Flutter 原理

一、简介

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。

二、组件渲染

1. 基本信息

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。下面有一张更为详尽的示意图来解释 Flutter 的绘制原理。

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，这些数据会在 GPU 线程进行图层合成，随后交给 Skia 引擎加工成 GPU 数据，而这些数据会通过 OpenGL 最终提供给 GPU 渲染。

在进一步学习 Flutter 之前，我们有必要了解下构建 Flutter 的关键技术，即 Skia 和 Dart。

2. Skia

要想了解 Flutter，你必须先了解它的底层图像渲染引擎 Skia。因为，Flutter 只关心如何向 GPU 提供视图数据，而 Skia 就是它向 GPU 提供视图数据的好帮手。

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。目前，Skia 已然是 Android 官方的图像渲染引擎了，因此 Flutter Android SDK 无需内嵌 Skia 引擎就可以获得天然的 Skia 支持。

而对于 iOS 平台来说，由于 Skia 是跨平台的，因此它作为 Flutter iOS 渲染引擎被嵌入到 Flutter 的 iOS SDK 中，替代了 iOS 闭源的 Core Graphics/Core Animation/Core Text，这也正是 Flutter iOS SDK 打包的 App 包体积比 Android 要大一些的原因。

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。

3. Dart

Dart 因为同时支持 AOT 和 JIT，所以具有运行速度快、执行性能好的特点外，Flutter 为什么选择了 Dart，而不是前端应用的准官方语言 JavaScript 呢？这个问题很有意思，但也很有争议。

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。

4. 渲染流程

在了解了 Flutter 的基本运作机制后，我们再来深入了解一下 Flutter 的实现原理。

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，线程设置，以及平台插件等平台相关特性的适配。从这里我们可以看到，Flutter 平台相关特性并不多，这就使得从框架层面保持跨端一致性的成本相对较低。
• Engine 层主要包含 Skia、Dart 和 Text，实现了 Flutter 的渲染引擎、文字排版、事件处理和 Dart 运行时等功能。Skia 和 Text 为上层接口提供了调用底层渲染和排版的能力，Dart 则为 Flutter 提供了运行时调用 Dart 和渲染引擎的能力。而 Engine 层的作用，则是将它们组合起来，从它们生成的数据中实现视图渲染。
• Framework 层则是一个用 Dart 实现的 UI SDK，包含了动画、图形绘制和手势识别等功能。为了在绘制控件等固定样式的图形时提供更直观、更方便的接口，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。我们在开发 Flutter 的时候，可以直接使用这些组件库。

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、合成和渲染。

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。

以下图为例：节点 1 在绘制完自身后，会再绘制节点 2，然后绘制它的子节点 3、4 和 5，最后绘制节点 6。

可以看到，由于一些其他原因（比如，视图手动合并）导致 2 的子节点 5 与它的兄弟节点 6 处于了同一层，这样会导致当节点 2 需要重绘的时候，与其无关的节点 6 也会被重绘，带来性能损耗。

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。