帝国的纷争-Flutter-UI绘制解析

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前言

为避免传统的源码讲解方式的枯燥乏味，这一次，我尝试换一种方式，带着你以轻松的心态了解Flutter世界里的UI绘制流程，去探究Widget、Element、RenderObject的秘密。

废话不多说，听故事！《帝国的纷争》

故事

十载干戈，移动端格局渐定，壁垒分明。

北方草原金帐王朝Javascript虽内部纷争不断，但却一直窥视中原大陆，数年来袭扰不断，如今已夺得小片领土(ReactNative)。民间盛传：大前端融合之势已现！

2018年冬，Android边境小城Flutter突然宣布立国！并对两个移动端帝国正式宣战！！短短几日，已攻下数城。

而今天我们要讲的故事，就发生在战火最严重的Android边陲重镇：View城。

某日，Android View 城军事会议：

镇边大将军对手下谋士道：“Flutter 最近对我们发起了数次进攻，已下数城，知己不知彼乃军家大忌！谁能给我说说这个Flutter和我们现在的View到底有什么区别？”

下方谋士面面相窥，不得已终于一个谋士站了出来：“我愿意替将军前去打探一番！”

数日后，谋士：“臣卧底归来，探明Flutter与我们View城的主要区别在于编程范式和视图逻辑单元不同”

将军：“先讲编程范式如何不同？”

Android/Flutter 编程范式

将军，我们Android现在视图开发是命令式的，我们的每一个View都直接听从将军(Developer)的指挥，例如：想要变更界面某个文案，便要指明具体TextView调用他的setText方法命令文字发生变更；

而Flutter的视图开发是声明式的，对方的将军要做的是维护一套数据集,以及设定好一套布军计划（WidgetTree），并且为Widget“绑定”数据集中的某个数据，根据这个数据来渲染。
例如当需要变更文案时，便改变数据集中的数据，然后直接触发WidgetTree的重新渲染。这样Flutter的将军不再需要关注每一个士兵，大部分的精力都用来维护核心数据即可。

如果每一次操作都消耗一点将军的精力值，又刚好有同一个数据“绑定”到了多个View或Widget上。命令式的编程需要做的事情是 命令N个View发生变更，消耗N点精力值；

声明式编程需要做的事情是 变更数据+触发WidgetTree重绘,消耗2点精力值；对精力的解放，也是Flutter可以快速招揽到那么多将军的原因之一。

将军：”但每次数据变更，都会触发WidgetTree的重绘，消耗的资源未免也太大了吧，我现在虽然多消耗些精力，但不会存在大量对象创建的情况“。

Widget、Element、RenderObject概念

谋士：这也是马上要讲的第二点不同。因为WidgetTree会大量的重绘，所以Widget必然是廉价的。

Flutter UI有三大元素：Widget、Element、RenderObject。对应这三者也有三个owner负责管理他们，分别是WidgetOwner(将军&Developer)、BuildOwner、PipelineOwner。

  • Widget，Widget 并不是真正的士兵，它只是将军手中的棋子，是一些廉价的纯对象，持有一些渲染需要的配置信息，棋子在不断被替换着。

  • RenderObject，RenderObject 是真正和我们作战的士兵，在概念上和我们Android的View一样，渲染引擎会根据RenderObject来进行真正的绘制，它是相对稳定且昂贵的。

  • Element，使得不断变化Widget转变为相对稳定的RenderObject的功臣是Element。

WidgetOwner（Developer) 在不断改变着布军计划，然后向BuildOwner发送着一张又一张计划表（WidgetTree），首次的计划表（WidgetTree）会生成一个与之对应的ElementTree，并生成对应的RenderObjectTree。

后续BuildOwner每次收到新的计划表就与上一次的进行对比，在ElementTree上只更新变化的部分，Element变化之后，与之对应的RenderObject也就更新了。

可以看到WidgetTree全部被替换了，但ElementTree和RenderObjectTree只替换了变化的部分。

差点忘了讲 PipelineOwner， PipelineOwner类似于Android中的ViewRootImpl,管理着真正需要绘制的View，
最后PipelineOwner会对RenderObjectTree中发生变化节点的进行layout、paint、合成等等操作，最后交给底层引擎渲染。

将军：“我大概明白了，看来保证声明式编程性能稳定的核心在于这个Element和BuildOwner。但我看这里还有两个问题，RenderObject好像少了一个节点？你画图画错了吗？还有能给我讲下他是怎么把Widget和RenderObject链接起来，以及发生变化时，BuildOwner是如何做到元素Diff的吗？”

Widget、Element、RenderObject之间的关系

首先，每一个Widget家族的老长辈Widget赋予了所有的Widget子类三个关键的能力：保证自身唯一以及定位的Key, 创建Element的 createElement, 和 canUpdate。 canUpdate 的作用后面讲。

Widget子类里还有一批特别优秀强壮的，是在纸面上代表着有渲染能力的RenderObjectWidget,它还有一个创建 RenderObject的 createRenderObject 方法。

从这里你也看出来了，Widget、Element、RenderObject的创建关系并不是线性传递的，Element和RenderObject都是Widget创建出来的**，也并不是每一个Widget都有与之对应的RenderObjectWidget**。这也解释上面图中RenderObjectTree看起来和前面的WidgetTree缺少了一些节点。

Widget、Element、RenderObject 的第一次创建与关联

讲第一次创建，一定要从第一个被创建出来的士兵说起。我们都知道Android的ViewTree:

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-PhoneWindow
	- DecorView
		- TitleView
		- ContentView

已经预先有这么多View了，相比Android的ViewTree，Flutter的WidgetTree则要简单的多，只有最底层的root widget。

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- RenderObjectToWidgetAdapter<RenderBox>
	- MyApp (自定义)
	- MyMaterialApp （自定义）

简单介绍一下RenderObjectToWidgetAdapter，不要被他的adapter名字迷惑了，RenderObjectToWidgetAdapter其实是一个RenderObjectWidget，他就是第一个优秀且强壮的Widget。

这个时候就不得不搬出代码来看了,runApp源码：

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

WidgetsFlutterBinding ”迷信“了一系列的Binding，这些Binding持有了我们上面说的一些owner，比如BuildOwner，PipelineOwner，所以随着WidgetsFlutterBinding的初始化，其他的Binding也被初始化了，此时Flutter 的国家引擎开始转动了！

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void attachRootWidget(Widget rootWidget) {
    _renderViewElement = RenderObjectToWidgetAdapter<RenderBox>(
      container: renderView,
      debugShortDescription: '[root]',
      child: rootWidget
    ).attachToRenderTree(buildOwner, renderViewElement);
  }

我们最需要关注的是attachRootWidget(app)这个方法,这个方法很神圣，很多的第一次就在这个方法里实现了！！（将军：“很神圣？你是不叛变了？”），app 是我们传入的自定义Widget，内部会创建RenderObjectToWidgetAdapter，并将app做为它的child的。

紧接着又执行了attachToRenderTree,这个方法,这个方法也很神圣，创建了第一个Element和RenderObject

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RenderObjectToWidgetElement<T> attachToRenderTree(BuildOwner owner, [RenderObjectToWidgetElement<T> element]) {
    if (element == null) {
      owner.lockState(() {
        element = createElement();  //创建rootElement
        element.assignOwner(owner); //绑定BuildOwner
      });
      owner.buildScope(element, () { //子widget的初始化从这里开始
        element.mount(null, null);  // 初始化子Widget前，先执行rootElement的mount方法
      });
    } else {
      ...
    }
    return element;
  }

我们解释一下上面的图片，Root的创建比较简单：

  • 1.attachRootWidget(app) 方法创建了Root[Widget]（也就是 RenderObjectToWidgetAdapter）
  • 2.紧接着调用attachToRenderTree方法创建了 Root[Element]
  • 3.Root[Element]尝试调用mount方法将自己挂载到父Element上，因为自己就是root了，所以没有父Element，挂空了
  • 4.mount的过程中会调用Widget的createRenderObject,创建了 Root[RenderObject]

它的child，也就是我们传入的app是怎么挂载父控件上的呢？

  • 5.我们将app作为Root[Widget]（也就是 RenderObjectToWidgetAdapter），appp[Widget]也就成了为root[Widget]的child[Widget]
  • 6.调用owner.buildScope，开始执行子Tree的创建以及挂载，敲黑板！！！这中间的流程和WidgetTree的刷新流程是一模一样的，详细流程我们后面讲！
  • 7.调用createElement方法创建出Child[Element]
  • 8.调用Element的mount方法,将自己挂载到Root[Element]上，形成一棵树
  • 9.挂载的同时，调用widget.createRenderObject,创建Child[RenderObject]
  • 10.创建完成后，调用attachRenderObject,完成和Root[RenderObject]的链接

就这样，WidgetTree、ElementTree、RenderObject创建完成，并有各自的链接关系。

将军：“我想看一下这个mount和attachRenderObject的过程,看下到底是怎么挂上去的”

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abstract class Element：

void mount(Element parent, dynamic newSlot) {
    _parent = parent; //持有父Element的引用
    _slot = newSlot;
    _depth = _parent != null ? _parent.depth + 1 : 1;//当前节点的深度
    _active = true;
    if (parent != null) // Only assign ownership if the parent is non-null
      _owner = parent.owner; //每个Element的buildOwner，都来自父类的BuildOwner
    ...
  }

我们先看一下Element的挂载，就是让_parent持有父Element的引用，很简单对不对~

因为RootElement 是没有父Element的，所以参数传了null：element.mount(null, null);

还有两个值得注意的地方：

  • 节点的深度_depth 也是在这个时候计算的，深度对刷新很重要！先记下！
  • 每个Element的buildOwner，都来自父类的BuildOwner，这样可以保证一个ElementTree,只由一个BuildOwner来维护。
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abstract class RenderObjectElement:

@override
  void attachRenderObject(dynamic newSlot) {
    ...
    _ancestorRenderObjectElement = _findAncestorRenderObjectElement();
    _ancestorRenderObjectElement?.insertChildRenderObject(renderObject, newSlot);
    ...
  }

RenderObject与父RenderObject的挂载稍微复杂了点。通过代码我们可以看到需要先查询一下自己的AncestorRenderObject,这是为什么呢？

还记得之前我们讲过，每一个Widget都有一个对应的Element，但Element不一定会有对应的RenderObject。所以你的父Element并不一有RenderObject，这个时候就需要向上查找。

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RenderObjectElement _findAncestorRenderObjectElement() {
    Element ancestor = _parent;
    while (ancestor != null && ancestor is! RenderObjectElement)
      ancestor = ancestor._parent;
    return ancestor;
  }

通过代码我们也可以看到，find方法在向上遍历Element，直到找到RenderObjectElement，RenderObjectElement肯定是有对应的RenderObject了，这个时候在进行RenderObject子父间的挂载。

Flutter的刷新流程：Element的复用

通过前面的了解，我们知道了虽然createRenderObject方法的实现是在Widget当中，但持有RenderObject引用的却是Element。忘记啦？那我们再看看代码：

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abstract class RenderObjectElement extends Element {
	...
	
  @override
  RenderObjectWidget get widget => super.widget;

  @override
  RenderObject get renderObject => _renderObject;
  RenderObject _renderObject;
}

Element同时持有两者，可以说，element就是Widget 和 RenderObject的中间商，它也确实在赚差价……

这个时候Root Widget，Root Element，Root RenderObject都已经创建完成并且三者链接成功。将军您看还有什么问题吗？

将军：“Flutter内部还有中间商赚差价呢？真腐败！诶你说说他是怎么赚差价的啊？说不定我也可以学学~”

Flutter如果想要刷新界面，需要在StatefulWidget里调用setState()方法，setState()干啥了呢？

@protected
void setState(VoidCallback fn) {
…
_element.markNeedsBuild();
}

将军我们实际演练一下，假设Flutter派出了这么一个WidgetTree:

刷新第1步：Element标记自身为dirty，并通知buildOwner处理

当对方想改变下方Text Widget的文案时，会在MyStatefulWidget内部调用setState((){_title="ttt"}) ，之后该widget对应的element将自身标记为dirty状态,并调用owner.scheduleBuildFor(this);通知buildOwner进行处理。

后续MyStatefulWidget的build方法一定会被执行，执行后，会创建新的子Widget出来，原来的子Widget便被抛弃掉了（将军：“好好的一个对象就这么被浪费了，哎……现在的年轻人~”）。

原来的子Widget肯定是没救了，但他们的Element大概率还是有救的。

刷新第2步：buildOwner将element添加到集合_dirtyElements中，并通知ui.window安排新的一帧

buildOwner会将所有dirty的Element添加到_dirtyElements当中，等待下一帧绘制时集中处理。

还会调用ui.window.scheduleFrame();通知底层渲染引擎安排新的一帧处理。

刷新第3步：底层引擎最终回到Dart层，并执行buildOwner的buildScope方法

这里很重要，所以用代码讲更清晰！

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void buildScope(Element context, [VoidCallback callback]){
	...
}

buildScope!! 还记的吗？前面讲Root创建的时候，我们就看到了Child的初次创建也是调用的buildScope方法!Tree的首帧创建和刷新是一套逻辑！

buildScope需要传入一个Element的参数，这个方法通过字面意思我们应该能理解，大概就是对这个Element以下（包含）的范围rebuild。

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void buildScope(Element context, [VoidCallback callback]) {
    ...
    try {
		...
		//1.排序
      _dirtyElements.sort(Element._sort);
     	...
      int dirtyCount = _dirtyElements.length;
      int index = 0;
      while (index < dirtyCount) {
        try {
        	//2.遍历rebuild
          _dirtyElements[index].rebuild();
        } catch (e, stack) {
        }
        index += 1;
      }
    } finally {
      for (Element element in _dirtyElements) {
        element._inDirtyList = false;
      }
      //3.清空
      _dirtyElements.clear();
		...
    }
  }
3.1步：按照Element的深度从小到大，对_dirtyElements进行排序

为啥要排序呢？因为父Widget的build方法必然会触发子Widget的build，如果先build了子Widget，后面再build父Widget时，子Widget又要被build一次。所以这样排序之后，可以避免子Widget的重复build。

3.2步：遍历执行_dirtyElements当中element的rebuild方法

值得一提的是，遍历执行的过程中，也有可能会有新的element被加入到_dirtyElements集合中，此时会根据dirtyElements集合的长度判断是否有新的元素进来了，如果有，就重新排序。

element的rebuild方法最终会调用performRebuild(),而performRebuild()不同的Element有不同的实现

3.3步：遍历结束之后，清空dirtyElements集合

刷新第4步：执行performRebuild()

performRebuild()不同的Element有不同的实现，我们暂时只看最常用的两个Element：

  • ComponentElement，是StatefulWidget和StatelessElement的父类
  • RenderObjectElement， 是有渲染功能的Element的父类
ComponentElement的performRebuild()
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void performRebuild() {
    Widget built;
    try {
      built = build();
    } 
    ...
    try {
      _child = updateChild(_child, built, slot);
    } 
    ...
  }

执行element的build();，以StatefulElement的build方法为例：Widget build() => state.build(this);。 就是执行了我们复写的StatefulWidget的state的build方法啦~

执行build方法build出来的是啥呢? 当然就是这个StatefulWidget的子Widget了。重点来了！敲黑板！！（将军：“又给我敲黑板？？”）Element就是在这个地方赚差价的！

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Element updateChild(Element child, Widget newWidget, dynamic newSlot) {
	...
		//1
    if (newWidget == null) {
      if (child != null)
        deactivateChild(child);
      return null;
    }
    
    if (child != null) {
    	//2
      if (child.widget == newWidget) {
        if (child.slot != newSlot)
          updateSlotForChild(child, newSlot);
        return child;
      }
      //3
      if (Widget.canUpdate(child.widget, newWidget)) {
        if (child.slot != newSlot)
          updateSlotForChild(child, newSlot);
        child.update(newWidget);
        return child;
      }
      deactivateChild(child);
    }
    //4
    return inflateWidget(newWidget, newSlot);
  }

参数child 是上一次Element挂载的child Element, newWidget 是刚刚build出来的。updateChild有四种可能的情况：

  • 1.如果刚build出来的widget等于null，说明这个控件被删除了，child Element可以被删除了。

  • 2.如果child的widget和新build出来的一样（Widget复用了），就看下位置一样不，不一样就更新下，一样就直接return了。Element还是旧的Element

  • 3.看下Widget是否可以update，Widget.canUpdate的逻辑是判断key值和运行时类型是否相等。如果满足条件的话，就更新，并返回。

中间商的差价哪来的呢？只要新build出来的Widget和上一次的类型和Key值相同，Element就会被复用！由此也就保证了虽然Widget在不停的新建，但只要不发生大的变化，那Element是相对稳定的，也就保证了RenderObject是稳定的！

  • 4.如果上述三个条件都没有满足的话，就调用 inflateWidget() 创建新的Element

这里再看下inflateWidget()方法：

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Element inflateWidget(Widget newWidget, dynamic newSlot) {
    final Key key = newWidget.key;
    if (key is GlobalKey) {
      final Element newChild = _retakeInactiveElement(key, newWidget);
      if (newChild != null) {
        newChild._activateWithParent(this, newSlot);
        final Element updatedChild = updateChild(newChild, newWidget, newSlot);
        return updatedChild;
      }
    }
    final Element newChild = newWidget.createElement();
    newChild.mount(this, newSlot);
    return newChild;
  }

首先会尝试通过GlobalKey去查找可复用的Element，复用失败就调用Widget的方法创建新的Element，然后调用mount方法，将自己挂载到父Element上去，mount之前我们也讲过，会在这个方法里创建新的RenderObject。

RenderObjectElement的performRebuild()
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@override
  void performRebuild() {
    widget.updateRenderObject(this, renderObject);
    _dirty = false;
  }

与ComponentElement的不同之处在于，没有去build，而是调用了updateRenderObject方法更新RenderObject。

不同Widget也有不同的updateRenderObject实现，我们看一下最常用的RichText，也就是Text。

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void updateRenderObject(BuildContext context, RenderParagraph renderObject) {
    assert(textDirection != null || debugCheckHasDirectionality(context));
    renderObject
      ..text = text
      ..textAlign = textAlign
      ..textDirection = textDirection ?? Directionality.of(context)
      ..softWrap = softWrap
      ..overflow = overflow
      ..textScaleFactor = textScaleFactor
      ..maxLines = maxLines
      ..locale = locale ?? Localizations.localeOf(context, nullOk: true);
  }

一些看起来比较熟悉的赋值操作，像不像Android的view呀？ 要不怎么说RenderObject实际相当于Android里的View呢。

到这里你基本就明白了Element是如何在中间应对Widget的多变，保障RenderObject的相对不变了吧~

Flutter的刷新流程：PipelineOwner对RenderObject的管理

在底层引擎最终回到Dart层，最终会执行WidgetsBinding 的drawFrame ()

WidgetsBinding

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void drawFrame() {
    try {
      if (renderViewElement != null)
        buildOwner.buildScope(renderViewElement);
      super.drawFrame();
      buildOwner.finalizeTree();
    } finally {
    }
	...
}

buildOwner.buildScope(renderViewElement);就是我们上面讲过的。

下面看一下super.drawFrame(); 主要是PipelineOwner对RenderObject的管理,我们简单介绍，详细的放在下期介绍。

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@protected
  void drawFrame() {
    assert(renderView != null);
    pipelineOwner.flushLayout();  //布局需要被布局的RenderObject
    pipelineOwner.flushCompositingBits(); // 判断layer是否变化
    pipelineOwner.flushPaint();  //绘制需要被绘制的RenderObject
    renderView.compositeFrame(); // this sends the bits to the GPU 将画好的layer传给engine绘制
    pipelineOwner.flushSemantics(); // this also sends the semantics to the OS. 一些语义场景需要
  }

Flutter的刷新流程：清理

drawFrame方法在最后执行了buildOwner.finalizeTree();

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void finalizeTree() {
    Timeline.startSync('Finalize tree', arguments: timelineWhitelistArguments);
    try {
      lockState(() {
        _inactiveElements._unmountAll(); // this unregisters the GlobalKeys
      });
     ...
    } catch (e, stack) {
      _debugReportException('while finalizing the widget tree', e, stack);
    } finally {
      Timeline.finishSync();
    }
  }

在做最后的清理工作。

将军：“_inactiveElements”又是个啥？之前咋没见过？

还记的前面讲Element赚差价的updateChild方法吗？所有没用的element都调用了deactivateChild方法进行回收：

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void deactivateChild(Element child) {
  child._parent = null;
  child.detachRenderObject();
  owner._inactiveElements.add(child); // this eventually calls child.deactivate()
}

也就在这里将被废弃的element添加到了_inactiveElements当中。

另外在废弃element之后，调用inflateWidget创建新的element时，还调用了_retakeInactiveElement尝试通过GlobalKey复用element，此时的复用池也是在_inactiveElements当中。

从这里也能了解到，如果你没有在一帧里通过GlobeKey完成Element的复用，_inactiveElements在最后将被清空，就没办法在复用了。

结尾

将军，现在您对Flutter的绘制流程有了初步的了解了吗？

将军：“有些了解了，但你讲了这么多，对比起来我们Android，听起来Flutter这一套绘制流程没啥缺点？ ”

当然有了，我们现在也只了解了Flutter的冰山一角，很多东西还没有发现。

但就只说动态向ViewTree中插入组件这一条，Flutter就没有我们灵活。比如Toast，现在的Toast组件都只能依赖methodChannel去调用我们原生的Toast。而Flutter提供的Scaffold组件，也是通过预先埋好的组件坑位，才实现了Material风格的Toast。

因为Flutter是声明式的，想要在运行中随时向WidgetTree插入一个Widget，目前还没有成熟接口。

但相信随着Flutter开发者对Flutter内部原理越来越熟悉，这种问题很快就会被解决的。