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Flutter 在铭师堂的实践

简介

Flutter 是 Google 的一套跨平台 UI 框架。目前已经是 1.7 的 Release 版本。在移动端双端投入人力较大,短期紧急需求的背景下。跨端技术会成为越来越多的移动端技术栈选择。铭师堂移动端团队在过去几个月,对 Flutter 技术做了一些尝试和工作。这篇文章将会对 Flutter 的基本原理和我们在 升学e网通 APP 的工程实践做一个简单的分享。

Flutter 的架构和原理

Flutter framework 层的架构图如下:

Foundation: foundation 提供了 framework 经常使用的一些基础类,包括但不限于:

  • BindBase: 提供了提供单例服务的对象基类,提供了 Widgets、Render、Gestures等能力

  • Key: 提供了 Flutter 常用的 Key 的基类

  • AbstractNode:表示了控件树的节点

在 foundation 之上,Flutter 提供了 动画、绘图、手势、渲染和部件,其中部件就包括我们比较熟悉的 Material 和 Cupertino 风格

我们从 dart 的入口处关注 Flutter 的渲染原理

void runApp(Widget app) {
  WidgetsFlutterBinding.ensureInitialized()
    ..attachRootWidget(app)
    ..scheduleWarmUpFrame();
}
复制代码

我们直接使用了 Widgets 层的能力

widgets

负责根据我们 dart 代码提供的 Widget 树,来构造实际的虚拟节点树

在 FLutter 的渲染机制中,有 3 个比较关键的概念:

  • Widget: 我们在 dart 中直接编写的 Widget,表示控件
  • Element:实际构建的虚拟节点,所有的节点构造出实际的控件树,概念是类似前端经常提到的 vitrual dom
  • RenderObject: 实际负责控件的视图工作。包括布局、渲染和图层合成

根据 attachRootWidget 的流程,我们可以了解到布局树的构造流程

  1. attachRootWidget 创建根节点
  2. attachToRenderTree 创建 root Element
  3. Element 使用 mount 方法把自己挂载到父 Element。这里因为自己是根节点,所以可以忽略挂载过程
  4. mount 会通过 createRenderObject 创建 root Element 的 RenderObject

到这里,整颗 tree 的 root 节点就构造出来了,在 mount 中,会通过 BuildOwner#buildScope 执行子节点的创建和挂载, 这里需要注意的是 child 的 RenderObject 也会被 attach 到 parent 的 RenderObejct 上去

整个过程我们可以通过下图表示

感兴趣可以参考 ElementRenderObjectElementRenderObject 的源码

渲染

负责实际整个控件树 RenderObject 的布局和绘制

runApp 后会执行 scheduleWarmUpFrame 方法,这里就会开始调度渲染任务,进行每一帧的渲染

handleBeginFramehandleDrawFrame 会走到 binding 的 drawFrame 函数,依次会调用 WidgetsBindingRendererBindingdrawFrame

这里会通过 Element 的 BuildOwner,去重新塑造我们的控件树。

大致原理如图

在构造或者刷新一颗控件树的时候,我们会把有改动部分的 Widget 标记为 dirty,并针对这部分执行 rebuild,但是 Flutter 会有判断来保证尽量复用 Element,从而避免了反复创建 Element 对象带来的性能问题。

在对 dirty elements 进行处理的时候,会对它进行一次排序,排序规则参考了 element 的深度:

static int _sort(Element a, Element b) {
    if (a.depth < b.depth)
      return -1;
    if (b.depth < a.depth)
      return 1;
    if (b.dirty && !a.dirty)
      return -1;
    if (a.dirty && !b.dirty)
      return 1;
    return 0;
  }
复制代码

根据 depth 排序的目的,则是为了保证子控件一定排在父控件的左侧, 这样在 build 的时候,可以避免对子 widget 进行重复的 build。

在实际渲染过程中,Flutter 会利用 Relayout Boundary机制

void markNeedsLayout() {
    // ...
    if (_relayoutBoundary != this) {
      markParentNeedsLayout();
    } else {
      _needsLayout = true;
      if (owner != null) {
        owner._nodesNeedingLayout.add(this);
        owner.requestVisualUpdate();
      }
    }
    //...
  }
复制代码

在设置了 relayout boundary 的控件中,只有子控件会被标记为 needsLayout,可以保证,刷新子控件的状态后,控件树的处理范围都在子树,不会去重新创建父控件,完全隔离开。

在每一个 RendererBinding 中,存在一个 PipelineOwner 对象,类似 WidgetsBinding 中的 BuildOwner. BuilderOwner 负责控件的build 流程,PipelineOwner 负责 render tree 的渲染。

@protected
  void drawFrame() {
    assert(renderView != null);
    pipelineOwner.flushLayout();
    pipelineOwner.flushCompositingBits();
    pipelineOwner.flushPaint();
    renderView.compositeFrame(); // this sends the bits to the GPU
    pipelineOwner.flushSemantics(); // this also sends the semantics to the OS.
  }
复制代码

RenderBinding 的 drawFrame 实际阐明了 render obejct 的渲染流程。即 布局(layout)、绘制(paint)、合成(compositeFrame)

调度(scheduler和线程模型)

在布局和渲染中,我们会观察到 Flutter 拥有一个 SchedulerBinding,在 frame 变化的时候,提供 callback 进行处理。不仅提供了帧变化的调度,在 SchedulerBinding 中,也提供了 task 的调度函数。这里我们就需要了解一下 dart 的异步任务和线程模型。

dart 的单线程模型,所以在 dart 中,没有所谓的主线程和子线程说法。dart 的异步操作采取了 event-looper 模型。

dart 没有线程的概念,但是有一个概念,叫做 isolate, 每个 isolate 是互相隔离的,不会进行内存的共享。在 main isolate 的 main 函数结束之后,会开始一个个处理 event queue 中的 event。也就是,dart 是先执行完同步代码后,再进行异步代码的执行。所以如果存在非常耗时的任务,我们可以创建自己的 isolate 去执行。

每一个 isolate 中,存在 2 个 event queue

  • Event Queue
  • Microtask Queue

event-looper 执行任务的顺序是

  1. 优先执行 Microtask Queue 中的task
  2. Microtask Queue 为空后,才会执行 Event Queue 中的事件

flutter 的异步模型如下图

Gesture

每一个 GUI 都离不开手势/指针的相关事件处理。

在 GestureBiding 中,在 _handlePointerEvent 函数中,PointerDownEvent 事件每处理一次,就会创建一个 HintTest 对象。在 HintTest 中,会存有每次经过的控件节点的 path。

最终我们也会看到一个 dispatchEvent 函数,进行事件的分发以及 handleEvent,对事件进行处理。

在根节点的 renderview 中,事件会开始从 hitTest 处理,因为我们添加了事件的传递路径,所以,时间在经过每个节点的时候,都会被”处理“。

@override // from HitTestDispatcher
  void dispatchEvent(PointerEvent event, HitTestResult hitTestResult) {
    if (hitTestResult == null) {
      assert(event is PointerHoverEvent || event is PointerAddedEvent || event is PointerRemovedEvent);
      try {
        pointerRouter.route(event);
      } catch (exception, stack) {
      }
      return;
    }
    for (HitTestEntry entry in hitTestResult.path) {
      try {
        entry.target.handleEvent(event, entry);
      } catch (exception, stack) {
      }
    }
  }
复制代码

这里我们就可以看出来 Flutter 的时间顺序,从根节点开始分发,一直到子节点。同理,时间处理完后,会沿着子节点传到父节点,最终回到 GestureBinding。 这个顺序其实和 Android 的 View 事件分发 和 浏览器的事件冒泡 是一样的。

通过 GestureDector 这个 Widget, 我们可以触发和处理各种这样的事件和手势。具体的可以参考 Flutter 文档。

Material、Cupertino

Flutter 在 Widgets 之上,实现了兼容 Andorid/iOS 风格的设计。让APP 在 ui/ue 上有类原生的体验。

Flutter 的工程实践

根据我们自己的实践,我从 混合开发基础库建设日常的采坑的角度,分享一些我们的心得体会。

混合工程

我们的 APP 主题大部分是 native 开发完成的。为了实践 Flutter,我们就需要把 Flutter 接入到原生的 APP 里面去。并且能满足如下需求:

  • 对不参与 Flutter 实践的原生开发同学不产生影响。不需要他们去安装 Flutter 开发环境
  • 对于参与 FLutter 的同学来说,我们要共享一份dart 代码,即共享一个代码仓库

我们的原生架构是多 module 组件化,每个 module 是一个 git 仓库,使用 google git repo 进行管理。以 Android 工程为例,为了对原生开发没有影响。最顺理成章的思路就是,提供一个 aar 包。对于 Android 的视角来说,flutter 其实只是一个 flutterview,那么我们按照 flutter 的工程结构自己创建一个相应的 module 就好了。

我们查看 flutter create 创建的flutter project的Andorid的 build.gradle,可以找到几个关键的地方

app的build.gradle

apply from: "$flutterRoot/packages/flutter_tools/gradle/flutter.gradle"

flutter {
    source '../..'
}
复制代码

这里制定了 flutter 的gradle,并且制定了 flutter 的source 文件目录。

我们可以猜测出来,flutter相关的构建和依赖,都是 flutter 的gradle 文件里面帮我们做的。那么在我们自己创建的原生 module 内部,也用同样的方式去组织。就可以了。

同时,我们可以根据自己的实际去制定 flutter 的 source 路径。也通过 repo 将原生的module 和 dart 的lib目录,分成2个git仓库。就完美实现了代码的隔离。对于原生开发来说,后面的构建打包等持续集成都不会收到 flutter 的影响。

混合工程的架构如下:

混合工程启动和调试

在一个 flutter 工程中,我们一般是使用 flutter run 命令启动一个 flutter 应用。这时候我们就会有关注到:混合工程中,我们进入app会先进入原生页面,如何再进入 flutter 页面。那么我们如何使用热重载和调试功能呢。

热重载

以 Andorid 为例,我们可以先给 app 进行 ./gradlew assembleDebug 打出一个 apk 包。

然后使用

flutter run --use-application-binary {debug apk path}
复制代码

命令。会启动我们的原生 app, 进入特定的 flutter 入口页面,命令行会自动出现 flutter 的 hot reload。

混合工程调试

那么我们如何进行 flutter 工程的调试呢?我们可以通过给原生的端口和移动设备的 Observatory 端口进行映射。其实这个方法也同样适用于我们运行了一个纯 flutter 应用,想通过类似 attach 原生进程的方式里面开始断点。

命令行启动app, 出现flutter 的hotreload 后,我们可以看到

An Observatory debugger and profiler on Android SDK built for x86 is available at:
http://127.0.0.1:54946/
复制代码

这端。这个地址,我们可以打开一个关于 dart 的性能和运行情况的展示页面。

我们记录下这个端口 xxxx

然后通过 adb logcat | grep Observatory 查看手机的端口,可以看到如下输出

我们把最后一个地址输入到手机的浏览器,可以发现手机上也可以打开这个页面

我们可以理解成这里是做了一次端口映射,设备上的端口记录为 yyyy

在 Android Studio 中,我们在 run -> Edit Configurations 里面,新建一个 dart remote debug, 填写 xxxx 端口。

如果不成功,可以手动 forward 一下

adb forward tcp:xxxx tcp:yyyy
复制代码

然后启动这个调试器,就可以进行 dart 的断点调试了。

原生能力和插件开发

在 flutter 开发中,我们需要经常使用原生的功能,具体的可以参考 官方文档, native 和 flutter 通过传递消息,来实现互相调用。

架构图如下

查看源码,可以看到 flutter 包括 4 中 Channel 类型。

  • BasicMessageChannel 是发送基本的信息内容的通道
  • MethodChannelOptionalMethodChannel是发送方法调用的通道
  • EventChannel 是发送事件流 stream 的通道。

在 Flutter 的封装中,官方对纯 Flutter 的 library 定义为 Package, 对调用了原生能力的 libraray 定义为 Plugin

官方同时也提供了 Plugin 工程的脚手架。通过 flutter create --org {pkgname} --template=plugin xx 创建一个 Plugin 工程。内部包括三端的 library 代码,也包括了一个 example 目录。里面是一个依赖了此插件的 flutter 应用工程。具体可以参考插件文档

在实践中,我们可以发现 Plugin 的依赖关系如下。 例如我们的 Flutter 应用叫 MyApp, 里面依赖了一个 Plugin 叫做 MyPlugin。那么,在 Andorid APP 中,库依关系如下图

但是如果我们在创建插件工程的时候,原生部分代码,不能依赖到插件的原生 aar。这样每次编译的时候就会在 GeneratedPluginRegistrant 这个类中报错,依赖关系就变成了下图

我们会发现红色虚线部分的依赖在插件工程中是不存在的。

仔细思考一下会发现,其实我们在 Flutter 应用工程中使用 Plugin 的时候,只是在 pubspec.yaml 中添加了插件的依赖。原生部分是怎么依赖到插件的呢?

通过比较 flutter create xx(应用工程) 和 flutter create --template=plugin (插件工程) ,我们会发现在settings.gradle 中有一些不一样。应用工程中,有如下一段自动生成的 gradle 代码

gradle 会去读取一个 .flutter-plugins 文件。从这里面读取到插件的原生工程地址,include 进来并制定了 path。

我们查看一个 .flutter-plugins 文件:

path_provider=/Users/chenglei/flutter/.pub-cache/hosted/pub.flutter-io.cn/path_provider-1.1.0/

复制代码

我们也可以大致猜测到,flutter的 gradle 脚本里面会把自己include进来的插件工程全部依赖一遍。

从这个角度,我们发现插件工程开发还是有一些规则上的限制的。 从开发的角度看,必须遵循脚手架的规范编写代码。如果依赖其他的插件,必须自己写脚本解决上面的依赖问题。 从维护的角度看,插件工程仍然需要至少一个android 同学 加一个 iOS 同学进行维护。

所以我们在涉及原生的 Flutter 基础库开发中,没有采用原生工程的方式。而是通过独立的 fluter package、独立的android ios module打二进制包的形式。

flutter基础设施之路

基于上一小节的结论,我们开发了自己的一套 flutter 基础设置。我们的基建大致从下面几个角度出发

  • 利用现有能力:基于 Channel 调用原生的能力,例如网络、日志上报。可以收拢 APP 中这些基础操作
  • 质量和稳定性:Flutter 是新技术,我们如何在它上线的时候做到心中有底
  • 开发规范:从早期就定下第一版的代码结构、技术栈选择,对于后面的演进益大于弊

利用现有能力

我们封装了 Channel,开发了一个 DartBridge 框架。负责原生和 Dart 的互相调用。在此之上,我们开发了网络库、统一跳转库等基础设施

DartBridge

反观 e网通 APP 在 webview 的通信,是在消息到达另一端后,通过统一的路由调用格式进行路由调用。对于路由提供方来说,只识别路由协议,不关心调用端是哪一段。在一定程度上,我们也可以把统一的路由协议理解为“跨平台”。我们内部协议的格式是如下形式:

scheme://{"domain":"", "action":"", "params":""}

所以在 Flutter 和原生的通信中,结合实际业务场景,我们没有使用 MethodChannel,而是使用了 BasicMessageChannel, 通过这一个 channel,发送最基本的路由协议。被调用方收到后,调用各自的路由库,返回调用结果给通道。我们封装了一套 DartBridge 来进行消息的传递。

通过阅读源码我们可以发现,Channel 的设计非常的完美。它解耦了消息的编解码方式,在 Codec 对象中,我们可以进行我们的自定义编码,例如序列化为 json 对象的 JsonMessageCodec

var _dartBridgeChannel = BasicMessageChannel(DART_BRIDGE_CHANNEL,JSONMessageCodec());
复制代码

在实际开发中,我们可能想要查询消息内容。如果消息的内容是获取原生的内容,例如一个学生的作业总数,我们希望在原生提供服务前,不阻塞自己的开发。并且在不修改业务代码的情况下获取到路由的mock数据。所以我们在路由的内部增加了拦截器和mock服务的功能。在sdk初始化的时候,我们可以通过对象配置的方式,配置一些对应 domain、action的mock数据。

整个 DartBridge 的架构如下

基于这个架构模型,我们收到消息后,通过原生路由(例如 ARouter)方案,去进行相应的跳转或者服务调用。

网络库 EIO

Flutter 提供了自己的http 包。但是集成到原生app的时候,我们仍然希望网络这个基础操作的口子可以被统一管理。包括统一的https支持,统一的网络拦截操作,以及可能进行的统一网络监控和调优。所以在Android中,网络库我们选择调用 OKHttp。

但是考虑到如果有新的业务需求,我们开发了一个全新的flutter app,也希望在不更改框架层的代码,就可以直接移植过去,并且脱离原生的请求。

这就意味着网络架构需要把 网络配置网络引擎 解耦开。本着不重复造轮子的原则,我们发现了一个非常优秀的框架:DIO

DIO 留下了一个 HttpClientAdapter 类,进行网络请求的自定义。

我们实现了这个类,在 fetch() 函数中,通过 DartBridge,对原生的网络请求模块进行调用。返回的数据是一个包括:

  • nativeBytes List 网络数据的字节流
  • statusCode 网络请求的 http code
  • headers Map<String, dynamic> 网络的 response headers

这些数据,通过 Okhttp 请求可以获取。这里有一个细节问题。在 OkHttp 中,请求到的 bytes是一个 byte[], 直接给到dart 这边,被我强转成了一个List, 因为java 中 byte的范围是 -126 - 127 ,所以这时候,就出现了乱码。

通过对比实际的dart dio请求到的相同的字节流,我发现,byte中的一些数据转换成int的时候发生了溢出,变成了负数,产生了乱码。正好是做一次补码运算,就成了正确的。所以。我在 dart 端,对数据做了一次统一的转化:

nativeBytes = nativeBytes.map((it) {
      if (it < 0) {
        return it + 256;
      } else {
        return it;
      }
    }).toList();
复制代码

关于 utf8 和 byte 具体的编解码过程,我们不做赘述。感兴趣的同学可以参考一下这篇文章

统一路由跳转

DartBridge 框架的基础上,我们对接原生的路由框架封装了我们自己的统一跳转。目前我们的架构还比较简单,采用了还是多容器的架构,在业务上去规避这点。我们的容器页面其实就是一个 FlutterActivity,我们给容器也设置了一个 path,原生在跳转flutter的时候,其实是跳转到了这个容器页。在容器页中,拿到我们实际的 Flutter path 和 参数。伪代码如下:

val extra = intent?.extras
        extra?.let {
            val path = it.getString("flutterPath") ?: ""
            val params = HashMap<String, String>()
            extra.keySet().forEach { key ->
                extra[key]?.let { value ->
                    params[key] = value.toString()
                }
            }
            path.isNotEmpty().let {
                // 参数通过 bridge 告诉flutter的第一个 widget
                // 在flutter页面内实现真正的跳转
                DartBridge.sendMessage<Boolean>("app", "gotoFlutter",HashMap<String,String>().apply {
                  put("path", path)
                  put("params", params)
                }, {success->
                    Log.e("native跳转flutter成功", success.toString())
                }, { code, msg->
                    Log.e("native跳转flutter出错", "code:$code;msg:$msg")
                })
            }
        }
复制代码

那么,业务在原生跳往 Flutter 页面的时候,我们每次都需要知道容器页面的path吗,很明显是不能这样的。 所以我们在上面叙述的基础上,抽象了一个 flutter 子路由表。进行单独维护。 业务只需要跳往自己的子路由表内的 path,在 SDK内部,会把实际的path 替换成容器的 path,把路由表 path 和跳转参数整体作为实际的参数。

在 Andorid 中,我提供了一个 pretreatment 函数,在 ARouterPretreatmentService 中调用进行处理。返回最终的路由 path 和 参数。

质量和稳定性

线上开关

为了保证新技术的稳定,在 Flutter 基础 SDK 中,我们提供了一个全局开关的配置。这个开关目前还是高粒度的,控制在进入 Flutter 页面的时候是否跳转容器页。 在开关处理的初始化中,需要提供 2 个参数

  • 是否允许线上打开 Flutter 页面
  • 在不能打开 Flutter 页面的时候,提供一个 Flutter 和 native 页面的路由映射表。跳转到对应的原生页面或者报错页。

线上开关可以和 APP 现有的无线配置中心对接。如果线上出现 Flutter 的质量问题。我们可以下发配置来控制页面跳转实现降级。

异常收集

在原生开发中,我们会使用例如 bugly 之类的工具查看线上收集的 crash 异常堆栈。Flutter 我们应该怎么做呢?在开发阶段,我们经常会发现 Flutter 出现一个报错页面。 阅读源码,我们可以发现其实这个错误的显示是一个 Widget:

ComponentElementperformRebuild 函数中有如下调用

在调用 build 方法 ctach 到异常的时候,会返回显示一个 ErrorWidget。进一步查看会发现,它的 builder 是一个 static 的函数表达式。

(FlutterErrorDetails details) => ErrorWidget(details.exception)

它的参数最终也返回了一个私有的函数表达式 _debugReportException

最终这里会调用 onError 函数,可以发现它也是一个 static 的函数表达式

那么对于异常捕获,我们只需要重写下面 2 个函数就可以进行 build 方法中的视图报错

  • ErrorWidget.builder
ErrorWidget.builder = (details) {
  return YourErrorWidget();
};
复制代码
  • FlutterError.onError
FlutterError.onError = (FlutterErrorDetails details) {
  // your log report
};
复制代码

到这一步,我们进行了视图的异常捕获。在 dart 的异步操作中抛出的异常又该如何捕获呢。查询资料我们得到如下结论:

在 Flutter 中有一个 Zone 的概念,它代表了当前代码的异步操作的一个独立的环境。Zone 是可以捕获、拦截或修改一些代码行为的

最终,我们的异常收集代码如下


void main() {
  runMyApp();
}

runMyApp() {
  ErrorHandler.flutterErrorInit();  // 设置同步的异常处理需要的内容
  runZoned(() => runApp(MyApp()), // 在 zone 中执行 MyApp
      zoneSpecification: null,
      onError: (Object obj, StackTrace stack) {
        // Zone 中的统一异常捕获
    ErrorHandler.reportError(obj, stack);
  });
}
复制代码

开发规范

在开发初期,我们就内部商议定下了我们的 Flutter 开发规范。重点在代码的组织结构和状态管理库。 开发结构我们考虑到未来有新增多数 Flutter 代码的可能,我们选择按照业务分模块管理各自的目录。

.
+-- lib
|   +-- main.dart
|   +-- README.md
|   +-- business
|       +-- business1
|           +-- module1
|               +-- business1.dart
|               +-- store
|               +-- models
|               +-- pages
|               +-- widgets
|               +-- repositories
|               +-- common
|                   +-- ui
|                   +-- utils
|   +--comlib
|       +-- router
|       +-- network
复制代码

在每个业务中,根据页面和具体的视图模块,分为了 pagewidgets 的概念。store 中,我们会存放相关的状态管理。repositories 中我们要求业务把各自的逻辑和纯异步操作抽象为独立的一层。每个业务早期可以维护一个自己的 common, 可以在迭代中不停的抽象自己的 pakcage,并沉淀到最终面向每个人的 comlib。这样,基本可以保证在迭代中避免大家重复造轮子导致的代码冗余混乱。

在状态管理的技术选型上,我们调研了包括 Bloc、'reduxmobx`。我们的结论是

  • flutter-redux 的概念和设计非常的优秀,但是适合统一的全局状态管理,其实和组件的分割又有很大的矛盾。在开源方案中,我们发现 fish-redux 很好的解决了这个问题。
  • Bloc 的大致思路其实和 redux 有很高的相似度。但是功能还是不如 redux 多。
  • mobx,代码简单,上手快。基本上搞清楚 ObservablesActionsReactions几个概念就可以愉快的开发。

最终处于上手成本和代码复杂度的考虑,我们选择了 mobx 作为我们的状态管理组件。

总结

到这里,我分享了一些 Flutter 的原理和我们的一些实践。希望能和一些正在研究 Flutter 的同学进行交流和学习。我们的 Flutter 在基础设施开发的同时,还剥离编写了一些 升学e网通 APP 上的页面和一些基础的 ui 组件库。在未来我们会尝试在一些老的页面中,上线 Flutter 版本。并且研究更好的基础库、异常收集平台、工具链优化和单容器相关的内容。

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