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跨平台技术演进

前言

大家好,我是simbawu@BooheeFE Team Leader,关于这篇文章,有问题欢迎来这里讨论。

随着移动互联网的普及和快速发展,手机成了互联网行业最大的流量分发入口。以及随着5G的快速发展,未来越来越多的“端”也会如雨后春笋般快速兴起。而“快”作为互联网的生存之道,为了占领市场,企业也会积极跟进,快速布局。同一个应用,各个“端”独立开发,不仅开发周期长,而且人员成本高。同时,作为技术人员,也不应该满足于这种重复、低能的工作状态。在这样的形势下,跨平台的技术方案也受到越来越多人和企业的关注。接下来,我将从原理、优缺点等方面为大家分享《跨平台技术演进》。

H5

说到跨平台,没人不知道H5。不管是在Mac、Windows、Linux、iOS、Android还是其他平台,只要给一个浏览器,连“月球”上它都能跑。

浏览器架构

下面,我们来看看让H5如此横行霸道的浏览器的架构:

浏览器架构

  • User Interface 用户界面:提供用户与浏览器交互
  • Browser Engine 浏览器引擎:控制渲染引擎与JS解释器
  • Rendering Engine 渲染引擎:负责页面渲染
  • JavaScript Interpreter JS解释器:执行JS代码,输出结果给渲染引擎
  • Networking 网络工作组:处理网络请求
  • UI Backend UI后端:绘制窗口小部件
  • Data Storage 数据存储:管理用户数据

浏览器由以上7个部分组成,而“渲染引擎”是性能优化的重中之重,一起了解其中的渲染原理。

渲染引擎原理

不同的浏览器内核不同,渲染过程会不太一样,但主要流程还是一致的。

WebKit 主流程

分为下面6步骤:

  1. HTML解析出DOM Tree
  2. CSS解析出CSSOM
  3. DOM Tree与CSSOM关联生成Render Tree
  4. Layout 根据Render Tree计算每个节点的尺寸、位置
  5. Painting 根据计算好的信息绘制整个页面的像素信息
  6. Composite 将多个复合图层发送给GPU,GPU会将各层合成,然后显示在屏幕上。

从以上6步,我们可以总结渲染优化的要点:

  • Layout在浏览器渲染过程中比较耗时,应尽可能避免重排的产生
  • 复合图层占用内存比重非常高,可采用减小复合图层进行优化

以上就是浏览器端的内容。但H5作为跨平台技术的载体,是如何与不同平台的App进行交互的呢?这时候JSBridge就该出场了。

JSBridge原理

JSBridge,顾名思义,是JS和Native之间的桥梁,用来进行JS和Native之间的通信。

JS

通信分为以下两个维度:

  • JavaScript 调用 Native,有两种方式:

    1. 拦截URL Scheme:URL Scheme是一种类似于url的链接(boohee://goods/876898),当web前端发送URL Scheme请求之后,Native 拦截到请求并根据URL Scheme进行相关操作。
    2. 注入API:通过 WebView 提供的接口,向 JavaScript 的 Context(window)中注入对象或者方法,让 JavaScript 调用时,直接执行相应的 Native 代码逻辑,达到 JavaScript 调用 Native 的目的。
  • Native 调用 JavaScript: JavaScript暴露一个对象如JSBridge给window,让Native能直接访问。

那么App内加载H5的过程是什么样的呢?

App打开H5过程

打开H5分为4个阶段:

  1. 交互无反馈
  2. 打开页面 白屏
  3. 请求API,处于loading状态
  4. 出现数据,正常展现

这四步,对应的过程如上图所以,我们可以针对性的做性能优化。

优缺点分析

下面,我们进行H5的优缺点分析:

优点

  • 跨平台:只要有浏览器,任何平台都可以访问
  • 开发成本低:生态成熟,学习成本低,调试方便
  • 迭代速度快:无需审核,及时响应,用户可毫无感知使用最新版

缺点

  • 性能问题:在反应速度、流畅度、动画方面远不及原生
  • 功能问题:对摄像头、陀螺仪、麦克风等硬件支持较差

虽然H5目前还存在不足,但随着PWA、WebAssembly等技术的进步,相信H5在未来能够得到越来也好的发展。

小程序

2018年是微信小程序飞速发展的一年,19年,各大厂商快速跟进,已经有了很大的影响力。下面,我们以微信小程序为例,分析小程序的技术架构。

小程序跟H5一样,也是基于Webview实现。但它包含View视图层、App Service逻辑层两部分,分别独立运行在各自的WebView线程中。

View

可以理解为h5的页面,提供UI渲染。由WAWebview.js来提供底层的功能,具体如下:

  • 消息通信封装为WeixinJSBridge
  • 日志组件Reporter封装
  • wx api(UI相关)
  • 小程序组件实现和注册
  • VirtualDOM,Diff和Render UI实现
  • 页面事件触发

每个窗口都有一个独立的WebView进程,因此微信限制不能打开超过5个层级的页面来保障用户体验。

App Service

提供逻辑处理、数据请求、接口调用。由WAService.js来提供底层的功能,具体如下:

  • 日志组件Reporter封装
  • wx api
  • App,Page,getApp,getCurrentPages等全局方法
  • AMD模块规范的实现

运行环境:

  • iOS:JavaScriptCore
  • Andriod:X5内核,基于Mobile Chrome 53/57
  • DevTool:nwjs Chrome 内核

仅有一个WebView进程

View & App Service通信

视图层和逻辑层通过系统层的JSBridage进行通信,逻辑层把数据变化通知到视图层,触发视图层页面更新,视图层将触发的事件通知到逻辑层进行业务处理。

优缺点分析

优点

  • 预加载WebView,准备新页面渲染
  • View层和逻辑层分离,通过数据驱动,不直接操作DOM
  • 使用Virtual DOM,进行局部更新
  • 组件化开发

缺点

  • 仍使用WebView渲染,并非原生渲染,体验不佳
  • 不能运行在非微信环境内
  • 没有window、document对象,不能使用基于浏览器的JS库
  • 不能灵活操作 DOM,无法实现较为复杂的效果
  • 页面大小、打开页面数量都受到限制

既然WebView性能不佳,那有没有更好的方案呢?下面我们看看React Native。

React Native

RN的理念是在不同平台上编写基于React的代码,实现Learn once, write anywhere。

Virtual DOM在内存中,可以通过不同的渲染引擎生成不同平台下的UI,JS和Native之间通过Bridge通信

React Native 工作原理

在 React 框架中,JSX 源码通过 React 框架最终渲染到了浏览器的真实 DOM 中,而在 React Native 框架中,JSX 源码通过 React Native 框架编译后,与Native原生的UI组件进行映射,用原生代替DOM元素来渲染,在UI渲染上非常接近Native App。

React Native 与Native平台通信

  • React Native用JavaScriptCore作为JS的解析引擎,在Android上,需要应用自己附带JavaScriptCore,iOS上JavaScriptCore属于系统的一部分,不需要应用附带。
  • 用Bridge将JS和原生Native Code连接起来。Native和 JavaScript 两端都保存了一份配置表,里面标记了所有Native暴露给 JavaScript 的模块和方法。交互通过传递 ModuleId、MethodId 和 Arguments 进行。

优缺点分析

优点

  • 垮平台开发:相比原生的ios 和 android app各自维护一套业务逻辑大同小异的代码,React Native 只需要同一套javascript 代码就可以运行于ios 和 android 两个平台,在开发、测试和维护的成本上要低很多。
  • 快速编译:相比Xcode中原生代码需要较长时间的编译,React Native 采用热加载的即时编译方式,使得App UI的开发体验得到改善,几乎做到了和网页开发一样随时更改,随时可见的效果。
  • 快速发布:React Native 可以通过 JSBundle 即时更新 App。相比原来冗长的审核和上传过程,发布和测试新功能的效率大幅提高。
  • 渲染和布局更高效:React Native摆脱了WebView的交互和性能问题,同时可以直接套用网页开发中的css布局机制。脱了 autolayout 和 frame 布局中繁琐的数学计算,更加直接简便。

缺点

  • 动画性能差:React Native 在动画效率和性能的支持还存在一些问题,性能上不如原生Api。
  • 不能完全屏蔽原生平台:就目前的React Native 官方文档中可以发现仍有部分组件和API都区分了Android 和 IOS 版本,即便是共享组件,也会有平台独享的函数。也就是说仍不能真正实现严格意义上的“一套代码,多平台使用”。另外,因为仍对ios 和android的原生细节有所依赖,所以需要开发者若不了解原生平台,可能会遇到一些坑。
  • 生态不完善:缺乏很多基本控件,第三方开源质量良莠不齐

展望未来

虽然RN还存在不足,但RN新版本已经做了如下改进,并且RN团队也在积极准备大版本重构,能否成为开发者们所信赖的跨平台方案,让我们拭目以待。

  1. 改变线程模式。UI 更新不再同时需要在三个不同的线程上触发执行,而是可以在任意线程上同步调用 JavaScript 进行优先更新,同时将低优先级工作推出主线程,以便保持对 UI 的响应。
  2. 引入异步渲染能力。允许多个渲染并简化异步数据处理。
  3. 简化 JSBridge,让它更快、更轻量。

既然React Native在渲染方面还摆脱不了原生,那有没有一种方案是直接操控GPU,自制引擎渲染呢,我们终于迎来了Flutter!

Flutter

Flutter是Google开发的一套全新的跨平台、开源UI框架,支持iOS、Android系统开发,并且是未来新操作系统Fuchsia的默认开发套件。渲染引擎依靠跨平台的Skia图形库来实现,依赖系统的只有图形绘制相关的接口,可以在最大程度上保证不同平台、不同设备的体验一致性,逻辑处理使用支持AOT的Dart语言,执行效率也比JavaScript高得多。

Flutter架构原理

  • Framework:由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。
  • Engine:由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。其已作为Google Chrome,Chrome OS,Android, Mozilla Firefox, Firefox OS等其他众多产品的图形引擎,支持平台还包括Windows7+,macOS 10.10.5+,iOS8+,Android4.1+,Ubuntu14.04+等。Skia作为渲染/GPU后端,在Android和Fuchsia上使用FreeType渲染,在iOS上使用CoreGraphics来渲染字体。
    • Dart部分主要包括:Dart Runtime,Garbage Collection(GC),如果是Debug模式的话,还包括JIT(Just In Time)支持。Release和Profile模式下,是AOT(Ahead Of Time)编译成了原生的arm代码,并不存在JIT部分。
    • Text即文本渲染,其渲染层次如下:衍生自minikin的libtxt库(用于字体选择,分隔行)。HartBuzz用于字形选择和成型。
  • 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。

Dart优势

很多人会好奇,为什么Flutter要用Dart,而不是用JavaScript开发,这里列下Dart的优势

  • Dart 的性能更好。Dart在 JIT模式下,速度与 JavaScript基本持平。但是 Dart支持 AOT,当以 AOT模式运行时,JavaScript便远远追不上了。速度的提升对高帧率下的视图数据计算很有帮助。
  • Native Binding。在 Android上,v8的 Native Binding可以很好地实现,但是 iOS上的 JavaScriptCore不可以,所以如果使用 JavaScript,Flutter 基础框架的代码模式就很难统一了。而 Dart的 Native Binding可以很好地通过 Dart Lib实现。
  • Fuchsia OS。Fuchsia OS内置的应用浏览器就是使用 Dart语言作为 App的开发语言。

优缺点分析

优点

  • 性能强大:在两个平台上重写了各自的UIKit,对接到平台底层,减少UI层的多层转换,UI性能可以比肩原生
  • 优秀的语言特性:参考上面Dart优势分析
  • 路由设计优秀:Flutter的路由传值非常方便,push一个路由,会返回一个Future对象(也就是Promise对象),使用await或者.then就可以在目标路由pop,回到当前页面时收到返回值。

缺点

  • 优点即缺点,Dart 语言的生态小,精通成本比较高
  • UI控件API设计不佳
  • 与原生融合障碍很多,不利于渐进式升级

总结

移动互联网的普及和快速发展,跨平台技术风起云涌,这也是技术发展过程中的必经之路,等浪潮退去,才知道谁在裸泳。我个人更看好H5或类H5方案,给它一个浏览器,连“月球”都能跑,这才是真正的跨平台,其他都是浮云。

广而告之

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