淺談跨平臺框架 Flutter 的優勢與結構

作者：個推iOS工程師 伊澤瑞爾

一、背景

目前，移動開發技術主要分為原生開發和跨平臺開發兩種。其中，原生應用是指在某個特定的移動平臺上，使用平臺所支持的開發工具和語言，直接調用系統提供的API所開發的應用。
原生開發的主要優勢體現在：
1.可以快速訪問本平臺的全部功能，比如攝像頭、GPS等；
2.原生應用的速度快、性能高，而且可以實現比較復雜的動畫和繪制效果，用戶體驗較好。
原生開發的缺點也很明顯，主要體現在：
1.開發成本較高，不同的平臺必須維護不同的代碼，人力成本也會隨之增加；
2.有新的功能需要更新時，只能進行版本升級。
隨著移動互聯網的高速發展，在很多的業務場景下，傳統的純原生開發已經不能滿足日益增長的業務需求，主要表現在以下兩個方面：
1.應用動態化的需求增大。當需求發生變化，或者是需要增加新的功能時，傳統的純原生應用開發只能通過版本的升級來更新內容，然而應用的上架和審核都需要一定的時間。因此，開發人員迫切地希望進行應用內容的更新時，可以不更新版本，提升工作效率。
2.業務需求變化快，開發成本變高。原生開發一般需要技術團隊對iOS、Android兩個開發平臺進行維護。當版本更新迭代時，開發和測試的成本都會增加。
針對上述兩個問題，跨平臺框架應運而生。

二、跨平臺技術簡介

針對上文提到的原生開發所面臨的問題，目前在IT界已經誕生了很多跨平臺框架，主要分為三類：
1.H5+原生(Cordova、Ionic、微信小程序)；
2.JavaScript開發+原生渲染(React Native、Weex、快應用)；
3.自繪UI+原生(Flutter)。
在本文中，我們將對React Native、Weex和Flutter進行對比。
1.React Native
React Native是Facebook于2015年4月開源的跨平臺移動應用開發框架，是Facebook開源的JS框架React在原生移動應用平臺的衍生物。React Native使用了react的設計模式，但是其UI渲染、動畫效果、網絡請求等均是由原生來實現的。開發者編寫JS代碼，通過React Native的中間層轉化為原生控件，并進行操作。也就是說通過JS代碼來調用原生的組件，從而實現相應的功能。
React Native實現跨平臺的功能，主要由Java、C++和Javascript三層所構成的。其中，C++實現的動態鏈接庫（.so），作為中間適配層橋接，實現了JS端與原生端的雙向通信交互。React Native會把應用的JS代碼編譯成一個JS文件，React Native整體框架目標就是為了解釋并運行這個JS腳本文件，如果是JS擴展的API，則直接通過bridge調用native；如果是UI界面，則映射到virtual DOM這個虛擬的JS數據結構中，通過bridge傳遞到native，然后根據數據設置各個對應的真實native的View。

2.Weex
在Weex設計之初，開發者就考慮到，使其能夠在三端（iOS、安卓和H5）上均能得到展現。在最上面的DSL，阿里一般稱之為Weex文件（.we），通過Transform轉換為js-bundle，再部署到服務器，這樣服務端就完成了。在客戶端，第一層是JS-Framework，最后是RenderRengine。

如上圖所示，Weex的輸入是Virtual DOM，輸出是native或H5 view，還原為內存中的樹型數據結構，再創建view，把事件綁定在view上，設置view的基本屬性。Weex Render會分三個線程，不同的線程負責不同的事情，讓JS線程優先保障流暢性。

表面上，Weex是一種客戶端技術，但實際上，它串聯起了從本地開發、云端部署到分發的整個鏈路。開發者可以在本地像編寫Web頁面一樣先編寫一個APP界面，然后通過命令行工具將之編譯為一段JavaScript代碼，生成一個Weex的JS bundle。與此同時，開發者可以將生成的JS bundle部署至云端，之后通過網絡請求或者預下發的方式加載至用戶的移動應用客戶端。
在移動應用客戶端，Weex SDK會準備一個JavaScript執行環境，在用戶打開一個Weex頁面時，在該環境中執行相應的JS bundle，并將執行過程中產生的各種命令發送到native端，進行界面渲染、數據存儲、網絡通信、調用設備及用戶交互響應等。如果用戶希望使用瀏覽器訪問這個界面，那么他可以在瀏覽器中打開一個相同的Web頁面，這個頁面和移動應用使用相同的頁面源代碼，但被編譯成適合Web展示的JS Bundle，通過瀏覽器里的javaScript引擎及Weex SDK運行起來的。
3.Flutter
Flutter 是Google推出并開源的移動應用開發框架，主打跨平臺、高保真、高性能。開發者可以通過Dart語言進行APP開發，只需要一套代碼就可以同時構建Android和iOS應用，并且可以達到與原生應用一樣的性能。Flutter還提供了豐富的組件、接口，開發者可以高效地為 Flutter添加native擴展。此外，Flutter還使用了Native引擎渲染視圖，為用戶提供了良好的體驗。
Flutter與用于構建移動應用程序的其它多數框架不同，因為Flutter既不使用WebView，也不使用操作系統的原生控件。相反，Flutter使用自己的高性能渲染引擎來繪制widget。這樣不僅可以保證在Android和iOS的UI一致性，而且也可以避免對原生控件依賴而帶來的限制和高昂的維護成本。
同時，Flutter使用Skia作為2D引擎渲染，Skia是Google的一個2D圖形處理函數庫，在字型、坐標轉換以及點陣圖等方面都有高效而且簡潔的表現。Skia是跨平臺的，并提供了非常友好的API。由于Android系統已經內置了Skia，所以Flutter在打包APK時，不需要再將Skia打包到APK中，但是iOS系統并未內置Skia，所以在構建API時，必須將Skia一起打包。

三、高性能的Flutter

目前，Flutter程序主要有兩種運行方式：靜態編譯與動態解釋。靜態編譯的程序在執行前，會被全部翻譯為機器碼，通常將這種類型稱為AOT，即 “提前編譯”。解釋執行則是一句句地邊翻譯邊運行，通常將這種類型稱為JIT，即“即時編譯”。
AOT程序的典型代表是用C/C++開發的應用，它們必須在執行前編譯成機器碼。而JIT的代表則非常多，如JavaScript、python等。事實上，所有腳本語言都支持JIT模式。但需要注意的是，JIT和AOT指的是程序運行方式，和編程語言并非是強關聯的，有些語言既可以以JIT方式運行，也可以以AOT方式運行，如Java、Python，它們可以在第一次執行時編譯成中間字節碼，然后在之后的執行中，直接執行字節碼。
Flutter的高性能主要靠兩點來保證，首先，Flutter APP采用Dart語言進行開發。當Dart在 JIT模式下時，其運行速度與 JavaScript基本持平。此外Dart支持 還AOT，當Dart在 AOT模式下事，其運行速度遠超JavaScript。速度的提升對高幀率下的視圖數據計算很有幫助。
其次，Flutter使用自己的渲染引擎來繪制UI，布局數據等由Dart語言直接控制，所以在布局過程中不需要像RN那樣要在JavaScript和Native之間通信，在一些滑動和拖動的場景下具有明顯優勢。由于滑動和拖動往往會引起布局的變化，所以JavaScript需要不停地與Native之間同步布局信息，這和在瀏覽器中要JavaScript頻繁操作DOM所帶來的問題是相同的，都會帶來比較可觀的性能開銷。

四、為什么Flutter會選擇Dart語言？

1.開發效率高。Dart運行時和編譯器支持Flutter的兩個關鍵特性的組合，分別是基于JIT的快速開發周期和基于AOT的發布包。基于JIT的快速開發周期：Flutter在開發階段，采用JIT模式，這樣就避免了每次改動都需要進行編譯，極大地節省了開發時間。基于AOT的發布包，Flutter在發布時可以通過AOT生成高效的ARM代碼，以保證應用性能。而JavaScript則不具備這個能力。
2.高性能。為了實現流暢、高保真的的UI體驗，Flutter必須在每個動畫幀中都運行大量的代碼。這意味著需要一種既能支持高性能，又能保證不丟幀的周期性暫停的語言，而Dart支持AOT，在這一點上比JavaScript更有優勢。
3.快速分配內存。Flutter框架使用函數式流，這使得它在很大程度上依賴于底層的內存分配器。
4.類型安全。由于Dart是類型安全的語言，支持靜態類型檢測，所以可以在編譯前就發現一些類型的錯誤，并排除潛在問題。這對于前端開發者來說更具有吸引力。而JavaScript是一個弱類型語言，這也是為什么在諸多前端社區中，會有眾多為JavaScript代碼添加靜態類型檢測的擴展語言和工具。

五、Flutter框架結構

Flutter Framework是一個完全由Dart語言構建的SDK，它實現了一整套自底而上的基礎庫。
1.底部兩層(Foundation和Animation、Painting、Gestures)是Flutter引擎暴露的底層UI庫，提供動畫、手勢及繪制能力。
2.Rendering層是一個抽象的布局層，它依賴于dart UI層。Rendering層會構建一個UI樹，當UI樹有變化時，它會隨即計算出有變化的部分，然后更新UI樹，最終將UI樹繪制到屏幕上。這個過程類似于React中的虛擬DOM。Rendering層可以說是Flutter UI框架最核心的部分，它除了確定每個UI元素的位置、大小之外，還要進行坐標變換和繪制(調用底層dart:ui)。
3.Widgets層是Flutter提供的一套基礎組件庫，在基礎組件庫之上，Flutter還提供了 Material 和Cupertino兩種視覺風格的組件庫。
Flutter Engine：這是一個完全由 C++實現的 SDK，其中包括了 Skia引擎、Dart運行時和文字排版引擎等。在代碼調用 dart:ui庫時，調用最終會走到Engine層，然后實現真正的繪制邏輯。
React Native、Weex和Flutter進行對比結果如下所示：

六、總結

從Flutter的設計理念來看，其整體架構都是具有革命性的，相比于其他架構，它實現了真正意義上的跨平臺。它能夠讓各平臺的體驗一致，并且讓用戶體驗達到更優。現如今，Flutter的各種UI庫和組件都在不斷增加，與之相關的各種生態系統和社區也在不斷完善，它對新的操作系統的適配性將會越來越強。相信在不久的將來，Flutter會慢慢成熟起來，成為主流的開發語言之一。