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。

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

调用所有子节点的layout方法；
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。

@overridevoid 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：

@overridevoid 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。