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技术干货 | Flutter在线编程实践总结

本文主要记录了如何一步步学习了解Flutter视图绘制原理,然后应用到性能监控和性能优化的实践

1.Flutter架构

ydtech

Flutter的架构主要分成三层:Framework,Engine,Embedder。

1.Framework使用dart实现,包括Material Design风格的Widget,Cupertino(针对iOS)风格的Widgets,文本/图片/按钮等基础Widgets,渲染,动画,手势等。此部分的核心代码是:flutter仓库下的flutter package,以及sky_engine仓库下的io,async,ui(dart:ui库提供了Flutter框架和引擎之间的接口)等package。

2.Engine使用C++实现,主要包括:Skia,Dart和Text。Skia是开源的二维图形库,提供了适用于多种软硬件平台的通用API。

3.Embedder是一个嵌入层,即把Flutter嵌入到各个平台上去,这里做的主要工作包括渲染Surface设置,线程设置,以及插件等。从这里可以看出,Flutter的平台相关层很低,平台(如iOS)只是提供一个画布,剩余的所有渲染相关的逻辑都在Flutter内部,这就使得它具有了很好的跨端一致性。

图1

2.Flutter视图绘制

ydtech

对于开发者来说,使用最多的还是framework,我就从Flutter的入口函数开始一步步往下走,分析一下Flutter视图绘制的原理。

在Flutter应用中,main()函数最简单的实现如下:

void main() {
  runApp(MyApp()); 
}

runApp方法调用了WidgetsFlutterBinding类ensureInitialized、attachRootWidget(app)、scheduleWarmUpFrame()三个方法,代码如下

// 参数app是一个widget,是Flutter应用启动后要展示的第一个Widget。
void runApp(Widget app) {
    WidgetsFlutterBinding.ensureInitialized()           
      ..scheduleAttachRootWidget(app)
      ..scheduleWarmUpFrame(); 
}

2.1**WidgetsFlutterBinding**

WidgetsFlutterBinding继承自BindingBase 并混入了很多Binding,查看这些 Binding的源码可以发现这些Binding中基本都是监听并处理Window对象(包含了当前设备和系统的一些信息以及Flutter Engine的一些回调)的一些事件,然后将这些事件按照Framework的模型包装、抽象然后分发。

WidgetsFlutterBinding正是粘连Flutter engine与上层Framework的“胶水”。

1.GestureBinding:

提供了window.onPointerDataPacket 回调,绑定Framework手势子系统,是Framework事件模型与底层事件的绑定入口。

2.ServicesBinding:

提供了window.onPlatformMessage 回调, 用于绑定平台消息通道(message channel),主要处理原生和Flutter通信。

3.SchedulerBinding:

提供了window.onBeginFrame和window.onDrawFrame回调,监听刷新事件,绑定Framework绘制调度子系统。

4. PaintingBinding:

绑定绘制库,主要用于处理图片缓存。

5. SemanticsBinding:

语义化层与Flutter engine的桥梁,主要是辅助功能的底层支持。

6.RendererBinding:

提供了window.onMetricsChanged 、window.onTextScaleFactorChanged 等回调。它是渲染树与Flutter engine的桥梁。

7.WidgetsBinding:

提供了window.onLocaleChanged、onBuildScheduled 等回调。它是Flutter widget层与engine的桥梁。

WidgetsFlutterBinding.ensureInitialized()负责初始化一个WidgetsBinding的全局单例,代码如下:

class WidgetsFlutterBinding extends BindingBase with GestureBinding, ServicesBinding, SchedulerBinding, PaintingBinding, SemanticsBinding, RendererBinding, WidgetsBinding {
  static WidgetsBinding ensureInitialized() {
    if (WidgetsBinding.instance == null)
      WidgetsFlutterBinding();
    return WidgetsBinding.instance;
  }
}

看到这个混入(with)很多的,下面先看父类:BindingBase

abstract class BindingBase {
   ...
  ui.SingletonFlutterWindow get window => ui.window;//获取window实例
  @protected
  @mustCallSuper
  void initInstances() {
    assert(!_debugInitialized);
    assert(() {
      _debugInitialized = true;
      return true;
    }());
  }
}

看到有句代码Window get window => ui.window链接宿主操作系统的接口,也就是Flutter framework 链接宿主操作系统的接口。系统中有一个Window实例,可以从window属性来获取,看看源码:

// window的类型是一个FlutterView,FlutterView里面有一个PlatformDispatcher属性
ui.SingletonFlutterWindow get window => ui.window;
// 初始化时把PlatformDispatcher.instance传入,完成初始化
ui.window = SingletonFlutterWindow._(0, PlatformDispatcher.instance);
// SingletonFlutterWindow的类结构
class SingletonFlutterWindow extends FlutterWindow {
  ...
  // 实际上是给platformDispatcher.onBeginFrame赋值
  FrameCallback? get onBeginFrame => platformDispatcher.onBeginFrame;
  set onBeginFrame(FrameCallback? callback) {
    platformDispatcher.onBeginFrame = callback;
  }

  VoidCallback? get onDrawFrame => platformDispatcher.onDrawFrame;
  set onDrawFrame(VoidCallback? callback) {
    platformDispatcher.onDrawFrame = callback;
  }

  // window.scheduleFrame实际上是调用platformDispatcher.scheduleFrame()
  void scheduleFrame() => platformDispatcher.scheduleFrame();
  ...
}
class FlutterWindow extends FlutterView {
  FlutterWindow._(this._windowId, this.platformDispatcher);
  final Object _windowId;
  // PD
  @override
  final PlatformDispatcher platformDispatcher;
  @override
  ViewConfiguration get viewConfiguration {
    return platformDispatcher._viewConfigurations[_windowId]!;
  }
}

2.2**scheduleAttachRootWidget**

scheduleAttachRootWidget紧接着会调用WidgetsBinding的attachRootWidget方法,该方法负责将根Widget添加到RenderView上,代码如下:

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

renderView变量是一个RenderObject,它是渲染树的根。renderViewElement变量是renderView对应的Element对象。可见该方法主要完成了根widget到根 RenderObject再到根Element的整个关联过程。

RenderView get renderView => _pipelineOwner.rootNode! as RenderView;

renderView是RendererBinding中拿到PipelineOwner.rootNode,PipelineOwner在 Rendering Pipeline 中起到重要作用:

随着 UI 的变化而不断收集『 Dirty Render Objects 』随之驱动 Rendering Pipeline 刷新 UI。

简单讲,PipelineOwner是『RenderObject Tree』与『RendererBinding』间的桥梁。

最终调用attachRootWidget,执行会调用RenderObjectToWidgetAdapter的attachToRenderTree方法,该方法负责创建根element,即RenderObjectToWidgetElement,并且将element与widget 进行关联,即创建出 widget树对应的element树。如果element 已经创建过了,则将根element 中关联的widget 设为新的,由此可以看出element 只会创建一次,后面会进行复用。BuildOwner是widget framework的管理类,它跟踪哪些widget需要重新构建。代码如下:

RenderObjectToWidgetElement<T> attachToRenderTree(BuildOwner owner, [RenderObjectToWidgetElement<T> element]) {
  if (element == null) {
    owner.lockState(() {
      element = createElement();
      assert(element != null);
      element.assignOwner(owner);
    });
    owner.buildScope(element, () {
      element.mount(null, null);
    });
  } else {
    element._newWidget = this;
    element.markNeedsBuild();
  }
  return element;
}

2.3**scheduleWarmUpFrame**

runApp的实现中,当调用完attachRootWidget后,最后一行会调用 WidgetsFlutterBinding 实例的 scheduleWarmUpFrame() 方法,该方法的实现在SchedulerBinding 中,它被调用后会立即进行一次绘制(而不是等待"vsync" 信号),在此次绘制结束前,该方法会锁定事件分发,也就是说在本次绘制结束完成之前Flutter将不会响应各种事件,这可以保证在绘制过程中不会再触发新的重绘。

下面是scheduleWarmUpFrame() 方法的部分实现(省略了无关代码):

void scheduleWarmUpFrame() {
  ...
  Timer.run(() {
    handleBeginFrame(null); 
  });
  Timer.run(() {
    handleDrawFrame();  
    resetEpoch();
  });
  // 锁定事件
  lockEvents(() async {
    await endOfFrame;
    Timeline.finishSync();
  });
 ...
}

该方法中主要调用了handleBeginFrame() 和 handleDrawFrame() 两个方法。

查看handleBeginFrame() 和 handleDrawFrame() 两个方法的源码,可以发现前者主要是执行了transientCallbacks队列,而后者执行了 persistentCallbacks 和 postFrameCallbacks 队列。

  1. transientCallbacks:用于存放一些临时回调,一般存放动画回调。可以通过SchedulerBinding.instance.scheduleFrameCallback 添加回调。2. persistentCallbacks:用于存放一些持久的回调,不能在此类回调中再请求新的绘制帧,持久回调一经注册则不能移除。 SchedulerBinding.instance.addPersitentFrameCallback(),这个回调中处理了布局与绘制工作。

3. postFrameCallbacks:在Frame结束时只会被调用一次,调用后会被系统移除,可由 SchedulerBinding.instance.addPostFrameCallback() 注册。

注意,不要在此类回调中再触发新的Frame,这可以会导致循环。

真正的渲染和绘制逻辑在RendererBinding中实现,查看其源码,发现在其initInstances()方法中有如下代码:

void initInstances() {
  ... // 省略无关代码
  addPersistentFrameCallback(_handlePersistentFrameCallback);
}
void _handlePersistentFrameCallback(Duration timeStamp) {
  drawFrame();
}
void drawFrame() {
  assert(renderView != null);
  pipelineOwner.flushLayout(); // 布局
  pipelineOwner.flushCompositingBits(); //重绘之前的预处理操作,检查RenderObject是否需要重绘
  pipelineOwner.flushPaint(); // 重绘
  renderView.compositeFrame(); // 将需要绘制的比特数据发给GPU
  pipelineOwner.flushSemantics(); // this also sends the semantics to the OS.
}

需要注意的是:由于RendererBinding只是一个mixin,而with它的是WidgetsBinding,所以需要看看WidgetsBinding中是否重写该方法,查看WidgetsBinding的drawFrame()方法源码:

@override
void drawFrame() {
 ...//省略无关代码
  try {
    if (renderViewElement != null)
      buildOwner.buildScope(renderViewElement); 
    super.drawFrame(); //调用RendererBinding的drawFrame()方法
    buildOwner.finalizeTree();
  } 
}

在调用RendererBinding.drawFrame()方法前会调用 buildOwner.buildScope() (非首次绘制),该方法会将被标记为“dirty” 的 element 进行 rebuild()

我们再来看WidgetsBinding,在initInstances()方法中创建BuildOwner对象,然后执行buildOwner!.onBuildScheduled = _handleBuildScheduled;,这里将_handleBuildScheduled赋值给了buildOwnder的onBuildScheduled属性。

BuildOwner对象,它负责跟踪哪些widgets需要重新构建,并处理应用于widgets树的其他任务,其内部维护了一个_dirtyElements列表,用以保存被标“脏”的elements。

每一个element被新建时,其BuildOwner就被确定了。一个页面只有一个buildOwner对象,负责管理该页面所有的element。

// WidgetsBinding
void initInstances() {
  ...
  buildOwner!.onBuildScheduled = _handleBuildScheduled;
  ...
  }());
}

当调用buildOwner.onBuildScheduled()时,便会走下面的流程。

// WidgetsBinding类
void _handleBuildScheduled() {
  ensureVisualUpdate();
}
// SchedulerBinding类
void ensureVisualUpdate() {
    switch (schedulerPhase) {
      case SchedulerPhase.idle:
      case SchedulerPhase.postFrameCallbacks:
        scheduleFrame();
        return;
      case SchedulerPhase.transientCallbacks:
      case SchedulerPhase.midFrameMicrotasks:
      case SchedulerPhase.persistentCallbacks:
        return;
    }
  }

当schedulerPhase处于idle状态,会调用scheduleFrame,然后经过window.scheduleFrame()中的performDispatcher.scheduleFrame()去注册一个VSync监听。

void scheduleFrame() {
    ...

    window.scheduleFrame();
    ...
  }

2.4**小结**

Flutter从启动到显示图像在屏幕主要经过:首先监听处理window对象的事件,将这些事件处理包装为Framework模型进行分发,通过widget创建element树,接着通过scheduleWarmUpFrame进行渲染,接着通过Rendererbinding进行布局,绘制,最后通过调用ui.window.render(scene)Scene信息发给Flutter engine,Flutter engine最后调用渲染API把图像画在屏幕上。

我大致整理了一下Flutter视图绘制的时序图,如下

图 2

3.Flutter性能监控

ydtech

在对视图绘制有一定的了解后后,思考一个问题,怎么在视图绘制的过程中去把控性能,优化性能,我们先来看一下Flutter官方提供给我们的两个性能监控工具。

3.1**Dart VM Service**

1.observatory

observatory: 在engine/shell/testings/observatory可以找到它的具体实现,它开启了一个ServiceClient,用于获取dartvm运行状态.flutter app启动的时候会生成一个当前的observatory服务器的地址

flutter: socket connected in service Dart VM Service Protocol v3.44 listening on http://127.0.0.1:59378/8x9XRQIBhkU=/

图 3

比方说选择了timeline后,可以进行性能分析,如图

图 4

2.devTools

devTools也提供了一些基本的检测,具体的细节没有<span style="font-size: 14px;">Observatory提供的完善. 可视性比较强。可以通过下面命令安装:flutter pub global activate devtools安装完成后通过devtools命令打开,输入DartVM地址 图 5

打开后的页面

图 6

devtools中的timeline就是performance,我们选择之后页面如下,操作体验上好了很多

图 7

observatory与devtools都是通过vm_service实现的,网上使用指南比较多,这边就不多赘述了,我这边主要介绍一下Dart VM Service (后面 简称 )vm_service,是 Dart 虚拟机内部提供的一套 Web 服务,数据传输协议是 JSON-RPC 2.0。

不过我们并不需要要自己去实现数据请求解析,官方已经写好了一个可用的 Dart SDK 给我们用:vm_service。vm_service 在启动的时候会在本地开启一个 WebSocket 服务,服务 URI 可以在对应的平台中获得:

1)Android 在 <span style="font-size: 14px;">FlutterJNI.getObservatoryUri() 中;

2)iOS 在 FlutterEngine.observatoryUrl 中。

有了 URI 之后我们就可以使用 的服务了,官方有一个帮我们写好的SDK: vm_service

 Future<void> connect() async {
    ServiceProtocolInfo info = await Service.getInfo();
    if (info.serverUri == null) {
      print("service  protocol url is null,start vm service fail");
      return;
    }
    service = await getService(info);
    print('socket connected in service $info');
    vm = await service?.getVM();
    List<IsolateRef>? isolates = vm?.isolates;
    main = isolates?.firstWhere((ref) => ref.name?.contains('main') == true);
    main ??= isolates?.first;
    connected = true;
  }

  Future<VmService> getService(info) async {
    Uri uri = convertToWebSocketUrl(serviceProtocolUrl: info.serverUri);
    return await vmServiceConnectUri(uri.toString(), log: StdoutLog());
  }

‍获取frameworkVersion,调用一个VmService实例的callExtensionService,传入'flutterVersion',就能拿到当前的flutter framework和engine信息

 Future<Response?> callExtensionService(String method) async {
    if (_extensionService == null && service != null && main != null) {
      _extensionService = ExtensionService(service!, main!);
      await _extensionService?.loadExtensionService();
    }
    return _extensionService!.callMethod(method);
  }

图 8

获取内存信息,调用一个VmService实例的getMemoryUsage,就能拿到当前的内存信息

Future<MemoryUsage> getMemoryUsage(String isolateId) =>
      _call('getMemoryUsage', {'isolateId': isolateId});

图 9

获取 Flutter APP 的 FPS,官方提供了好几个办法来让我们在开发 Flutter app 的过程中可以使用查看 fps等性能数据,如devtools,具体见文档 Debugging Flutter apps 、Flutter performance profiling 等。

// 需监听fps时注册
void start() {
  SchedulerBinding.instance.addTimingsCallback(_onReportTimings);
}
// 不需监听时移除
void stop() {
  SchedulerBinding.instance.removeTimingsCallback(_onReportTimings);
}
void _onReportTimings(List<FrameTiming> timings) {
  // TODO
}

3.2**崩溃日志捕获上报**

flutter 的崩溃日志收集主要有两个方面:

1)flutter dart 代码的异常(包含app和framework代码两种情况,一般不会引起闪退,你猜为什么)

2)flutter engine 的崩溃日志(一般会闪退)

Dart 有一个 Zone 的概念,有点类似sandbox的意思。不同的 Zone 代码上下文是不同的互不影响,Zone 还可以创建新的子Zone。Zone 可以重新定义自己的printtimersmicrotasks还有最关键的how uncaught errors are handled 未捕获异常的处理

runZoned(() {
    Future.error("asynchronous error");
}, onError: (dynamic e, StackTrace stack) {
    reportError(e, stack);
});

1.Flutter framework 异常捕获

注册 FlutterError.onError 回调,用于收集 Flutter framework 外抛的异常。

runZoned(() {
    Future.error("asynchronous error");
}, onError: (dynamic e, StackTrace stack) {
    reportError(e, stack);
});

2.Flutter engine 异常捕获

flutter engine 部分的异常,以Android 为例,主要为 libfutter.so发生的错误。

这部份可以直接交给native崩溃收集sdk来处理,比如 firebase crashlytics、 bugly、xCrash 等等

我们需要将 dart 异常及堆栈通过 MethodChannel传递给 bugly sdk 即可。

收集到异常之后,需要查符号表(symbols)还原堆栈。

首先需要确认该 flutter engine 所属版本号,在命令行执行:

flutter --version

输出如下:

Flutter 2.2.3 • channel stable • https://github.com/flutter/flutter.git
Framework • revision f4abaa0735 (4 months ago) • 2021-07-01 12:46:11 -0700
Engine • revision 241c87ad80
Tools • Dart 2.13.4

可以看到 Engine 的 revision 为 241c87ad80。

其次,在 flutter infra 上找到对应cpu abi 的 symbols.zip 并下载,解压后,可以得到带有符号信息的 debug so 文件—— libflutter.so,然后按照平台文档上传进行堆栈还原就可以了,如bugly平台就提供了上传工具

java -jar buglySymbolAndroid.jar -i xxx

4.Flutter性能优化

ydtech

在业务开发中我们要学会用devtools来检测工程性能,这样有助于我们实现健壮性更强的应用,在排查过程中,我发现视频详情页存在渲染耗时的问题,如图

图 10

4.1 build耗时优化

VideoControls控件的build耗时是28.6ms,如图

图 11

所以这里我们的优化方案是提高build效率,降低Widget tree遍历的出发点,将setState刷新数据尽量下发到底层节点,所以将VideoControl内触发刷新的子组件抽取成独立的Widget,setState下发到抽取出的Widget内部

优化后为11.0ms,整体的平均帧率也达到了了60fps,如图

图 12

4.2 paint耗时优化

接下来分析下paint过程有没有可以优化的部分,我们打开debugProfilePaintsEnabled变量分析可以看到Timeline显示的paint层级,如图

图 13

我们发现频繁更新的_buildPositionTitle和其他Widget在同一个layer中,这里我们想到的优化点是利用RepaintBoundary提高paint效率,它为经常发生显示变化的内容提供一个新的隔离layer,新的layer paint不会影响到其他layer

看下优化后的效果,如图

图 14

4.3 小结

在Flutter开发过程中,我们用devtools工具排查定位页面渲染问题时,主要有两点:

1.提高build效率,setState刷新数据尽量下发到底层节点。

2.提高paint效率,RepaintBoundry创建单独layer减少重绘区域。

当然 Flutter 中性能调优远不止这一种情况,build / layout / paint 每一个过程其实都有很多能够优化的细节。

5.回顾

ydtech

5.1 回顾

这篇文章主要从三个维度来介绍Flutter这门技术,分别为:

1.绘制原理讲解,我们review了一下源码,发现整个渲染过程就是一个闭环,Framework,Engine,Embedder各司其职,简单来说就是Embedder不断拿回Vsync信号,Framework将dart代码交给Engine翻译成跨平台代码,再通过Embedder回调宿主平台;

2.性能监控就是不断得在这个循环中去插入我们的哨兵,观察整个生态,获取异常数据上报;

3.性能优化通过一次项目实践,学习怎么用工具提升我们定位问题的效率。

5.2 优缺点

优点:

我们可以看到Flutter在视图绘制过程中形成了闭环,双端基本保持了一致性,所以我们的开发效率得到了极大的提升,性能监控和性能优化也比较方便。

缺点:

1)声明式开发 动态操作视图节点不是很友好,不能像原生那样命令式编程,或者像前端获取dom节点那般容易;

2)实现动态化机制,目前没有比较好的开源技术可以去借鉴。

- END -


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