姬長信(Redy)

如何在Flutter上实现高性能的动态模板渲染

背景

最近小组在尝试使用集团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可行方案在Flutter表现差?

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_parentmatch_content

在Flutter中,并没有 match_parentmatch_content的概念。最初我们的想法很简单,在Widget的build方法中,会递归计算。

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,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 WidgetElementRenderObject

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:

  1. RenderObjectElement createElement();


  2. 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:

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 runtimeTypekey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。

如何自定义Widget

第一个版本设计

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。

当前版本设计

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:

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。

  1. @override

  2.  bool hitTestChildren(HitTestResult result, {Offset position}) {

  3.    return child?.hitTest(result, position: position) ?? false;

  4.  }


  5.  @override

  6.  void paint(PaintingContext context, Offset offset) {

  7.    if (child != null) context.paintChild(child, offset);

  8.  }

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

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?

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。

效果

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。

当前存在的问题

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。

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