Flutter 架构概览

该文章旨在提供更深入的 Flutter 架构概览,包含其设计层面的核心原则及概念。

Flutter 是一个跨平台的 UI 工具集,它的设计初衷,就是允许在各种操作系统上复用同样的代码,例如 iOS 和 Android,同时让应用程序可以直接与底层平台服务进行交互。如此设计是为了让开发者能够在不同的平台上,都能交付拥有原生体验的高性能应用,尽可能地共享复用代码的同时,包容不同平台的差异。

在开发中,Flutter 应用会在一个 VM(程序虚拟机)中运行,从而可以在保留状态且无需重新编译的情况下,热重载相关的更新。对于发行版 (release) ,Flutter 应用程序会直接编译为机器代码(Intel x64 或 ARM 指令集),或者针对 Web 平台的 JavaScript。 Flutter 的框架代码是开源的,遵循 BSD 开源协议,并拥有蓬勃发展的第三方库生态来补充核心库功能。

概览分为以下几部分内容:

  1. 分层模型:Flutter 的构成要素。

  2. 响应式用户界面:Flutter 用户界面开发的核心概念。

  3. widgets 介绍:构建 Flutter 用户界面的基石。

  4. 渲染过程:Flutter 如何将界面布局转化为像素。

  5. 平台嵌入层 的概览:让 Flutter 应用可以在移动端及桌面端操作系统执行的代码。

  6. 将 Flutter 与其他代码进行集成:Flutter 应用可用的各项技术的更多信息。

  7. Web 支持:Flutter 在浏览器环境中的特性的概述。

架构层

Flutter 被设计为一个可扩展的分层系统。它可以被看作是各个独立的组件的系列合集,上层组件各自依赖下层组件。组件无法越权访问更底层的内容,并且框架层中的各个部分都是可选且可替代的。

Architectural
diagram

对于底层操作系统而言,Flutter 应用程序的包装方式与其他原生应用相同。在每一个平台上,会包含一个特定的嵌入层,从而提供一个程序入口,程序由此可以与底层操作系统进行协调,访问诸如 surface 渲染、辅助功能和输入等服务,并且管理事件循环队列。该嵌入层采用了适合当前平台的语言编写,例如 Android 使用的是 Java 和 C++, iOS 和 macOS 使用的是 Objective-C 和 Objective-C++,Windows 和 Linux 使用的是 C++。 Flutter 代码可以通过嵌入层,以模块方式集成到现有的应用中,也可以作为应用的主体。 Flutter 本身包含了各个常见平台的嵌入层,同时也 存在一些其他的嵌入层

Flutter 引擎 毫无疑问是 Flutter 的核心,它主要使用 C++ 编写,并提供了 Flutter 应用所需的原语。当需要绘制新一帧的内容时,引擎将负责对需要合成的场景进行栅格化。它提供了 Flutter 核心 API 的底层实现,包括图形(通过 Skia)、文本布局、文件及网络 IO、辅助功能支持、插件架构和 Dart 运行环境及编译环境的工具链。

引擎将底层 C++ 代码包装成 Dart 代码,通过 dart:ui 暴露给 Flutter 框架层。该库暴露了最底层的原语,包括用于驱动输入、图形、和文本渲染的子系统的类。

通常,开发者可以通过 Flutter 框架层 与 Flutter 交互,该框架提供了以 Dart 语言编写的现代响应式框架。它包括由一系列层组成的一组丰富的平台,布局和基础库。从下层到上层,依次有:

  • 基础的 foundational 类及一些基层之上的构建块服务,如 animationpaintinggestures,它们可以提供上层常用的抽象。

  • 渲染层 用于提供操作布局的抽象。有了渲染层,你可以构建一棵可渲染对象的树。在你动态更新这些对象时,渲染树也会自动根据你的变更来更新布局。

  • widget 层 是一种组合的抽象。每一个渲染层中的渲染对象,都在 widgets 层中有一个对应的类。此外,widgets 层让你可以自由组合你需要复用的各种类。响应式编程模型就在该层级中被引入。

  • MaterialCupertino 库提供了全面的 widgets 层的原语组合,这套组合分别实现了 Material 和 iOS 设计规范。

Flutter 框架相对较小,因为一些开发者可能会使用到的更高层级的功能已经被拆分到不同的软件包中,使用 Dart 和 Flutter 的核心库实现,其中包括平台插件,例如 camerawebview;与平台无关的功能,例如 charactershttpanimations。还有一些软件包来自于更为宽泛的生态系统中,例如 应用内支付Apple 认证Lottie 动画

该概览的其余部分将从 UI 开发的响应式范例开始,浏览各个构建层。而后,我们会讲述 widgets 如何被组织,并转换成应用程序的渲染对象。同时我们也会讲述 Flutter 如何在平台层面与其他代码进行交互,最终,我们会对目前 Flutter 对于 Web 平台的支持与其他平台的异同做一个总结。

响应式用户界面

粗略一看,Flutter 是 一个响应式的且伪声明式的 UI 框架,开发者负责提供应用状态与界面状态之间的映射,框架则在运行时将应用状态的更改更新到界面上。这样的模型架构的灵感来自 Facebook 自己的 React 框架 ,其中包含了对传统设计理念的再度解构。

在大部分传统的 UI 框架中,界面的初始状态通常会被一次性定义,然后,在运行时根据用户代码分别响应事件进行更新。在这里有一项大挑战,即随着应用程序的复杂性日益增长,开发者需要对整个 UI 的状态关联有整体的认知。让我们来看看如下的 UI:

Color picker dialog

很多地方都可以更改状态:颜色框、色调滑条、单选按钮。在用户与 UI 进行交互时,状态的改变可能会影响到每一个位置。更糟糕的是,UI 的细微变动很有可能会引发无关代码的连锁反应,尤其是当开发者并未注意其关联的时候。

我们可以通过类似 MVC 的方式进行处理,开发者将数据的改动通过控制器(Controller)推至模型(Model),模型再将新的状态通过控制器推至界面(View)。但这样的处理方式仍然存在问题,因为创建和更新 UI 元素的操作被分离开了,容易造成它们的不同步。

Flutter 与其他响应式框架类似,采用了显式剥离基础状态和用户界面的方式,来解决这一问题。你可以通过 React 风格的 API,创建 UI 的描述,让框架负责通过配置优雅地创建和更新用户界面。

在 Flutter 里,widgets(类似于 React 中的组件)是用来配置对象树的不可变类。这些 widgets 会管理单独的布局对象树,接着参与管理合成的布局对象树。 Flutter 的核心就是一套高效的遍历树的变动的机制,它会将对象树转换为更底层的对象树,并在树与树之间传递更改。

build() 是将状态转化为 UI 的方法,widget 通过重写该方法来声明 UI 的构造:

UI = f(state)

build() 方法在框架需要时都可以被调用(每个渲染帧可能会调用一次),从设计角度来看,它应当能够快速执行且没有额外影响的。

这样的实现设计依赖于语言的运行时特征(特别是对象的快速实例化和清除)。幸运的是,Dart 非常适合这份工作

Widgets

如前所述,Flutter 强调以 widgets 作为组成单位。 Widgets 是构建 Flutter 应用界面的基础块,每个 widget 都是一部分不可变的 UI 声明。

Widgets 通过布局组合形成一种层次结构关系。每个 Widget 都嵌套在其父级的内部,并可以通过父级接收上下文。从根布局(托管 Flutter 应用的容器,通常是 MaterialAppCupertinoApp)开始,自上而下都是这样的结构,如下面的示例所示:

import 'package:flutter/material.dart';
import 'package:flutter/services.dart';

void main() => runApp(const MyApp());

class MyApp extends StatelessWidget {
  const MyApp({super.key});

  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return MaterialApp(
      home: Scaffold(
        appBar: AppBar(
          title: const Text('My Home Page'),
        ),
        body: Center(
          child: Builder(
            builder: (context) {
              return Column(
                children: [
                  const Text('Hello World'),
                  const SizedBox(height: 20),
                  ElevatedButton(
                    onPressed: () {
                      print('Click!');
                    },
                    child: const Text('A button'),
                  ),
                ],
              );
            },
          ),
        ),
      ),
    );
  }
}

在上面的代码中,所有实例化的类都是 widgets。

应用会根据事件交互(例如用户操作),通知框架替换层级中的旧 widget 为新 widget,然后框架会比较新旧 widgets,高效地更新用户界面。

Flutter 拥有其自己的 UI 控制实现,而不是由系统自带的方法进行托管:例如, iOS 的 Switch 控件Android 的选择控件 均有一个纯 Dart 实现

这样的实现有几个优势:

  • 提供了无限的扩展性。当开发者想要一个 Switch 的改装时,他们可以以任意方式创建一个,而不被系统提供的扩展所限制。

  • Flutter 可以直接合成所有的场景,而无需在 Flutter 与原生平台之间来回切换,从而避免了明显的性能瓶颈。

  • 将应用的行为与操作系统的依赖解耦。在任意一种系统平台上体验应用,都将是一致的,就算某个系统更改了其控件的实现,也是如此。

组成

Widgets 通常由更小的且用途单一的 widgets 组合而成,提供更强大的功能。

在设计时,相关的设计概念已尽可能地少量存在,而通过大量的内容进行填充。(译者注:即以最小的原语加最多的单一实现创造出最大的价值。)举个例子,Flutter 在 widgets 层中使用了相同的概念(一个 Widget)来表示屏幕上的绘制、布局(位置和大小)、用户交互、状态管理、主题、动画及导航。在动画层,AnimationTween 这对概念组合,涵盖了大部分的设计空间。在渲染层,RenderObject 用来描述布局、绘制、触摸判断及可访问性。在这些场景中,最终对应包含的内容都很多:有数百个 widgets 和 render objects,以及数十种动画和补间类型。

类的层次结构是有意的浅而广,以最大限度地增加可能的组合数量,重点放在小的、可组合的 widget 上,确保每个 widget 都能很好地完成一件事情。核心功能均被抽象,甚至像边距和对齐这样的基础功能,都被实现为单独的组件,而不是内置于核心中。(这样的实现也与传统的 API 形成了对比,类似边距这样的功能通常都内置在了每个组件的公共核心内, Flutter 中的 widget 则不同。)因此,如果你需要将一个 widget 居中,与其调整 Align 这样的属性,不如将它包裹在一个 Center widget 内。

Flutter 中包含了边距、对齐、行、列和网格系列的 widgets。这些布局类型的 widgets 自身没有视觉内容,而只用于控制其他 widgets 的部分布局条件。 Flutter 也包含了以这种组合方法组成的实用型 widgets。

例如,一个常用的 widget Container,是由几个 widget 组合而成,包含了布局、绘制、定位和大小的功能。更具体地说,Container 是由 LimitedBoxConstrainedBoxAlignPaddingDecoratedBoxTransform 组成的,你也可以通过查看源码看到这些组合。 Flutter 有一个典型的特征,即你可以深入到任意一个 widget,查看其源码。因此,你可以通过同样的方式组合其他的 widgets,也可以参考 Container 来创建其他的 widget,而不需要继承 Container 来实现自定义的效果。

构建 widgets

先前提到,你可以通过重写 build() 方法,返回一个新的元素树,来定义视觉展示。这棵树用更为具体的术语表示了 widget 在 UI 中的部分。例如,工具栏 widget 的 build 方法可能会返回 水平布局,其中可能包含一些 文字各种各样按钮。根据需要,框架会递归请求每个 widget 进行构建,直到整棵树都被 具体的可渲染对象 描述为止。然后,框架会将可渲染的对象缝合在一起,组成可渲染对象树。

Widget 的 build 方法应该是没有副作用的。每当一个方法要求构建时, widget 都应当能返回一个 widget 的元素树1,与先前返回的 widget 也没有关联。框架会根据渲染对象树(稍后将进一步介绍)来确定哪些构建方法需要被调用,这是一项略显繁重的工作。有关这个过程的更多信息,可以在 Flutter 工作原理 中进一步了解。

每个渲染帧,Flutter 都可以根据变化的状态,调用 build() 方法重建部分 UI。因此,保证 build 方法轻量且能快速返回 widget 是非常关键的,繁重的计算工作应该通过一些异步方法完成,并存储在状态中,在 build 方法中使用。

尽管这样的实现看起来不够成熟,但这样的自动对比方法非常有效,可以实现高性能的交互应用。同时,以这种方式设计的 build 方法,将着重点放在 widget 组成的声明上,从而简化了你的代码,而不是以一种状态去更新另一种状态这样的复杂过程。

Widget 的状态

框架包含两种核心的 widget 类:有状态的无状态的 widget。

大部分 widget 都没有需要变更的状态:它们并不包含随时变化的属性(例如图标或者标签)。这些 widget 会继承 StatelessWidget

然而,当 widget 拥有需要根据用户交互或其他因素而变化的特有属性,它就是 有状态的。例如,计数器 widget 在用户点击按钮时数字递增,那么计数值就是计数器 widget 的状态。当值变化时,widget 则需要被重建以更新相关部分的 UI。这些 widget 会继承 StatefulWidget,并且「可变的」状态会保存在继承 State 的另一个子类中(因为 widget 本身是不可变的)。 StatefulWidget 自身没有 build 方法,而在其对应的 State 对象中。

每当你更改 State 对象时(例如计数增加),你需要调用 setState() 来告知框架,再次调用 State 的构建方法来更新 UI。

将状态和 widget 对象分离,可以使其他 widget 无差异地看待无状态和有状态 widget,而不必担心丢失状态。父级无需担心状态的丢失,可以随时创建新的实例,并不需要通过子级关系保持其状态。框架也会在合适的时间,复用已存在的状态对象。

状态管理

那么,在众多 widget 都持有状态的情况下,系统中的状态是如何被传递和管理的呢?

与其他类相同,你可以通过 widget 的构造函数来初始化数据,如此一来 build() 方法可以确保子 widget 使用其所需的数据进行实例化:

@override
Widget build(BuildContext context) {
   return ContentWidget(importantState);
}

然而,随着 widget 树层级逐渐加深,依赖树形结构上下传递状态信息会变得十分麻烦。这时,第三种类型的 widget—— InheritedWidget,提供了一种从共同的祖先节点获取数据的简易方法。你可以使用 InheritedWidget 创建包含状态的 widget,该 widget 会将一个共同的祖先节点包裹在 widget 树中,如下面的例子所示:

Inherited widgets

现在,当 ExamWidgetGradeWidget 对象需要获取 StudentState 的数据时,可以直接使用以下方式:

final studentState = StudentState.of(context);

调用 of(context) 会根据当前构建的上下文(即当前 widget 位置的句柄),并返回类型为 StudentState在树中距离最近的祖先节点InheritedWidget 同时也包含了 updateShouldNotify() 方法, Flutter 会调用它来判断依赖了某个状态的 widget 是否需要重建。

InheritedWidget 在 Flutter 框架中被大量用于共享状态,例如应用的 视觉主题,包含了应用于整个应用的 颜色和字体样式等属性MaterialAppbuild() 方法会在构建时在树中插入一个主题,更深层级的 widget 便可以使用 .of() 方法来查找相关的主题数据,例如:

Container(
  color: Theme.of(context).secondaryHeaderColor,
  child: Text(
    'Text with a background color',
    style: Theme.of(context).textTheme.headline6,
  ),
);

类似地,以该方法实现的还有提供了页面路由的 Navigator、提供了屏幕信息指标,包括方向、尺寸和亮度的 MediaQuery 等。

随着应用程序的不断迭代,更高级的状态管理方法变得更有吸引力,它们可以减少有状态的 widget 的创建。许多 Flutter 应用使用了 provider 用于状态管理,它对 InheritedWidget 进行了进一步的包装。 Flutter 的分层架构也允许使用其他实现来替换状态至 UI 的方案,例如 flutter_hooks

渲染和布局

本节介绍 Flutter 的渲染机制,包括将 widget 层级结构转换成屏幕上绘制的实际像素的一系列步骤。

Flutter 的渲染模型

你可能思考过:既然 Flutter 是一个跨平台的框架,那么它如何提供与原生平台框架相当的性能?

让我们从安卓原生应用的角度开始思考。当你在编写绘制的内容时,你需要调用 Android 框架的 Java 代码。 Android 的系统库提供了可以将自身绘制到 Canvas 对象的组件,接下来 Android 就可以使用由 C/C++ 编写的 Skia 图像引擎,调用 CPU 和 GPU 完成在设备上的绘制。

通常来说,跨平台框架都会在 Android 和 iOS 的 UI 底层库上创建一层抽象,该抽象层尝试抹平各个系统之间的差异。这时,应用程序的代码常常使用 JavaScript 等解释型语言来进行编写,这些代码会与基于 Java 的 Android 和基于 Objective-C 的 iOS 系统进行交互,最终显示 UI 界面。所有的流程都增加了显著的开销,在 UI 和应用逻辑有繁杂的交互时更为如此。

相比之下,Flutter 通过绕过系统 UI 组件库,使用自己的 widget 内容集,削减了抽象层的开销。用于绘制 Flutter 图像内容的 Dart 代码被编译为机器码,并使用 Skia 进行渲染。 Flutter 同时也嵌入了自己的 Skia 副本,让开发者能在设备未更新到最新的系统时,也能跟进升级自己的应用,保证稳定性并提升性能。

从用户操作到 GPU

对于 Flutter 的渲染机制而言,首要原则是 简单快速。 Flutter 为数据流向系统提供了直通的管道,如以下的流程图所示:

Render pipeline sequencing
diagram

接下来,让我们更加深入了解其中的一些阶段。

构建:从 Widget 到 Element

首先观察以下的代码片段,它代表了一个简单的 widget 层次结构:

Container(
  color: Colors.blue,
  child: Row(
    children: [
      Image.network('https://www.example.com/1.png'),
      const Text('A'),
    ],
  ),
);

当 Flutter 需要绘制这段代码片段时,框架会调用 build() 方法,返回一棵基于当前应用状态来绘制 UI 的 widget 子树。在这个过程中,build() 方法可能会在必要时,根据状态引入新的 widget。在上面的例子中,Containercolorchild 就是典型的例子。我们可以查看 Container源代码,你会看到当 color 属性不为空时,ColoredBox 会被加入用于颜色布局。

if (color != null)
  current = ColoredBox(color: color!, child: current);

与之对应的,ImageText 在构建过程中也会引入 RawImageRichText。如此一来,最终生成的 widget 结构比代码表示的层级更深,在该场景中如下图2

Render pipeline sequencing
diagram

这就是为什么你在使用 Dart DevTools 的 Flutter inspector 调试 widget 树结构时,会发现实际的结构比你原本代码中的结构层级更深。

在构建的阶段,Flutter 会将代码中描述的 widgets 转换成对应的 Element 树,每一个 Widget 都有一个对应的 Element。每一个 Element 代表了树状层级结构中特定位置的 widget 实例。目前有两种 Element 的基本类型:

  • ComponentElement,其他 Element 的宿主。

  • RenderObjectElement,参与布局或绘制阶段的 Element。

Render pipeline sequencing
diagram

RenderObjectElement 是底层 RenderObject 与对应的 widget 之间的桥梁,我们晚些会介绍它。

任何 widget 都可以通过其 BuildContext 引用到 Element,它是该 widget 在树中的位置的句柄。类似 Theme.of(context) 方法调用中的 context,它作为 build() 方法的参数被传递。

由于 widgets 以及它上下节点的关系都是不可变的,因此,对 widget 树做的任何操作(例如将 Text('A') 替换成 Text('B'))都会返回一个新的 widget 对象集合。但这并不意味着底层呈现的内容必须要重新构建。 Element 树每一帧之间都是持久化的,因此起着至关重要的性能作用, Flutter 依靠该优势,实现了一种好似 widget 树被完全抛弃,而缓存了底层表示的机制。 Flutter 可以根据发生变化的 widget,来重建需要重新配置的 Element 树的部分。

布局和渲染

很少有应用只绘制单个 widget。因此,有效地排布 widget 的结构及在渲染完成前决定每个 Element 的大小和位置,是所有 UI 框架的重点之一。

在渲染树中,每个节点的基类都是 RenderObject,该基类为布局和绘制定义了一个抽象模型。这是再平凡不过的事情:它并不总是一个固定的大小,甚至不遵循笛卡尔坐标规律(根据该 极坐标系的示例 所示)。每一个 RenderObject 都了解其父节点的信息,但对于其子节点,除了如何 访问 和获得他们的布局约束,并没有更多的信息。这样的设计让 RenderObject 拥有高效的抽象能力,能够处理各种各样的使用场景。

在构建阶段,Flutter 会为 Element 树中的每个 RenderObjectElement 创建或更新其对应的一个从 RenderObject 继承的对象。 RenderObject 实际上是原语:渲染文字的 RenderParagraph、渲染图片的 RenderImage 以及在绘制子节点内容前应用变换的 RenderTransform 是更为上层的实现。

Differences between the widgets hierarchy and the element and render
trees

大部分的 Flutter widget 是由一个继承了 RenderBox 的子类的对象渲染的,它们呈现出的 RenderObject 会在二维笛卡尔空间中拥有固定的大小。 RenderBox 提供了 盒子限制模型,为每个 widget 关联了渲染的最小和最大的宽度和高度。

在进行布局的时候,Flutter 会以 DFS(深度优先遍历)方式遍历渲染树,并 将限制以自上而下的方式 从父节点传递给子节点。子节点若要确定自己的大小,则 必须 遵循父节点传递的限制。子节点的响应方式是在父节点建立的约束内 将大小以自下而上的方式 传递给父节点。

Constraints go down, sizes go
up

在遍历完一次树后,每个对象都通过父级约束而拥有了明确的大小,随时可以通过调用 paint() 进行渲染。

盒子限制模型十分强大,它的对象布局的时间复杂度是 O(n)

  • 父节点可以通过设定最大和最小的尺寸限制,决定其子节点对象的大小。例如,在一个手机应用中,最高层级的渲染对象将会限制其子节点的大小为屏幕的尺寸。(子节点可以选择如何占用空间。例如,它们可能在设定的限制中以居中的方式布局。)

  • 父节点可以决定子节点的宽度,而让子节点灵活地自适应布局高度(或决定高度而自适应宽度)。现实中有一种例子就是流式布局的文本,它们常常会填充横向限制,再根据文字内容的多少决定高度。

这样的盒子约束模型,同样也适用于子节点对象需要知道有多少可用空间渲染其内容的场景,通过使用 LayoutBuilder widget,子节点可以得到从上层传递下来的约束,并合理利用该约束对象,使用方法如下:

Widget build(BuildContext context) {
  return LayoutBuilder(
    builder: (context, constraints) {
      if (constraints.maxWidth < 600) {
        return const OneColumnLayout();
      } else {
        return const TwoColumnLayout();
      }
    },
  );
}

更多有关约束和布局系统的信息,及可参考的例子,可以在 深入理解 Flutter 布局约束 文章中查看。

所有 RenderObject 的根节点是 RenderView,代表了渲染树的总体输出。当平台需要渲染新的一帧内容时(例如一个 vsync 信号或者一个纹理的更新完成),会调用一次 compositeFrame() 方法,它是 RenderView 的一部分。该方法会创建一个 SceneBuilder 来触发当前画面的更新。当画面更新完毕,RenderView 会将合成的画面传递给 dart:ui 中的 Window.render() 方法,控制 GPU 进行渲染。

有关渲染流程的合成和栅格化阶段的更多细节,将不在本篇深入文章中讨论,但可以在 关于 Flutter 渲染流程的讨论 中了解更多。

Platform embedding

我们都知道,Flutter 的界面构建、布局、合成和绘制全都由 Flutter 自己完成,而不是转换为对应平台系统的原生组件。获取纹理和联动应用底层的生命周期的方法,不可避免地会根据平台特性而改变。 Flutter 引擎本身是与平台无关的,它提供了一个稳定的 ABI(应用二进制接口),包含一个 平台嵌入层,可以通过其方法设置并使用 Flutter。

平台嵌入层是用于呈现所有 Flutter 内容的原生系统应用,它充当着宿主操作系统和 Flutter 之间的粘合剂的角色。当你启动一个 Flutter 应用时,嵌入层会提供一个入口,初始化 Flutter 引擎,获取 UI 和栅格化线程,创建 Flutter 可以写入的纹理。嵌入层同时负责管理应用的生命周期,包括输入的操作(例如鼠标、键盘和触控)、窗口大小的变化、线程管理和平台消息的传递。 Flutter 拥有 Android、iOS、Windows、macOS 和 Linux 的平台嵌入层,当然,开发者可以创建自定义的嵌入层,正如这个 可用的例子 以 VNC 风格的帧缓冲区支持了远程 Flutter,还有 [支持树莓派运行的例子]https://github.com/ardera/flutter-pi)。

每一个平台都有各自的一套 API 和限制。以下是一些关于平台简短的说明:

  • 在 iOS 和 macOS 上, Flutter 分别通过 UIViewControllerNSViewController 载入到嵌入层。这些嵌入层会创建一个 FlutterEngine,作为 Dart VM 和您的 Flutter 运行时的宿主,还有一个 FlutterViewController,关联对应的 FlutterEngine,传递 UIKit 或者 Cocoa 的输入事件到 Flutter,并将 FlutterEngine 渲染的帧内容通过 Metal 或 OpenGL 进行展示。

  • 在 Android 上,Flutter 默认作为一个 Activity 加载到嵌入层中。此时视图是通过一个 FlutterView 进行控制的,基于 Flutter 内容的合成和 z 排列 (z-ordering) 的要求,将 Flutter 的内容以视图模式或纹理模式进行呈现。

  • 在 Windows 上,Flutter 的宿主是一个传统的 Win32 应用,内容是通过一个将 OpenGL API 调用转换成 DirectX 11 的等价调用的库 ANGLE 进行渲染的。目前正在尝试将 UWP 应用作为 Windows 的一种嵌入层,并将 ANGLE 替换为通过 DirectX 12 直接调用 GPU 的方式。

与其他代码进行集成

Flutter 提供了多种代码交互机制,无论你是在调用 Kotlin 或者 Swift 这些语言编写的代码或 API,或是调用 C 语言基础的 API,或是将原生代码能力嵌入 Flutter 应用,又或是将 Flutter 嵌入现有的应用。

平台通道

对于移动端和桌面端应用而言,Flutter 提供了通过 平台通道 调用自定义代码的能力,这是一种非常简单的在宿主应用之间让 Dart 代码与平台代码通信的机制。通过创建一个常用的通道(封装通道名称和编码),开发者可以在 Dart 与使用 Kotlin 和 Swift 等语言编写的平台组件之间发送和接收消息。数据会由 Dart 类型(例如 Map)序列化为一种标准格式,然后反序列化为 Kotlin(例如 HashMap)或者 Swift(例如 Dictionary)中的等效类型。

How platform channels allow Flutter to communicate with host
code

下方的示例是在 Kotlin (Android) 或 Swift (iOS) 中处理 Dart 调用平台通道事件的简单接收处理:

// Dart side
const channel = MethodChannel('foo');
final String greeting = await channel.invokeMethod('bar', 'world');
print(greeting);
// Android (Kotlin)
val channel = MethodChannel(flutterView, "foo")
channel.setMethodCallHandler { call, result ->
  when (call.method) {
    "bar" -> result.success("Hello, ${call.arguments}")
    else -> result.notImplemented()
  }
}
// iOS (Swift)
let channel = FlutterMethodChannel(name: "foo", binaryMessenger: flutterView)
channel.setMethodCallHandler {
  (call: FlutterMethodCall, result: FlutterResult) -> Void in
  switch (call.method) {
    case "bar": result("Hello, \(call.arguments as! String)")
    default: result(FlutterMethodNotImplemented)
  }
}

更多关于如何使用平台通道的例子,包括 macOS 平台的示例,可以在 flutter/plugins 代码仓库 3找到。

外部函数接口

对于基于 C 语言的 API,包括使用现代语言 Rust 或 Go 生成的代码, Dart 也提供了 dart:ffi 库,一套直接绑定原生代码的机制。外部函数接口 (foreign function interface,FFI) 比平台通道更快,因为不需要序列化即可传递数据。实际上,Dart 的运行时提供了在堆上分配 Dart 对象内存的支持,以及调用静态或动态链接库的能力。除了 Web 平台外,FFI 在其他平台均可以使用,因为 Web 平台上的 js 包 已经具有相同的用途。

若您需要使用 FFI,请为每一个 Dart 和未经管理的函数的签名创建一个 typedef,并且指示 Dart VM 为它们创建关联。下面这段代码片段是调用 Win32 的 MessageBox() API 的简单示例:

import 'dart:ffi';
import 'package:ffi/ffi.dart'; // contains .toNativeUtf16() extension method

typedef MessageBoxNative = Int32 Function(
  IntPtr hWnd,
  Pointer<Utf16> lpText,
  Pointer<Utf16> lpCaption,
  Int32 uType,
);

typedef MessageBoxDart = int Function(
  int hWnd,
  Pointer<Utf16> lpText,
  Pointer<Utf16> lpCaption,
  int uType,
);

void exampleFfi() {
  final user32 = DynamicLibrary.open('user32.dll');
  final messageBox =
      user32.lookupFunction<MessageBoxNative, MessageBoxDart>('MessageBoxW');

  final result = messageBox(
    0, // No owner window
    'Test message'.toNativeUtf16(), // Message
    'Window caption'.toNativeUtf16(), // Window title
    0, // OK button only
  );
}

在 Flutter 应用中渲染原生内容

由于 Flutter 的内容会绘制在单一的纹理内,并且 widget 树是完全在内部的,因此在 Flutter 的内部模型中无法存在 Android 视图之类的内容,也无法与 Flutter 的 widget 交错渲染对于需要在 Flutter 应用中展示原生组件(例如内置浏览器)的开发者来说,这是一个问题。

Flutter 通过引入了平台 widget (AndroidViewUiKitView) 解决了这个问题,开发者可以在每一种平台上嵌入此类内容。平台视图可以与其他的 Flutter 内容集成4。这些 widget 充当了底层操作系统与 Flutter 之间的桥梁。例如在 Android 上,AndroidView 主要提供了三项功能:

  • 拷贝原生视图渲染的图形纹理,在 Flutter 每帧渲染时提交给 Flutter 渲染层进行合成。

  • 响应命中测试和输入手势,将其转换为等效的原生输入事件。

  • 创建类似的可访问性树,并在原生层与 Flutter 层之间传递命令和响应。

但不可避免的是,这样的同步操作必然会带来相应的开销。因此该方法通常更适合复杂的控件,例如谷歌地图这种不适合在 Flutter 中重新实现的。

通常 Flutter 应用会在 build() 方法中基于平台判断来实例化这些 widget。例如在 google_maps_flutter 插件中:

if (defaultTargetPlatform == TargetPlatform.android) {
  return AndroidView(
    viewType: 'plugins.flutter.io/google_maps',
    onPlatformViewCreated: onPlatformViewCreated,
    gestureRecognizers: gestureRecognizers,
    creationParams: creationParams,
    creationParamsCodec: const StandardMessageCodec(),
  );
} else if (defaultTargetPlatform == TargetPlatform.iOS) {
  return UiKitView(
    viewType: 'plugins.flutter.io/google_maps',
    onPlatformViewCreated: onPlatformViewCreated,
    gestureRecognizers: gestureRecognizers,
    creationParams: creationParams,
    creationParamsCodec: const StandardMessageCodec(),
  );
}
return Text(
    '$defaultTargetPlatform is not yet supported by the maps plugin');

如上文所述,AndroidViewUiKitView 通常是利用平台通道的机制与原生进行通信。

目前桌面平台尚未支持平台视图,但这并不是一个架构层面的限制。未来可能将增加对桌面平台的支持。

在上层应用中托管 Flutter 内容

与上一个场景相反的是,将 Flutter widget 集成至现有的 Android 或 iOS 应用中。先前提到,新创建的 Flutter 应用,在移动设备上是在一个 Android 的 Activity 或 iOS 的 UIViewController 中运行。开发者可以使用相同的嵌入 API 将 Flutter 内容集成至现有的 Android 或 iOS 应用中。

Flutter 模块模板设计简单,易于嵌入。开发者可以将其作为源代码依赖项集成到 Gradle 或 Xcode 构建定义中,或者将其打包成 Android Archive (AAR) 或 iOS Framework 二进制供其他开发者使用,而无需安装 Flutter。

Flutter 引擎需要一段短暂的时间做初始化,用于加载 Flutter 的共享库、初始化 Dart 的运行时、创建并运行 Dart isolate 线程并将渲染层与 UI 进行绑定。为了最大限度地减少呈现 Flutter 界面时的延迟,最好是在应用初始化时或至少在第一个 Flutter 页面展示前,一并初始化 Flutter 引擎,如此一来用户不会在首个 Flutter 页面加载时感到突然地卡顿。另外,Flutter 的引擎分离使得多个 Flutter 页面可以复用引擎,共享必要库加载时的内存消耗。

更多将 Flutter 集成至现有的 Android 和 iOS 应用的内容,可在 控制加载顺序,优化性能与内存 文章中查看。

Flutter 对 Web 的支持

虽然 Flutter 支持的所有平台的都适用于同一个架构概念,但是在 Web 平台的支持上有一些独特的特征值得说明。

Dart 语言存在之初就已经支持直接编译成 JavaScript,并且针对开发和生产目的对其工具链进行了优化。许多重要的应用已经使用 Dart 编译成的 JavaScript 在生产环境上运行,包括 Google Ads 的广告商工具。由于 Flutter 框架是 Dart 编写的,将其编译成 JavaScript 相对而言更为简单。

然而,使用 C++ 编写的 Flutter 引擎是为了与底层操作系统进行交互的,而不是 Web 浏览器。因此我们需要另辟蹊径。Flutter 在 Web 平台上以浏览器的标准 API 重新实现了引擎。目前我们有两种在 Web 上呈现内容的选项:HTML 和 WebGL。在 HTML 模式下,Flutter 使用 HTML、CSS、Canvas 和 SVG 进行渲染。而在 WebGL 模式下,Flutter 使用了一个编译为 WebAssembly 的 Skia 版本,名为 CanvasKit。 HTML 模式提供了最佳的代码大小,CanvasKit 则提供了浏览器图形堆栈渲染的最快途径,并为原生平台的内容5提供了更高的图形保真度。

Web 版本的分层架构图如下所示:

Flutter web
architecture

与其他运行 Flutter 的平台相比,最明显的区别也许是 Flutter 不再需要提供 Dart 的运行时。取而代之的是 Flutter 框架本身(和你写的代码)一并编译成 JavaScript。另外值得注意的是,Dart 在不同模式下(JIT 和 AOT、平台原生和 Web 编译)的语义几乎没有差异,大部分开发者绝对可以无差异地编写这两种模式下的代码。

在进行开发时,Web 版本的 Flutter 使用支持增量编译的编译器 dartdevc 进行编译,以支持应用热重启(尽管目前尚未支持热重载)。相反,当你准备好创建一个生产环境的 Web 应用时,Dart 深度优化的编译器 dart2js 将会用于编译,将 Flutter 核心框架和你的应用打包至缩小的源文件中,可部署在任何服务器上。代码可以在单个文件中提供,也可拆分至多个文件以 延迟加载库 提供。

更多信息

若你对 Flutter 的更多内部细节感兴趣 Flutter 工作原理 白皮书为框架的设计理念提供了很好的入门途径。


脚注:

1build 方法返回一个全新的结构树时,你只需要返回不同的内容,就可以合并一些新的配置。如果配置实际上是相同的,完全可以返回同样的 widget。

2 为了便于阅读,该图已进行简化。实际上的结构可能更为复杂。

3 在 Linux 和 Windows 平台的开发进程中,平台对应的示例可以在 Flutter 桌面集成代码仓库 中找到。随着这些平台的开发愈发成熟,这些内容会逐步迁移到 Flutter 主代码仓库中。

4 该方法有一些局限性,例如,平台视图的透明度计算与其他 Flutter widget 的计算不同。

5 其中一个例子便是阴影,它必须以等效于 DOM 原语的内容来实现,并且需要丢失一定的保真度。