Flutter 原理
Flutter 原理
Flutter作为Google推出的跨平台开发框架，其核心优势在于提供了一套完整的解决方案，包括底层渲染逻辑和上层开发语言。与React Native等其他跨平台方案不同，Flutter通过自定义渲染引擎Skia和Dart语言，实现了在Android和iOS平台上的高保真和高性能渲染。本文将深入解析Flutter的组件渲染机制、关键技术以及完整的渲染流程。
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已然成为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。