Flutter原理简介

Flutter 是怎么运转的？

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。

那么，Flutter 是怎么完成组件渲染的呢？这需要从图像显示的基本原理说起。

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。

图 1 Flutter 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。

Skia 是什么？

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。

为什么是 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。

Flutter 的原理

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。

首先，我们来看一下 Flutter 的架构图。我希望通过这张图以及对应的解读，你能在开始学习的时候就建立起对 Flutter 的整体印象，能够从框架设计和实现原理的高度去理解 Flutter 区别其他跨平台解决方案的关键所在，为后面的学习打好基础，而不是直接一上来就陷入语言和框架的功能细节“泥潭”而无法自拔。

图 2 Flutter 架构图

备注：此图引自Flutter System Overview

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。

接下来，我以界面渲染过程为例，和你介绍 Flutter 是如何工作的。

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。

图 3 Flutter 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。

图 4 Flutter 布局边界

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。

图 5 Flutter 绘制示例

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。

图 6 Flutter 重绘边界

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。这部分内容，我已经在前面的内容中介绍过，这里就不再赘述了。

接下来，我们再看看学习 Flutter，都需要学习哪些知识。