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做一个高一致性、高性能的Flutter动态渲染,真的很难么?

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作者|章志坚(皓黯)
出品|阿里巴巴新零售淘系技术部

导读:最近闲鱼技术团队在尝试使用集团 DinamicX 的 DSL ,通过下发 DSL 模板实现 Flutter 端的动态化模板渲染。在解决了性能方面的问题后,又面临了一个新的挑战——渲染一致性。如何在不降低渲染性能的前提下,大幅度提升 Flutter 与 Native 之间的渲染一致性呢?

思路

在初版渲染架构设计当中,我们以 Widget 为中心,采用了组合的方案来完成 DSL 到 Widget 的转化。这方面的工作在早期还算比较顺利,然而随着模板复杂度的增加,逐渐出现了一些 Bad Case 。

image.png

分析了这些 Bad Case 后发现,在初版渲染架构下,无法彻底解决这些 Bad Case,原因主要为以下两点:

  1. 我们使用了 Stack 来代表 FrameLayout,Column/Row 来代表 LinearLayout,它们看似功能相似,实则内部实现差异较大,使用过程中引起了很多难以解决的 Bad Case。
  2. 初版尝试通过自定义 Widget 对 DSL 的布局理念做了初步的理解,但是未能做到完全对齐,使得 Bad Case 无法得到系统性解决。

如需从根本上解决这些问题,需要重新设计一套新的渲染架构方案,完全理解并对齐 DSL 的布局理念。

新版渲染架构设计

由于 DinamicX 的 DSL与Android XML 十分相似,因此我们将以 Android 的 Measure 机制来介绍其布局理念。相信很多同学都明白,在 Android 的 Measure 机制中,父 View 会根据自身的 MeasureSpecMode 和子 View 的 LayoutParams 来计算出子 View 的 MeasureSpecMode ,其具体计算表格如下(忽略了 MeasureSpecMode 为 UNSPECIFIED 的情况):

image.png

我们可以基于上面这个表格,计算出每个 DSL Node 的宽/高是 EXACTLY 还是 AT_MOST 的。Flutter 若想理解 DynamicX DSL ,就需要引入 MeasureSpecMode 的概念。由于初版渲染架构以 Widget 为中心,难以引入 MeasureSpecMode 的概念,因而需要以 RenderObject 为中心,对渲染架构做重新的设计。

基于 RenderObject 层,设计了一个新的渲染架构。在新的渲染架构中,每一个 DSL Node 都会被转化为 RenderObject Tree 上的一颗子树,这棵子树主要由三部分组成。

  • Decoration 层: Decoration 层用于支持背景色、边框、圆角、触摸事件等,这些我们可以通过组合方式实现。
  • Render 层:Render 层用于表达 Node 在转化后的布局规则与尺寸大小。
  • Content 层:Content 层负责显示具体内容,对于布局控件来说,内容就是自己的 children ,而对于非布局控件如 TextView、ImageView 等,内容将采用 Flutter 中的 RenderParagraph、RenderImage 来表达。

image.png

Render 层为我们新版渲染架构中的核心层,用于表达 Node 转化后的布局规则与尺寸大小,对于理解 DSL 布局理念起到了关键性作用,其类图如下:

image.png

DXRenderBox 是所有控件 Render 层的基类,其派生了两个类: DXSingleChildLayoutRender 和 DXMultiChildLayoutRender 。其中 DXSingleChildLayoutRender 是所有非布局控件 Render 层的基类,而 DXMultiChildLayoutRender 则是所有布局控件 Render 层的基类。

对于非布局控件来说,Render 层只会影响其尺寸,不影响内部显示的内容,所以理论上 View、ImageView、Switch、Checkbox 等控件在 Render 层的表达都是相同的。

DXContainerRender 就是用于表达这些非布局控件的实现类。这里TextView 由于有 maxWidth 属性会影响其尺寸以及需要特殊处理文字垂直居中的情况,因而单独设计了 DXTextContainerRender 。
对于布局控件来说,不同的布局控件代表着不同的布局规则,因此不同的布局控件在Render层会派生出不同的实现类。DXLinearLayoutRender 和 DXFrameLayoutRender 分别用于表达 LinearLayout与FrameLayout 的布局规则。

新版渲染架构实现

完成新版渲染架构设计之后,我们可以开始设计基类 DXRenderBox 了。对于DXRenderBox 来说,我们需要实现它在 Flutter Layout 中非常关键的三个方法:sizedByParent、performResize 和 performLayout。

▐ Flutter Layout 的原理

我们先来简单回顾一下 Flutter Layout 的原理,由于之前已有诸多文章介绍过Flutter Layout 的原理,这次就直接聚焦于 Flutter Layout 中用于计算 RenderObject 的 size 的部分。

在 Flutter Layout 的过程中,最为重要的就是确定每个 RenderObject 的 size ,而 size 的确定是在 RenderObject 的 layout 方法中完成的。 layout 方法主要做了两件事:

  1. 确定当前 RenderObject 对应的 relayoutBoundary
  2. 调用 performResize 或 performLayout 去确定自己的 size
    为了方便读者阅读将 layout 方法做了简化,代码如下:
Constraintsget constraints => _constraints;
Constraints _constraints;

boolget sizedByParent => false;
void layout(Constraints constraints, { bool parentUsesSize = false}) {
//计算relayoutBoundary
......
//layout
    _constraints = constraints;
if(sizedByParent) {
        performResize();
}
    performLayout();
......
}
}

可以说只要掌握了 layout 方法,那么对于 Flutter Layout 的过程也就基本掌握了。接下来我们来简单分析一下 layout 方法。

参数 constraints 代表了 parent 传入的约束,最后计算得到的 RenderObject 的size必须符合这个约束。参数 parentUsesSize 代表 parent 是否会使用 child 的 size ,它参与计算 repaintBoundary,可以对 Layout 过程起到优化作用。

sizedByParent 是 RenderObject 的一个属性,默认为 false ,子类可以去重写这个属性。顾名思义,sizedByParent 表示 RenderObject 的 size 的计算完全由其parent 决定。换句话说,也就是 RenderObject 的 size 只和 parent 给的 constraints 有关,与自己 children 的 sizes 无关。

同时,sizedByParent 也决定了 RenderObject 的 size 需要在哪个方法中确定,若 sizedByParent 为 true ,那么 size 必须得在 performResize 方法中确定,否则 size 需要在 performLayout 中确定。

performResize 方法的作用是确定 size ,实现该方法时需要根据 parent 传入的constraints 确定 RenderObject 的 size。

performLayout 则除了用于确定 size 以外,还需要负责遍历调用 child.layout 方法对计算 children 的 sizes 和 offsets。

▐ 如何实现 sizedByParent

sizedByParent 为 true 时,表示 RenderObject 的 size 与 children 无关。那么在我们的 DXRenderBox 中,只有当 widthMeasureMode 和 heightMeasureMode 均为 DX_EXACTLY 时,sizedByParent 才能被设为 true。

代码中的 nodeData 类型为 DXWidgetNode ,代表上文中提到的 DSL Node ,而 widthMeasureMode 和 heightMeasureMode 则分别代表 DSL Node 的宽与高对应的 MeasureSpecMode。

abstractclassDXRenderBoxextendsRenderBox{

DXRenderBox({@requiredthis.nodeData});
DXWidgetNode nodeData;

@override
boolget sizedByParent {
return nodeData.widthMeasureMode == DXMeasureMode.DX_EXACTLY &&
            nodeData.heightMeasureMode == DXMeasureMode.DX_EXACTLY;
}

......
}

▐ 如何实现performResize

只有 sizedByParent 为 true 时,也就是 widthMeasureMode 和 heightMeasureMode 均为 DXEXACTLY 时,performResize 方法才会被调用。而若 widthMeasureMode 和 heightMeasureMode 均为 DXEXACTLY,则证明 nodeData 的宽高要么是具体值,要么是 matchparent,所以在 performResize 方法里只需要处理宽/高为具体值或 matchparent 的情况即可。宽/高有具体值取具体值,没有具体值则表示其为 match_parent,取 constraints 的最大值。

abstractclassDXRenderBoxextendsRenderBox{
......

@override
void performResize() {
double width = nodeData.width ?? constraints.maxWidth;
double height = nodeData.height ?? constraints.maxHeight;
        size = constraints.constrain(Size(width, height));
}

......
}

非布局空间如何实现 performLayout

DXRenderBox 作为所有控件Render层的基类,无需实现 performLayout 。不同的 DXRenderBox 的子类对应的 performLayout 方法是不同的,这个方法也是 Flutter 理解 DSL 的关键。接下来以 DXSingleChildLayoutRender 为例子来说明 performLayout 的实现思路。

DXSingleChildLayoutRender 的主要作用是确定非布局控件的大小。比如一个 ImageView 具体有多大,就是通过它来确定的。

abstractclassDXSingleChildLayoutRenderextendsDXRenderBox
withRenderObjectWithChildMixin<RenderBox> {

@override
void performLayout() {
BoxConstraints childBoxConstraints = computeChildBoxConstraints();
if(sizedByParent) {
      child.layout(childBoxConstraints);
} else{
      child.layout(childBoxConstraints, parentUsesSize: true);
      size = defaultComputeSize(child.size);
}
}

......
}

首先,我们先计算出 childBoxConstraints。接着判断其是否是 sizedByParent 。如果是,那么其 size 已经在 performResize 阶段计算完成,此时只需要调用 child.layout 方法即可。否则,需要在调用 child.layout 时将 parentUsesSize 参数设置为 true,通过 child.size 来计算其 size。
可是该如何根据 child.size 来计算 size 呢?

Size defaultComputeSize(Size intrinsicSize) {
double finalWidth = nodeData.width ?? constraints.maxWidth;
double finalHeight = nodeData.height ?? constraints.maxHeight;

if(nodeData.widthMeasureMode == DXMeasureMode.DX_AT_MOST) {
        finalWidth = intrinsicSize.width;
}

if(nodeData.heightMeasureMode == DXMeasureMode.DX_AT_MOST) {
        finalHeight = intrinsicSize.height;
}
return constraints.constrain(Size(finalWidth,finalHeight));
}

如果宽/高所对应的 measureMode 为 DXEXACTLY,那么最终宽/高则有具体值取具体值,没有具体值则表示其为 matchparent,取 constraints 的最大值。

如果宽/高所对应的 measureMode 为 DX_ATMOST ,那么最终宽/高取 child 的宽/高即可。

布局空间如何实现 performLayout

布局控件在 performLayout 中除了需要确定自己的 size 以外,还需要设计好自己的布局规则。以 FrameLayout 为例来说明一下布局控件的 performLayout 该如何实现。

classDXFrameLayoutRenderextendsDXMultiChildLayoutRender{
@override
void performLayout() {
BoxConstraints childrenBoxConstraints = computeChildBoxConstraints();
double maxWidth = 0.0;
double maxHeight = 0.0;
//layout children
    visitDXChildren((RenderBox child,int index,DXWidgetNode childNodeData,DXMultiChildLayoutParentData childParentData) {
if(sizedByParent) {
        child.layout(childrenBoxConstraints,parentUsesSize: true);
} else{
        child.layout(childrenBoxConstraints,parentUsesSize: true);
        maxWidth = max(maxWidth,child.size.width);
        maxHeight = max(maxHeight,child.size.height);
}
});
//compute size
if(!sizedByParent) {
      size = defaultComputeSize(Size(maxWidth, maxHeight));
}
//compute children offsets
    visitDXChildren((RenderBox child,int index,DXWidgetNode childNodeData,DXMultiChildLayoutParentData childParentData) {
Alignment alignment = DXRenderCommon.gravityToAlignment(childNodeData.gravity ?? nodeData.childGravity);
      childParentData.offset = alignment.alongOffset(size - child.size);
});
}
}

FrameLayout 的布局过程一共可分为3部分

  1. layout 所有的 children,如果 FrameLayoutRender 不是 sizedByParent ,需要同时计算所有children 的最大宽度与最大高度,用于计算自身 size 。
  2. 计算自身size,其中计算方案defaultComputeSize详见上一小节
  3. 将gravity转化为alignment,计算所有children的offsets。
    看了FrameLayout的布局过程,是否觉得非常简单呢?不过需要指出的是,上述FrameLayoutRender的代码会遇到一些Bad Case,其中比较经典的问题就是FrameLayout的宽/高为matchcontent,而其children的宽/高均为matchparent。这种情况在Android下会对同一个child进行"两次measure",那么在Flutter下该如何实现呢?

Flutter如何实现两次measure的问题?

我们先来看一个例子:

image.png

上图的LinearLayout是一个竖向线性布局,width被设为了matchcontent,它包含了两个TextView,width均为matchparent,那么这个例子中,整个布局的流程应该是怎样的呢。

首先需要依次measure两个TextView的width,MeasureSpecMode为AT_MOST,简单来说,就是问它们具体需要多宽。接着LinearLayout会将两个TextView需要的宽度的最大值设为自己的宽度。最后,对两个TextView进行第二次measure,此时MeasureSpecMode会被改为Exactly,MeasureSpecSize为LinearLayout的宽度。

而常见的Flutter的layout过程为以下两种:

  • 先在performResize中计算自身size,再通过 child.layout确定children sizes
  • 先通过child.layout确定children sizes,再根据children sizes计算自身size

以上方案均不能满足例子中我们想要的效果,需要找到一个方案,在调用child.layout之前,便能知道child的宽高。最后我们发现,getMinIntrinsicWidth、getMaxIntrinsicWidth、getMinIntrinsicHeight、getMaxIntrinsicHeight四个方法能够满足我们。以getMaxIntrinsicHeight为例,来讲讲这些方法的用途。

double getMaxIntrinsicWidth(double  height) {
return _computeIntrinsicDimension(_IntrinsicDimension.maxWidth, height, computeMaxIntrinsicWidth);
}

getMaxIntrinsicWidth接收一个参数height,用于确定当height为这个值时maxIntrinsicWidth应该是多少。这个方法最终会通过computeMaxIntrinsicWidth方法来计算maxIntrinsicWidth,计算结果会被保存。如果需要重写,不应该重写getMaxIntrinsicWidth方法,而是应该重写computeMaxIntrinsicWidth方法。需要注意的是这些方法并非轻量级方法,只有在真正需要的时候才可使用。

或许你不禁要问,这些方法计算出来的宽高准吗?实际上每个 RenderBox 的子类都需要保证这些方法的正确性,比如用于展示文字的 RenderParagraph 就实现了这些 compute 方法,因此得以在RenderParagraph没被layout之前,获取其宽度。
我们设计的 Render 层中的类也得实现 compute 方法,这些方法实现起来并不复杂,还是以 DXSingleChildLayoutRender 为例子来说明该如何实现这些方法。

@override
double computeMaxIntrinsicWidth(double height) {
if(nodeData.width != null) {
return nodeData.width;
}
if(child != null) return child.getMaxIntrinsicWidth(height);
return0.0;
}

上述代码比较简单,不再赘述。

那么我们再简单看一下例子中的问题——先通过 child.getMaxIntrinsicWidth来计算每个 child 需要的 width。接着将这些宽度的最大值确定 LinearLayout 的width,最后通过 child.layout 对每个孩子进行布局,传入的 constraints 的maxWidth 和 minWidth 均为 LinearLayout的width。

效果

新版渲染架构使得Flutter能理解并对齐 DSL 的布局理念,系统性解决了之前遇到的 Bad Case ,为 Flutter 动态模板方案带来了更多的可能性。

image.png

对新老版本的渲染性能做了测试对比,在新版渲染架构下通过页面渲染耗时对比以及 FPS 对比可以发现,动态模板的渲染性能得到了进一步的提升。

image.png

后续展望

在渲染架构升级之后,我们彻底解决了之前遇到的 Bad Case ,并为系统性分析解决这类问题提供了有力的抓手,还进一步提升了渲染性能,这让 Flutter 动态模板渲染成为了可能。未来我们将继续完善这套解决方案,做到技术赋能业务。

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


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