通过修改 y=d(t) 公式，在卡顿情况下，将△t-16.6ms，保证小卡顿情况下，offset 不发生跳变。而在大卡顿情况下，就没有必要将 △t 重置为 16.6ms 了，因为在停顿时长上，已经明显让用户给感受到卡顿了，offset 不发生跳变只会让列表滚动距离变短。
性能优化建议
最后分享一些性能优化的建议。
在优化时，我们更应该关注用户体感，而不是只看性能数值。右上图可见，即便 FPS 值一样，但 offset 发生跳变，体感就会有明显的不同；右下2个游戏录屏，左边平均 40 FPS，右边平均 30 FPS，但体感上却是右边的更顺畅。
不仅要关注 UI Thread 的性能，也要关注 Raster Thread 的开销，如视图圆角、save layer 等特性/操作，也可能导致卡顿
在工具方面，建议在不同场景下使用不同的工具。需要注意的是，工具检测的问题，是稳定复现问题还是数据抖动产生的偶现问题。此外，也要考虑工具自身的性能开销，工具自身的 CPU 占用和主线程占用都需要尽可能降低。
在优化思路方面，我们要扩宽方向，Flutter 大部分优化思路都是优化计算任务；而多线程方向也并不是不可以，参考前面 Flutter DynamicX 的独立 isolate 优化；此外，一帧时间难以消化的任务，是否有可能拆解到多个帧时间，尽量让每帧时间不发生卡顿，优先响应用户。
最后，推荐关注 Flutter 社区。Flutter 社区持续有各种优化合入，定期升级 Flutter 或维度自己的版本，cherry-pick 优化提交，都是不错的选择。
▐ 性能分析工具使用建议
Flutter 工具方面，首推的就是官方的 DevTools 工具，里面的 Timeline 和 CPU 燃焰图能很好的协助我们发现问题；此外，Flutter 也提供了丰富的 Debug Flags 协助我们定位问题，熟悉每一个 debug 开关作用，相信对我们日常研发也会有不小的帮助；除了官方工具，性能日志也是很好的辅助信息，如右下角所示，闲鱼 fish-redux 组件输出了滚动中的任务开销时长，能方便的看出那一时刻发生了卡顿。
▐ 性能分析工具自身开销
性能检测工具不可避免会有一定的开销，但一定要控制在可接受范围内，特别是线上使用。前面分享过 FlutterBlockCanary 检测工具的一个案例，发现了 FrameFpsRecorder.getScrollOffset 有耗时情况，而这处逻辑正好是 Flutter 高可用计算滚动 Offset。见右图的优化前源码，每一帧都需要递归遍历收集 RenderViewPortBase，是一个不小的开销。最后，我们通过缓存优化的方式，避免了滚动过程中的反复计算。
▐ 卡顿优化建议
参考官方文档和优秀的性能文章，在 UI 和 GPU 侧都沉淀了很多常规优化手段，如刷新最小 Widget，使用 itemExtent，推荐使用 Selector 和 Consumer 等，避免了不必要的 Diff 计算、布局计算等；如减少 saveLayer、使用图片替换半透明效果等减轻了 Raster 线程的开销。
因为篇幅原因，这里只列了一部分，更多的常见优化建议见官方文档。
▐ 使用最新 flutter engine
前面提过，Flutter 社区还在活跃，Framework 和 Engine 层持续的有优化 PR 合入，这些优化手段大部分可以让业务层无感知，并且从底层视角更好的优化性能。
这里举一个典型的优化方案：现有 Flutter 方案：在每次 VSync 信号到来时，触发 Build 操作，在 Build 结束时，开始注册下一个 VSync 回调。在没有发生卡顿的情况下，见图 Normal。但在发生卡顿的情况下，见图 Actual results，这里2 Build耗时刚刚超过了 16.6ms，由于是注册监听下一个 VSync 回调时触发下一次 Build，为此中间空余了大量的时间。明显，我们所期望的是，2 Build结束时，立即执行3 Build，假设3 Build执行的足够快，这个时候用户看到的画面还是流畅的。
如果团队允许，建议定期升级 Flutter 版本；或者维护自己的 Flutter 独立分支也是不错的选择，从社区 Cherry-Pick 优化提交，既能保证业务稳定也能享受社区贡献。总之，推荐大家关注社区。
总结
综上，分享了 Flutter 流畅度优化的挑战、监控工具、优化手段和建议。性能优化要以人为中心，从实际体感入手制定监控指标和优化点；流畅度优化并不是一蹴而就，以上分享也不是全部，还有很多优化手段可以关注：如何更好的复用 Element，如何避免 Platform Thread 繁忙导致 Vsync 信号缺失等都是可以关注的点，只有持续的技术热情和匠心精神才能把 App 性能优化到极致；技术团队也要和开源社区、其他团队/公司建立连接，他山之石，可以攻玉。
团队介绍
闲鱼技术客户端团队和 Google Flutter 团队密切合作，在端技术和跨端方案上持续深耕，为社区贡献多个高 star 的项目和大量 PR。闲鱼 APP 是中国最大的闲置交易平台，是阿里巴巴正在催生的第三个万亿级平台，拥有极大的创新空间和可能性。有意愿加入我们团队的，欢迎来撩，邮箱：[email protected]（发送邮件时，请把#替换成@）
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作者|云从
编辑|橙子君
出品|阿里巴巴新零售淘系技术
