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Flutter渲染流程简析

作者:腾讯NOW直播 - levinyang(杨亦伟)

前言

Flutter是谷歌的移动UI框架,可以快速在iOS和Android上构建高质量的原生用户界面。 Flutter可以与现有的代码一起工作。在全世界,Flutter正在被越来越多的开发者和组织使用,并且Flutter是完全免费、开源的。本文主要讲述Flutter整个渲染流程,重点关注在渲染过程中Framework层,从setState到向Engine提交Layer整个过程是怎么样实现的,让读者更加深入理解Flutter的渲染过程。

渲染框架

Flutter的框架分为Framework和Engine两层,应用是基于Framework层开发的,Framework负责渲染中的Build,Layout,Paint,生成Layer等环节。Engine层是C++实现的渲染引擎,负责把Framework生成的Layer组合,生成纹理,然后通过Open GL接口向GPU提交渲染数据。

渲染过程

当需要更新UI的时候,Framework通知Engine,Engine会等到下个Vsync信号到达的时候,会通知Framework,然后Framework会进行animations, build,layout,compositing,paint,最后生成layer提交给Engine。Engine会把layer进行组合,生成纹理,最后通过Open Gl接口提交数据给GPU, GPU经过处理后在显示器上面显示。整个流程如下图:

从流程图可以看出来,只有当有UI更新的才需要重新渲染,当然程序启动的是默认去渲染的。

渲染触发

接下来我们先分析一下当有UI需要更新的时候,是怎么样触发渲染,从应用到Framework,再到Engine这个过程是怎么样的。在Flutter开发应用的时候,当需要更新的UI的时候,需要调用一下setState方法,然后就可以实现了UI的更新,我们接下来分析一下该方法做哪些事情。

void setState(VoidCallback fn) {
   ...
    _element.markNeedsBuild(); //通过相应的element来实现更新,关于element,widget,renderOjbect这里不展开讨论
  }
  
  void markNeedsBuild() {
   ...
    if (dirty)
      return;
    _dirty = true;
    owner.scheduleBuildFor(this);
  }
  
   void scheduleBuildFor(Element element) {
    ...
    if (!_scheduledFlushDirtyElements && onBuildScheduled != null) {
      _scheduledFlushDirtyElements = true;
      onBuildScheduled(); //这是一个callback,调用的方法是下面的_handleBuildScheduled
    }
    _dirtyElements.add(element); //把当前element添加到_dirtyElements数组里面,后面重新build会遍历这个数组
    element._inDirtyList = true;
    
  }
    void _handleBuildScheduled() {
    ...
    ensureVisualUpdate();
  }
    void ensureVisualUpdate() {
    switch (schedulerPhase) {
      case SchedulerPhase.idle:
      case SchedulerPhase.postFrameCallbacks:
        scheduleFrame();
        return;
      case SchedulerPhase.transientCallbacks:
      case SchedulerPhase.midFrameMicrotasks:
      case SchedulerPhase.persistentCallbacks:
        return;
    }
  }
    void scheduleFrame() {
    if (_hasScheduledFrame || !_framesEnabled)
      return;
    ...
    ui.window.scheduleFrame();
    _hasScheduledFrame = true;
  }
    void scheduleFrame() native 'Window_scheduleFrame';//这个方法是Engine实现的,把接口暴露给Framework,调用这个方法通知引擎,需要更新UI,引擎会在下一个vSync的到达的时候通知Framework
复制代码

渲染过程

当应用调用setState后,经过Framework一连串的调用后,最终调用scheduleFrame来通知Engine需要更新UI,Engine就会在下个vSync到达的时候通过调用_drawFrame来通知Framework,然后Framework就会通过BuildOwner进行Build和PipelineOwner进行Layout,Paint,最后把生成Layer,组合成Scene提交给Engine。接下来我们从代码中分析一下,这些环节具体是怎么样实现的。首先从Engine回调Framework的入口开始。

void _drawFrame() { //Engine回调Framework入口 
  _invoke(window.onDrawFrame, window._onDrawFrameZone);
}
  //初始化的时候把onDrawFrame设置为_handleDrawFrame
  void initInstances() {
    super.initInstances();
    _instance = this;
    ui.window.onBeginFrame = _handleBeginFrame;
    ui.window.onDrawFrame = _handleDrawFrame;
    SystemChannels.lifecycle.setMessageHandler(_handleLifecycleMessage);
  }
  
  void _handleDrawFrame() {
    if (_ignoreNextEngineDrawFrame) {
      _ignoreNextEngineDrawFrame = false;
      return;
    }
    handleDrawFrame();
  }
  void handleDrawFrame() {

   
      _schedulerPhase = SchedulerPhase.persistentCallbacks;//记录当前更新UI的状态
      for (FrameCallback callback in _persistentCallbacks)
        _invokeFrameCallback(callback, _currentFrameTimeStamp);
    }
  }
  void initInstances() {
    ....
    addPersistentFrameCallback(_handlePersistentFrameCallback);
  }
 void _handlePersistentFrameCallback(Duration timeStamp) {
    drawFrame();
  }
    void drawFrame() {
    ...
     if (renderViewElement != null)
        buildOwner.buildScope(renderViewElement); //先重新build widget
      super.drawFrame();
      buildOwner.finalizeTree();
      
  }
    void drawFrame() { //这个方法完成Layout,CompositingBits,Paint,生成Layer和提交给Engine的工作
    assert(renderView != null);
    pipelineOwner.flushLayout(); 
    pipelineOwner.flushCompositingBits();
    pipelineOwner.flushPaint();
    renderView.compositeFrame(); //生成Layer并提交给Engine
    pipelineOwner.flushSemantics(); 
  }
复制代码

从上面代码分析得知,从Engine回调,Framework会build,Layout,Paint,生成Layer等环节。接下来具体分析一下,这些环节是怎么实现的。

Build

在Flutter应用开发中,无状态的widget是通过StatelessWidget的build方法构建UI,有状态的widget是通过State的build方法构建UI。现在具体分析一下从setState调用后到调用自定义State的build的流程是怎样的(现在只分析有状态的widget渲染过程)。

//这是官方的demo
class _MyHomePageState extends State<MyHomePage> {
  int _counter = 0;

  void _incrementCounter() {
    setState(() {
      _counter++;
    });
  }

//这里就是构建UI,当调用setState后就会调用到这里,重新生成新的widget
  @override
  Widget build(BuildContext context) {
   
    return new Scaffold(
    ...
    );
  }
}

//从上面代码的分析到,在调用了setState后,最终会调用到buildScope来build
void buildScope(Element context, [VoidCallback callback]) {
    ...
      _dirtyElements.sort(Element._sort);
      _dirtyElementsNeedsResorting = false;
      int dirtyCount = _dirtyElements.length;
      int index = 0;
      while (index < dirtyCount) {
       ...
         _dirtyElements[index].rebuild();
        index += 1;
      }
      for (Element element in _dirtyElements) {
        assert(element._inDirtyList);
        element._inDirtyList = false;
      }
      _dirtyElements.clear();
  }
    void rebuild() {
   ...
    if (!_active || !_dirty)
      return;
    performRebuild();
   
  }
  void performRebuild() {
    ...
     built = build();
    ...
  }
   Widget build() => widget.build(this);
复制代码

从上面可以看出,buildScope会遍历_dirtyElements,对每个在数组里面的每个element调用rebuild,最终就是调用到相应的widget的build方法。 其实当setState的时候会把相应的element添加到_dirtyElements数组里,并且element标识dirty状态。

Layout

在Flutter中应用中,是使用支持layout的widget来实现布局的,支持layout的wiget有Container,Padding,Align等等,强大又简易。在渲染流程中,在widget build后会进入layout环节,下面具体分析一下layout的实现,layout入口是flushLayout。

void flushLayout() {
 ...
 while (_nodesNeedingLayout.isNotEmpty) {
    final List<RenderObject> dirtyNodes = _nodesNeedingLayout;
    _nodesNeedingLayout = <RenderObject>[];
    for (RenderObject node in dirtyNodes..sort((RenderObject a, RenderObject b) => a.depth - b.depth)) {//这里是按照在node tree中的深度顺序遍历_nodesNeedingLayout,RenderObject的markNeedsLayout方法会把自己添加到_nodesNeedingLayout
      if (node._needsLayout && node.owner == this)//对于需要layout的RenderObject进行layout
        node._layoutWithoutResize();
    }
  }
  ...
}
void _layoutWithoutResize() {
  ...
  performLayout(); //这个方法是计算layout的实现,不同layout widget有不同的实现
  markNeedsSemanticsUpdate();
    ...
  _needsLayout = false;
  markNeedsPaint();
}
//这里就是列出来RenderView的计算布局的实现方式,这个比较简单,就是读取配置里面的大小,然后调用child的layout,其他widget layout的计算布局的方式是非常繁琐复杂的,可以自行分析代码
void performLayout() {
    assert(_rootTransform != null);
    _size = configuration.size;
    assert(_size.isFinite);
    
    if (child != null)
      child.layout(new BoxConstraints.tight(_size));//调用child的layout

}

//这个方法parent调用child的layout的入口,parent会把限制传给child,child根据限制来layout
void layout(Constraints constraints, { bool parentUsesSize: false }) {
    ...
    RenderObject relayoutBoundary;
    if (!parentUsesSize || sizedByParent || constraints.isTight || parent is! RenderObject) {
      relayoutBoundary = this;
    } else {
      final RenderObject parent = this.parent;
      relayoutBoundary = parent._relayoutBoundary;
    }
    
    if (!_needsLayout && constraints == _constraints && relayoutBoundary == _relayoutBoundary) {
     
      return;
    }
    _constraints = constraints;
    _relayoutBoundary = relayoutBoundary;
    
    if (sizedByParent) {
        performResize(); 
    }
    RenderObject debugPreviousActiveLayout;
    
    performLayout();//实际计算layout的实现
    markNeedsSemanticsUpdate();
    
    _needsLayout = false;
    markNeedsPaint();
}
void performResize() {
    ...
    size = constraints.biggest;
    
    switch (axis) {
      case Axis.vertical:
        offset.applyViewportDimension(size.height);
        break;
      case Axis.horizontal:
        offset.applyViewportDimension(size.width);
        break;
    }
}

//这是标记为layout为dirty,把自己添加到渲染管道(PipelineOwner)里面
void markNeedsLayout() {
    
    if (_relayoutBoundary != this) {
      markParentNeedsLayout();
    } else {
      _needsLayout = true;
      if (owner != null) {
          return true;
        }());
        owner._nodesNeedingLayout.add(this);
        owner.requestVisualUpdate();
      }
    }
  }
复制代码

从上面分析出来,layout的整个过程,首先是当RenderOjbect需要重新layout的时候,把自己添加到渲染管道里面,然后再触发渲染到了layout环节,先从渲染管道里面遍历找出需要渲染的RenderObject,然后调用performLayout进行计算layout,而且不同的对象实现不同的performLayout方法,计算layout的方式也不一样,然后再调用child 的layout入口,同时把parent的限制也传给child,child调用自己的performLayout。

Paint

当需要描绘自定义的图像的时候,可以通过继承CustomPainter,实现paint方法,然后在paint方法里面使用Flutter提供接口可以实现复杂的图像。 下面具体分析一下paint流程是怎么实现的。


//这是官方的paint demo
 class Sky extends CustomPainter {
  
  @override
  void paint(Canvas canvas, Size size) {
    var rect = Offset.zero & size;
    var gradient = new RadialGradient(
      center: const Alignment(0.7, -0.6),
      radius: 0.2,
      colors: [const Color(0xFFFFFF00), const Color(0xFF0099FF)],
      stops: [0.4, 1.0],
    );
    canvas.drawRect(
      rect,
      new Paint()..shader = gradient.createShader(rect),
    );
  }

  @override
  bool shouldRepaint(Sky oldDelegate) => false;
}
//这是在渲染管道中paint的入口
void flushPaint() {
  final List<RenderObject> dirtyNodes = _nodesNeedingPaint;
  _nodesNeedingPaint = <RenderObject>[];
  // Sort the dirty nodes in reverse order (deepest first).
  for (RenderObject node in dirtyNodes..sort((RenderObject a, RenderObject b) => b.depth - a.depth)) { //这是实现的方式和layout过程基本类似,不过排序是反序的
    assert(node._layer != null);
    if (node._needsPaint && node.owner == this) {
      if (node._layer.attached) {
        PaintingContext.repaintCompositedChild(node);
      } else {
        node._skippedPaintingOnLayer();
      }
    }

    }
}

static void repaintCompositedChild(RenderObject child, { bool debugAlsoPaintedParent: false }) {
    ...
    if (child._layer == null) {  
      child._layer = new OffsetLayer();
    } else {
      child._layer.removeAllChildren();
    }
    
    final PaintingContext childContext = new PaintingContext._(child._layer, child.paintBounds); //通过layer生成 painting context
    child._paintWithContext(childContext, Offset.zero);
    childContext._stopRecordingIfNeeded();
}
  
void _paintWithContext(PaintingContext context, Offset offset) {
  ...
  paint(context, offset); 
 ...
}
void paint(PaintingContext context, Offset offset) {
    if (_painter != null) { //只有持有CustomPainter情况下,才继续往下调用自定义的CustomPainter的paint方法,把canvas传过去
      _paintWithPainter(context.canvas, offset, _painter);
      _setRasterCacheHints(context);
    }
    super.paint(context, offset); //调用父类的paint的方法
        if (_foregroundPainter != null) {
          _paintWithPainter(context.canvas, offset, _foregroundPainter);
          _setRasterCacheHints(context);
    }
}
//super paint 在父类的paint里面继续调用child的paint,实现父子遍历
void paint(PaintingContext context, Offset offset) {
    if (child != null){
      context.paintChild(child, offset); 
}



void _paintWithPainter(Canvas canvas, Offset offset, CustomPainter painter) {
    int debugPreviousCanvasSaveCount;
    canvas.save();
    if (offset != Offset.zero)
      canvas.translate(offset.dx, offset.dy);
    painter.paint(canvas, size);//,在调用paint的时候,经过一串的转换后,layer->PaintingContext->Canvas,最终paint就是描绘在Canvas上
    ...
    canvas.restore();
}
  
  
复制代码

总结来说,paint过程中,渲染管道中首先找出需要重绘的RenderObject,然后如果有实现了CustomPainter,就是调用CustomPainter paint方法,再去调用child的paint方法。

Composited Layer

  void compositeFrame() {
    Timeline.startSync('Compositing', arguments: timelineWhitelistArguments);
    try {
      final ui.SceneBuilder builder = new ui.SceneBuilder();
      layer.addToScene(builder, Offset.zero);
      final ui.Scene scene = builder.build();
      ui.window.render(scene);
      scene.dispose();
      assert(() {
        if (debugRepaintRainbowEnabled || debugRepaintTextRainbowEnabled)
          debugCurrentRepaintColor = debugCurrentRepaintColor.withHue(debugCurrentRepaintColor.hue + 2.0);
        return true;
      }());
    } finally {
      Timeline.finishSync();
    }
  }
    void addToScene(ui.SceneBuilder builder, Offset layerOffset) {
    addChildrenToScene(builder, offset + layerOffset);
  }
  void addChildrenToScene(ui.SceneBuilder builder, Offset childOffset) {
    Layer child = firstChild;
    while (child != null) {
      child.addToScene(builder, childOffset);
      child = child.nextSibling;
    }
  }
复制代码

Composited Layer就是把所有layer组合成Scene,然后通过ui.window.render方法,把scene提交给Engine,到这一步,Framework向Engine提交数据基本完成了。Engine会把所有的layer根据大小,层级,透明度计算出最终的显示效果,通过Openg Gl接口渲染到屏幕上。

总结

本文结合Flutter的官方描绘的框架和渲染流程,简要介绍了渲染的过程实现方式,让读者对Flutter在渲染方面有基本的理解,便于以后的开发和探索。Now直播终端团队致力于为Flutter生态作出一点自己的贡献,期待Flutter越来越好!

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