Flutter视图原理之三棵树的建立过程

三棵树的关系

Flutter 中存在 Widget 、 Element 、RenderObject 三棵树，其中 Widget与 Element 是一对多的关系 ，Element 与 RenderObject 是一一对应的关系。

Element 中持有Widget 和 RenderObject ， 而 Element 与 RenderObject 是一一对应的关系（除去 Element 不存在 RenderObject 的情况，如 ComponentElement是不具备 RenderObject)，当 RenderObject 的 isRepaintBoundary 为 true 时，那么个区域形成一个 Layer，所以不是每个 RenderObject 都具有 Layer 的，因为这受 isRepaintBoundary 的影响。

Flutter 中 Widget 不可变，每次保持在一帧，如果发生改变是通过 State 实现跨帧状态保存，而真实完成布局和绘制数组的是 RenderObject ， Element 充当两者的桥梁， State 就是保存在 Element 中。

一个可能的三棵树实例如下：

先看下widget继承关系：

对应的element继承关系:

通过上图可以看出，每个widget对应一个element类型，但是只有renderObjectElement类持有renderObject，只有renderObjectWidget才能创建render对象。因此flutter视图的三棵树结构，widget和element是一一对应的，但是renderObjectElement才对应一个render节点。

树的构建过程

flutter视图的入口是：

    runApp(const MyApp());
    
	class MyApp extends StatelessWidget {
	  const MyApp({super.key});
	
	  @override
	  Widget build(BuildContext context) {
	    return MaterialApp(
	      /....省略
	    );
	  }
	}

跟踪进入runApp函数：

void runApp(Widget app) {
	//1 
  final WidgetsBinding binding = WidgetsFlutterBinding.ensureInitialized();
  assert(binding.debugCheckZone('runApp'));
	//2
  binding
    ..scheduleAttachRootWidget(binding.wrapWithDefaultView(app))
    //3
    ..scheduleWarmUpFrame();
}

1. 第一步首先确认engine绑定flutter framework，是个阻塞过程
2. scheduleAttachRootWidget 将app组件添加到根视图树上
3. 向native平台层请求绘制一帧的信号

先看第二步：

  void attachRootWidget(Widget rootWidget) {
    final bool isBootstrapFrame = rootElement == null;
    _readyToProduceFrames = true;
    
    _rootElement = RenderObjectToWidgetAdapter<RenderBox>(
      container: renderView,
      debugShortDescription: '[root]',
      child: rootWidget,
    ).attachToRenderTree(buildOwner!, rootElement as RenderObjectToWidgetElement<RenderBox>?);
    
    if (isBootstrapFrame) {
      SchedulerBinding.instance.ensureVisualUpdate();
    }
  }

RenderObjectToWidgetAdapter有两个成员，child：孩子widget，container：提供render功能容器，将rootWidget作为的child元素，renderView作为container。重点是attachToRenderTree函数，

  RenderObjectToWidgetElement<T> attachToRenderTree(BuildOwner owner, [ RenderObjectToWidgetElement<T>? element ]) {
    if (element == null) {
       //。。。省略
      owner.buildScope(element!, () {
        element!.mount(null, null);
      });
    } else {
    	//。。。省略
    }
    return element!;
  }

第一次element为空，那么进入第一个判断，首先调用buildScope，内部会回调element!.mount方法，

void buildScope(Element context, [ VoidCallback? callback ]) {
    if (callback == null && _dirtyElements.isEmpty) {
      return;
    }
    try {
      _scheduledFlushDirtyElements = true;
    
	   callback();
    
      _dirtyElements.sort(Element._sort);
      _dirtyElementsNeedsResorting = false;
      int dirtyCount = _dirtyElements.length;
      int index = 0;
      while (index < dirtyCount) {
        final Element element = _dirtyElements[index];
        
    	element.rebuild();

        index += 1;
       	//。。。省略
      }
      return true;
      }());
    }
  }

首先回调callback，接着对脏元素集合调用rebuild方法。第一次肯定列表是空的，那么应该执行callback方法，也就进入了element.mount方法中，

  @override
  void mount(Element? parent, Object? newSlot) {
    assert(parent == null);
    super.mount(parent, newSlot);
    _rebuild();
    assert(_child != null);
  }

mount方法也是个关键函数，函数的注释：

将此元素添加到给定父级的给定插槽中的树中。
当新创建的元素添加到
树是第一次。使用此方法初始化状态
取决于有父母。独立于父级的状态可以
更容易在构造函数中初始化。
此方法将元素从“初始”生命周期状态转换为
“活动”生命周期状态。
重写此方法的子类可能也希望重写
[update]， [visitChildren]， [RenderObjectElement.insertRenderObjectChild]，
[RenderObjectElement.moveRenderObjectChild]，以及
[RenderObjectElement.removeRenderObjectChild]。
此方法的实现应从调用继承的
方法，如 ‘super.mount（parent， newSlot）’。

注：其中newSlot参数，是parent renderObject的插槽位置对象，parent的子renderObject组成一个顺序列表或者是单个节点，插槽的结构是列表中的索引位置和前一个插槽元素的对象，parent将插槽传递给child保存起来，child可以确认自己在parent的布局位置。

首先调用_rebuild()方法，

RenderObjectToWidgetElement类

void _rebuild() {
      _child = updateChild(_child, (widget as RenderObjectToWidgetAdapter<T>).child, _rootChildSlot);
}

Element类

Element? updateChild(Element? child, Widget? newWidget, Object? newSlot) {
	//。。。省略
    final Element newChild;
    if (child != null) {
      bool hasSameSuperclass = true;
      // When the type of a widget is changed between Stateful and Stateless via
      // hot reload, the element tree will end up in a partially invalid state.
      // That is, if the widget was a StatefulWidget and is now a StatelessWidget,
      // then the element tree currently contains a StatefulElement that is incorrectly
      // referencing a StatelessWidget (and likewise with StatelessElement).
      //
      // To avoid crashing due to type errors, we need to gently guide the invalid
      // element out of the tree. To do so, we ensure that the `hasSameSuperclass` condition
      // returns false which prevents us from trying to update the existing element
      // incorrectly.
      //
      // For the case where the widget becomes Stateful, we also need to avoid
      // accessing `StatelessElement.widget` as the cast on the getter will
      // cause a type error to be thrown. Here we avoid that by short-circuiting
      // the `Widget.canUpdate` check once `hasSameSuperclass` is false.
      	
      	//1
   		bool hasSameSuperclass = true;
   		
        final int oldElementClass = Element._debugConcreteSubtype(child);
        final int newWidgetClass = Widget._debugConcreteSubtype(newWidget);
        
        hasSameSuperclass = oldElementClass == newWidgetClass;
 
      if (hasSameSuperclass && child.widget == newWidget) {
        // We don't insert a timeline event here, because otherwise it's
        // confusing that widgets that "don't update" (because they didn't
        // change) get "charged" on the timeline.
        if (child.slot != newSlot) {
          updateSlotForChild(child, newSlot);
        }
        newChild = child;
      } else if (hasSameSuperclass && Widget.canUpdate(child.widget, newWidget)) {
        if (child.slot != newSlot) {
          updateSlotForChild(child, newSlot);
        }

        child.update(newWidget);

        newChild = child;
      } else {
        deactivateChild(child);
        // The [debugProfileBuildsEnabled] code for this branch is inside
        // [inflateWidget], since some [Element]s call [inflateWidget] directly
        // instead of going through [updateChild].
        newChild = inflateWidget(newWidget, newSlot);
      }
    } else {
      // The [debugProfileBuildsEnabled] code for this branch is inside
      // [inflateWidget], since some [Element]s call [inflateWidget] directly
      // instead of going through [updateChild].
      newChild = inflateWidget(newWidget, newSlot);
    }
    
    return newChild;
  }

1.updateChild函数（element的复用）

更新element对象分为下面几种情况：

• child不为空
  element的创建，首先判断旧的child element元素是否和新的widget元素class类型匹配，对应匹配关系如下：

element	widget	hasSameSuperclass
StatefulElement	StatefulWidget	Y
StatelessElement	StatelessWidget	Y

1. 如果匹配hasSameSuperclass，并且element.widget和新传递进来的newWidget对象相同，那么说明widget是复用的（我们知道widget是不可变的，每次都要新建widget，所以在使用const定义的widget的情况下，widget使用的常量对象，符合这个判断），对child做slot更新，newChild更新为child。
2. 如果匹配hasSameSuperclass，并且widget.canUpdate判断成立，这个判断判断element对应的widget和newWidget对应的class类型和key是否相同（这种情况下，如果给widget定义了globalKey，并且参数使用const定义的话，那么判断是可以成立的），对child做slot更新，调用child.update(newWidget)，newChild更新为child。
   2.1 child.update方法，首先更新element的widget，然后根据子类的覆写实现，statelessElement的实现是直接调用element的rebuild方法，statefullElement实现是更新state的widget并且回调didUpdateWidget钩子函数，然后调用rebuild方法

  static bool canUpdate(Widget oldWidget, Widget newWidget) {
    return oldWidget.runtimeType == newWidget.runtimeType
        && oldWidget.key == newWidget.key;
  }

3. 如果旧的element无法更新的话，需要解除绑定关系，将旧的element回收，用于后面的视图build复用；然后inflateWidget根据newWidget新建一个element。

  @protected
  void deactivateChild(Element child) {
    assert(child._parent == this);
    child._parent = null;
    child.detachRenderObject();
    owner!._inactiveElements.add(child); // this eventually calls child.deactivate()
  }

• child为空

1. inflateWidget根据newWidget新建一个element

2.inflateWidget函数

Element inflateWidget(Widget newWidget, Object? newSlot) {
	//。。。s省略
    try {
      final Key? key = newWidget.key;
      
      if (key is GlobalKey) {
        final Element? newChild = _retakeInactiveElement(key, newWidget);
        
        if (newChild != null) {
  		  newChild._parent == null
  		  
          newChild._activateWithParent(this, newSlot);
          
          final Element? updatedChild = updateChild(newChild, newWidget, newSlot);
       
          return updatedChild!;
        }
      }
      
      final Element newChild = newWidget.createElement();
 
      newChild.mount(this, newSlot);

      return newChild;
    }
  }

1. 首先判断newWidget是否拥有globalKey，如果有的话尝试从复用池中获取拥有相同key的element元素，然后对该元素进行updateChild操作，这样又回到上面的起点了，这样看起来element更新是深度递归的。
2. 如果没有key，那么直接创建一个新的element，然后element进行mount挂载操作，也就是将element加入到这个element树中。

3.mount函数

重点看看mount函数：

  void mount(Element? parent, Object? newSlot) {
    assert(_lifecycleState == _ElementLifecycle.initial);
    assert(_parent == null);
    assert(parent == null || parent._lifecycleState == _ElementLifecycle.active);
    assert(slot == null);
    _parent = parent;
    _slot = newSlot;
    _lifecycleState = _ElementLifecycle.active;
    _depth = _parent != null ? _parent!.depth + 1 : 1;
    if (parent != null) {
      // Only assign ownership if the parent is non-null. If parent is null
      // (the root node), the owner should have already been assigned.
      // See RootRenderObjectElement.assignOwner().
      _owner = parent.owner;
    }
    assert(owner != null);
    final Key? key = widget.key;
    if (key is GlobalKey) {
      owner!._registerGlobalKey(key, this);
    }
    _updateInheritance();
    attachNotificationTree();
  }

1. 首先对该widget进行参数判断，因为是新的widget，所以依赖关系都是空的，这里需要进行parent关联操作，生命周期设置，树的深度设置，owner是和parent使用的同一个，注册全局key。
2. _updateInheritance，保存来自parent的_inheritedElements对象，这个对象集合里面包含着这棵树所有的inheritedElement（如果自己也是inheritedElement，也要将自己加入集合），这个类型的element具有从上下文继承数据的功能，可以根据类型读取数据，对应类型数据改变，可以通知所有依赖这个数据的inheritedElement去更新视图。
3. attachNotificationTree，保存parent的_notificationTree集合，如果自己是NotifiableElementMixin类型，会将自己加入到parent._notificationTree集合中，这个集合是接受通知集合，一般的widget也不需要这个功能（不去深究）。

注： 从上面代码分析可知，mount是element从initial -> active的时间点。

mount是element基本接口，子类会对其进行复写，并且super调用

3.1 componentElement的实现

componentElement类，是负责组合子element的作用的，相当于Android View视图中的viewGroup，但是它也没有绘制功能，仅仅是负责排列组合子element。

component Element的复写：

  void mount(Element? parent, Object? newSlot) {
    super.mount(parent, newSlot);
 	firstBuild();
  }

  void _firstBuild() {
    rebuild(); // This eventually calls performRebuild.
  }
  
  void rebuild({bool force = false}) {、
  	//。。。省略
    if (_lifecycleState != _ElementLifecycle.active || (!_dirty && !force)) {
      return;
    }
    //。。。省略
    try {
      performRebuild();
    }
  }

会进行一次rebuild操作，内部直接调用的performRebuild()。

3.2 RenderObjectElement的实现

RenderObjectElement类，是起绘制作用的element，相当于Android View视图中的view，视图的正真的绘制操作都在里面实现。

RenderObjectElement复写：

  void mount(Element? parent, Object? newSlot) {
    super.mount(parent, newSlot);
    
    _renderObject = (widget as RenderObjectWidget).createRenderObject(this);
    
    attachRenderObject(newSlot);
    
    super.performRebuild(); // clears the "dirty" flag
  }

• 由RenderObjectWidget创建RenderObject，这个RenderObject是正真实现绘制功能的类。
• attachRenderObject函数，主要是将parent.newSlot传递给自己，然后和parent建立关联，这个关联主要是renderTree的关联。

3.2.1 attachRenderObject函数

  void attachRenderObject(Object? newSlot) {
    assert(_ancestorRenderObjectElement == null);
    _slot = newSlot;
    _ancestorRenderObjectElement = _findAncestorRenderObjectElement();
    _ancestorRenderObjectElement?.insertRenderObjectChild(renderObject, newSlot);
    final ParentDataElement<ParentData>? parentDataElement = _findAncestorParentDataElement();
    if (parentDataElement != null) {
      _updateParentData(parentDataElement.widget as ParentDataWidget<ParentData>);
    }
  }

• _ancestorRenderObjectElement，

  RenderObjectElement? _findAncestorRenderObjectElement() {
    Element? ancestor = _parent;
    while (ancestor != null && ancestor is! RenderObjectElement) {
      ancestor = ancestor._parent;
    }
    return ancestor as RenderObjectElement?;
  }

向上递归获取第一个RenderObjectElement类型的祖先，然后将当前子renderObject插入到这个祖先RenderObjectElement的孩子中或者孩子队列中。

可以看出也不是所有的element都是RenderObjectElement类型的，componentElement以及它的子类就不是，那么就会被跳过继续向上递归。
进而也就有了文章开头的那三棵树的关系，widget和element是一对一关系的，build过程中，element创建一定需要widget去配置或者更新，renderObject的创建只有RenderObjectWidget才有这个接口功能，因此像componentElement类型的就没有renderObject。

SingleChildRenderObjectElement类的实现，这个类只包含一个单独的renderObject，直接赋值子child，：

  void insertRenderObjectChild(RenderObject child, Object? slot) {
    final RenderObjectWithChildMixin<RenderObject> renderObject = this.renderObject as RenderObjectWithChildMixin<RenderObject>;
    assert(slot == null);
    assert(renderObject.debugValidateChild(child));
    renderObject.child = child;
    assert(renderObject == this.renderObject);
  }

MultiChildRenderObjectElement类的实现，这个类包含多个renderObject，按照自己定义的排列规则排列子renderObject，将child插入到子child队列中对应的位置，上面说了slot已经将child的位置定下来了，可以根据slot的位置，将child插入到指定位置。

  void insertRenderObjectChild(RenderObject child, IndexedSlot<Element?> slot) {
    final ContainerRenderObjectMixin<RenderObject, ContainerParentDataMixin<RenderObject>> renderObject = this.renderObject;
    assert(renderObject.debugValidateChild(child));
    renderObject.insert(child, after: slot.value?.renderObject);
    assert(renderObject == this.renderObject);
  }
  
  void insert(ChildType child, { ChildType? after }) {
    adoptChild(child);
    _insertIntoChildList(child, after: after);
  }

  void adoptChild(RenderObject child) {
    setupParentData(child);
    markNeedsLayout();
    markNeedsCompositingBitsUpdate();
    markNeedsSemanticsUpdate();
    child._parent = this;
    if (attached) {
      child.attach(_owner!);
    }
    redepthChild(child);
  }

adoptChild函数所作的事情是，绑定parentData数据，child根据parent的布局数据layout的时候有用，接下来就是标记parent需要重新layout，child和parent进行关联。

void _insertIntoChildList(ChildType child, { ChildType? after }) {
    final ParentDataType childParentData = child.parentData! as ParentDataType;

    _childCount += 1;
    assert(_childCount > 0);
    if (after == null) {
      // insert at the start (_firstChild)
      childParentData.nextSibling = _firstChild;
      if (_firstChild != null) {
        final ParentDataType firstChildParentData = _firstChild!.parentData! as ParentDataType;
        firstChildParentData.previousSibling = child;
      }
      _firstChild = child;
      _lastChild ??= child;
    } else {
      final ParentDataType afterParentData = after.parentData! as ParentDataType;
      if (afterParentData.nextSibling == null) {
        // insert at the end (_lastChild); we'll end up with two or more children
        assert(after == _lastChild);
        childParentData.previousSibling = after;
        afterParentData.nextSibling = child;
        _lastChild = child;
      } else {
        // insert in the middle; we'll end up with three or more children
        // set up links from child to siblings
        childParentData.nextSibling = afterParentData.nextSibling;
        childParentData.previousSibling = after;
        // set up links from siblings to child
        final ParentDataType childPreviousSiblingParentData = childParentData.previousSibling!.parentData! as ParentDataType;
        final ParentDataType childNextSiblingParentData = childParentData.nextSibling!.parentData! as ParentDataType;
        childPreviousSiblingParentData.nextSibling = child;
        childNextSiblingParentData.previousSibling = child;
        assert(afterParentData.nextSibling == child);
      }
    }
  }

插入操作，以下几种情况：

1. 前驱为空，那么当前插入的child是队列的第一个元素，直接插入；
2. 前驱不为空，如果前驱的next指针为空，那么前驱是尾部元素，child插入到尾部；
3. 前驱不为空，并且前驱在队列中间，那么将child插入到前驱的后面。

• parentDataElement

  ParentDataElement<ParentData>? _findAncestorParentDataElement() {
    Element? ancestor = _parent;
    ParentDataElement<ParentData>? result;
    while (ancestor != null && ancestor is! RenderObjectElement) {
      if (ancestor is ParentDataElement<ParentData>) {
        result = ancestor;
        break;
      }
      ancestor = ancestor._parent;
    }
  }

向上递归获取第一个parentDataElement类型的祖先，然后将当前子renderObject传递给祖先，祖先会验证自己的data和子child的data的数据是否一致，不一致会标记脏，下一帧会重新layout，否则不管。

  void _updateParentData(ParentDataWidget<ParentData> parentDataWidget) {
    if (applyParentData) {
      parentDataWidget.applyParentData(renderObject); 
    }
  }
  
   void applyParentData(RenderObject renderObject) {
   		//。。。s省略
   		if (needsLayout) {
  			markNeedsLayout();
  		}
  }

其中实现了ParentDataWidget的子类有：

这些布局也说明了一个问题，子child的布局属性变化，会导致parent布局重新layout，这样好像会影响性能。

4.performRebuild函数

performRebuild也是element的基本接口，

  void performRebuild() {
    _dirty = false;
  }

不同的子类也会有不同的实现，component Element的复写：

  void performRebuild() {
    Widget? built;
    try {
      built = build();
    }
    try {
      _child = updateChild(_child, built, slot);
    }
  }

  Widget build();

1. 调用build方法，构建出本element所需要的widget组件；widget的build函数由子类实现提供，componentElement的子类主要有StatelessElement，StatefulElement，ProxyElement三个，
   1.1 StatelessElement使用child的widget来构建，Widget build() => (widget as StatelessWidget).build(this);
   1.2 ProxyElement直接使用child Widget build() => (widget as ProxyWidget).child;
   1.3 StatefulElement使用state来创建 Widget build() => state.build(this);

2. 调用updateChild，用新构建出的widget去更新旧的child element元素，这个updateChild方法上面已经讲过，可以知道，如果element的子element还有child的话，一直递归调用updateChild函数，可以推测出，element树的构建也是深度递归进行的。

总结三棵树创建流程

上面梳理了整个树创建的过程，调用链：updateChild -> inflateWidget -> mount -> performRebuild -> （child -> updateChild递归调用）

假如有以下widget树：

return Container(
      decoration: BoxDecoration(
        borderRadius: BorderRadius.all(Radius.circular(8.0.r)),
        border: Border.all(color: CtrColor.lineRegular, width: 1),
      ),
      child: const Row(
        children: [
          Image(image: AssetImage("static/images/ic_net_error.png")),
          Text("data")
        ],
      )
    );

可以画出整个树创建的流程图：