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如何在Flutter上实现高性能的动态模板渲染

jiezi

背景

最近小组在尝试使用一套阿里 dinamicX 的 DSL，通过动态模板下发，实现 Flutter 端的动态化模板渲染；本来以为只是 DSL 到 Widget 的简单映射和数据绑定，但实际跑起来的效果出乎意料的差，列表卡顿严重，帧率丢失严重。这就让我们不得不深入 Flutter 的 Framework 层，去了解 Widget 的创建、布局以及渲染的过程。

为什么 Native 可行的方案在 Flutter 效果这么差

在 iOS 和 Android 开发中，DSL 到 Native 的方案其实并不陌生；Android 中，我们就是通过编写 XML 文件来描述页面布局。Native 的这种映射的方案，为什么在 Flutter 上，效果变得如此糟糕呢？

先通过一个简单的示例来看一下 dinamicX DSL 的定义：

可以看到 DSL 的设计与 Android 中的 XML 很相似，在我们的 DSL 中，每个节点的 width 和 height 属性，可以赋值两种特殊意义的值：match_parent和match_content。

match_parent：当前节点大小，尽量撑开到父节点大小；

match_content：当前节点大小，尽量缩小到容纳子节点大小；

在 Flutter 中，并没有 match_parent 和match_content的概念。最初我们的想法很简单，在 Widget 的 build 方法中，如果属性是 match_parent，就不断向上遍历，直到找到一个父节点有确定的宽高值为止；如果是match_content，遍历所有的子节点，获取子节点大小；一旦子节点存在match_content 属性，会递归调用下去。

表面上看，做好每个节点的宽高计算的缓存，虽然达不到一次性线性布局，这样的开销也并不是很大。但我们忽略掉了一个很重要的问题：Widget 是 immutable 的，只是包含了视图的配置信息，是非常轻量级的。在 Flutter 中，Widget 会被不断的创建销毁，这会导致布局计算非常的频繁。

要解决这些问题，单单处理 Widget 是不够的，需要 Element 以及 RenderObject 上做更多的处理，这也就是我们为什么要考虑自定义 Widget 的原因。

接下来通过源码来了解 Flutter 中 Widget 的 build、layout 以及 paint 相关的逻辑。

认识三棵树

我们通过一个简单的 Widget——Opacity来了解一下Widget、Element、RenderObject。

Widget

在 Flutter 中，万物皆是 Widget，Widget 是 immutable 的，只是包含了视图的配置信息的描述，是非常轻量级的，创建和销毁的开销比较小。

Opacity继承自RenderObjectWidget，其定义了两个比较关键的函数：


RenderObjectElement createElement();

RenderObject createRenderObject(BuildContext context);

这正是我们要找的 Element 和 RenderObject！这里只是定义了创建的逻辑，具体调用的时机我们继续往下看。

Element

在 SingleChildRenderObjectWidget 可以看到创建了 SingleChildRenderObjectElement 对象。

Element 是 Widget 的抽象，在 Widget 初始化的时候，调用 Widget.createElement 创建，Element 持有 Widget 和 RenderObject；BuildOwner 通过遍历 Element Tree，根据是否标记为 dirty，构建 RenderObject Tree；在整个视图构建过程中，起到了串联 Widget 和 RenderObject 的作用。

RenderObject

Opacity的 createRenderObject 函数创建了 RenderOpacity 对象，RenderObject 真正提供给 Engine 层渲染所需要的数据，RenderOpacity的 Paint 方法中找到了真正绘制的地方：

  void paint(PaintingContext context, Offset offset) {if (child != null) {
         ...
          context.pushOpacity(offset, _alpha, super.paint);
    }
  }

通过 RenderObject，我们可以处理 layout、painting 以及 hit testing。这是我们在自定义 Widget 处理最多的事情。RenderObject 只是定义了布局的接口，并未实现布局模型，RenderBox 为我们提供了 2D 笛卡尔坐标系下的 Box 模型协议定义，大部分情况下，都可以继承于 RenderBox，通过重载实现一个新的 layout 实现，paint 实现，以及点击事件处理等；

Flutter 在 Layout 过程中的优化

Flutter 采用一次布局的方式，O(N)的线性时间来做布局和绘制。

如上图所示，在一次遍历中，父节点调用每个子节点的布局方法，将约束向下传递，子节点根据约束，计算自己的布局，并将结果传回给父节点；

RelayoutBoundary 优化

当一个节点满足如下条件之一，该节点会被标记为 RelayoutBoundary，子节点的大小变化不会影响到父节点的布局：

  • parentUsesSize = false：父节点的布局不依赖当前节点的大小
  • sizedByParent = true：当前节点大小由父节点决定
  • constraints.isTight：大小为确定的值，即宽高的最大值等于最小值
  • parent is not RenderObject：如果父节点不是 RenderObject，子节点 layout 变化不需要通知父节点更新

RelayoutBoundary 的标记，子节点大小变化，不会通知父节点重新 layout，重新 paint，从而提高效率。

Element 更新优化

为什么 Widget 频繁创建销毁不会影响渲染性能呢？

Element 定义了 updateChild 的方法，最早在 Element 被创建，Framework 调用 mount 的时候，以及 RenderObject 被标记为 needsLayout 执行 RenderObject.performLayout 等场景，会调用 Element 的 updateChild 方法；

Element updateChild(Element child, Widget newWidget, dynamic newSlot) {
    ...
    if (child != null) {
        ...
        if (Widget.canUpdate(child.widget, newWidget)) {
            ...
            child.update(newWidget);
            ...
        }    
    }
}

对于 child 和 newWidget 都不为空的情况，通过 Widget.canUpdate 来判断当前 child Element 是否可以更新而非重现创建的方式 update。

static bool canUpdate(Widget oldWidget, Widget newWidget) {
return oldWidget.runtimeType == newWidget.runtimeType
    && oldWidget.key == newWidget.key;
  }

我们可以看到 Widget.canUpdate 的定义，通过 runtimeType 和key比较来判断；如果可以更新，更新 Element 子节点；否则 deactivate 子节点的 Element，根据 newWidget 创建新的 Element。

我们如何自定义 Widget

第一个版本的设计

在第一个版本的设计中，我们考虑的比较简单，所有的组件都继承与 Object，实现一个 build 方法，根据 DSL 转换的 nodeData 设置 Widget 的属性：

我们用一个简单的例子来看，我们以最坏的情况来考虑，第一个节点都是 match_content 属性，每一次 Widget 创建，我们需要的布局计算：

这样每一次 Widget 更新，顶部节点的大小计算，都要深度遍历整个树。如果 Widget 其中一个节点更新，又会怎样呢？

答案是全部重新计算一遍，因为 Widget 是 immutable 的，在不断重新创建销毁。在最坏情况，会达到 O(N2)，可想而知一个长列表会表现如何。

第二个版本的设计

第二个版本，我们选择自定义 Widget、Element 以及 RenderObject；下面是我们一部分组件的类图。

其中虚线框内是我们自定义的 Widget 组件。从上面的图可以看出，我们自定义的 Widget 大致分为三种类型：

  • 只能作为叶子节点的 Widget：如 Image、Text，继承自 CustomSingleChildLayout；
  • 可以设置多个子节点的 Widget：如 FrameLayout、LinearLayout，继承自 CustomMultiChildLayout；
  • 可滚动的列表类型的 Widget：如 ListLayout、PageLayout，继承自 CustomScrollView；

在自定义的 RenderObject 中，对于点击事件以及 paint 方法，并未做特殊处理，都交由组合的 Widget 处理。

@override
  bool hitTestChildren(HitTestResult result, {Offset position}) {return child?.hitTest(result, position: position) ?? false;
  }

  @override
  void paint(PaintingContext context, Offset offset) {if (child != null) context.paintChild(child, offset);
  }

如何处理 match_content

当前节点的宽高设置为match_content，需要先计算子节点的大小，然后再计算当前节点的大小。

在实现自定义的 RenderObject 中，我们需要重写 performLayout 方法；performLayout 方法中，主要的需要做的事：

  1. 调用所有子节点的 layout 方法；
  2. 如果 sizedByParent 为 false，需要设置自己 size 的大小；

下面以一个 child 的情况为例（如：Padding），在 RenderObject 中，对于 match_content 属性的节点，在调用 child layout 方法时，将 parentUsesSize 设置为 true；然后 size 根据 child.size 设置。

这样做的一个好处，当 child 的大小变化的时候，自动会将 parent 设置为 needLayout，parent 由于被标记为needLayout，会在当前 Frame 的 Pipline 中重新 layout、paint。当然这样也会带来性能的损耗，这一点需要特别注意。

@override
  void performLayout() {assert(callback != null);
    invokeLayoutCallback(callback);
    if (child != null) {child.layout(constraints, parentUsesSize: true);
          size = constraints.constrain(child.size);
    } else {size = constraints.biggest;}

多 child 的情况，可以参考 RenderSliverList 的内部实现。

如何处理 match_parent

如果当前节点的宽高设置为 match_parent，尽量扩充到父节点大小；这种情况下，在 Constraints 向下传递的时候，根据父节点的约束，无需子节点计算，就已经知道自己的大小；在 RenderObject 中为我们提供了一个属性sizedByParent，默认为 false，如果属性设置为match_parent，我们会给当前 RenderObject 的sizedByParent 设置为 true；这样在 Constraints 向下传递的时，子节点已经知道自己的大小，无需 layout 计算，在性能上有所提升。

在 RenderObject 中，当 sizedByParent 设置为 true，需要重载 performResize 方法：

@override
  void performResize() {size = constraints.biggest;}

这里需要注意的一点，这种情况下，在重载 performLayout 方法时，不要再设置 size 的大小。

如果绑定的数据发生变化，改变 sizedByParent 之后，确保调用 markNeedsLayoutForSizedByParentChange 方法，将当前节点以及他的父节点设置为 needsLayout，重新计算布局，重新绘制。

前后方案对比

在第二个版本的设计中，一个 Widget 渲染，需要怎样一个计算过程呢呢？

相同的场景，在 RenderObject 中，通过 performLayout 方法，将 Constraints 向下传递，child 的 size 计算，并且向上传递，最终一次遍历就可以完成整个树的 layout 计算。

如果是上面更新的场景又会如何呢？

根据我们上面讲的 Element 更新过程以及 RenderObject 的 RelayoutBoundary 优化，可以看出，有新的 Widget 属性变化，Element Tree 无需重建，更新当前 Element 节点，RenderObject 在 RelayoutBoundary 的优化下，只需要更少的 layout 计算。

经过新方案的优化，长列表滑动的平均帧率从 28 提升到了 50 左右。

目前存在的问题

目前我们在自定义 Widget 的实现中，其实还是存在问题的。如果仔细看上面 performLayout 的实现，我们在调用每个 child 的 layout 方法的时候，parentUsesSize 都设置为 true；实际上只有当前节点属性为 match_content 的时候，这才是有必要的。目前我们的处理过于简单，导致 RelayoutBoundary 的优化没有真正享受到。所以目前实际的情况是，每次 Widget 的更新，都会导致 2N 次的 Layout 计算。这也是帧率达不到 Flutter 页面的其中一个原因，这也是我们接下来要解决的问题。

更多优化方向

经过一系列的优化之后，页面的卡顿情况终于有所改善，卡顿不再特别明显，但整体帧率仍然达不到 Flutter 页面的效果。仍然需要对 Flutter 有更深入的理解，挖掘出过多性能优化的点，进一步做一些更精细化的优化。

ListView 和 ScrollView，在 Flutter 中都有做性能优化处理。但是对于 FrameLayout、LieanrLayout 这样有多个 child 的 layout，无法享受 ListView 提供的性能优化。我们是否可以借鉴 ListView 的 ViewPort 的概念，对于超出屏幕的部分，不去做 layout、paint 渲染。当然这需要考虑 Engine 层 layer 缓存等情况，需要后续进一步的研究。

另外在 parentData 存储，增加数据缓存以减少数据绑定次数方面，以及 List 嵌套 List 等复杂情况的优化处理，也都需要不断探索。

展望

目前我们实现了 DSL 到 Widget 的映射，这让 Flutter 动态模板渲染成为了可能。DSL 是一种抽象，XML 只是其中的一种选择，未来在不断完善性能的同时，还会提升整个方案的抽象，能够支持通用的 DSL 转换，沉淀一套通用解决方案，更好的通过技术赋能业务。

DSL 到 Widget 的转换只是其中一环，从模板的编辑、本地验证、CDN 下发、灰度测试、线上监控等整个闭环，仍然有很多需要不断打磨和完善的地方。

参考文章

  • https://flutter.dev/docs/resources/inside-flutter
  • https://www.youtube.com/watch?v=UUfXWzp0-DU
  • https://www.youtube.com/watch?v=dkyY9WCGMi0

本文作者：闲鱼技术 - 光酒

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