浅谈跨平台框架Flutter的优势与结构

作者：个推iOS工程师 伊泽瑞尔

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一、背景

目前，移动开发技术主要分为原生开发和跨平台开发两种。其中，原生应用是指在某个特定的移动平台上，使用平台所支持的开发工具和语言，直接调用系统提供的API所开发的应用。
原生开发的主要优势体现在：
1.可以快速访问本平台的全部功能，比如摄像头、GPS等；
2.原生应用的速度快、性能高，而且可以实现比较复杂的动画和绘制效果，用户体验较好。
原生开发的缺点也很明显，主要体现在：
1.开发成本较高，不同的平台必须维护不同的代码，人力成本也会随之增加；
2.有新的功能需要更新时，只能进行版本升级。
随着移动互联网的高速发展，在很多的业务场景下，传统的纯原生开发已经不能满足日益增长的业务需求，主要表现在以下两个方面：
1.应用动态化的需求增大。当需求发生变化，或者是需要增加新的功能时，传统的纯原生应用开发只能通过版本的升级来更新内容，然而应用的上架和审核都需要一定的时间。因此，开发人员迫切地希望进行应用内容的更新时，可以不更新版本，提升工作效率。
2.业务需求变化快，开发成本变高。原生开发一般需要技术团队对iOS、Android两个开发平台进行维护。当版本更新迭代时，开发和测试的成本都会增加。
针对上述两个问题，跨平台框架应运而生。

二、跨平台技术简介

针对上文提到的原生开发所面临的问题，目前在IT界已经诞生了很多跨平台框架，主要分为三类：
1.H5+原生(Cordova、Ionic、微信小程序)；
2.JavaScript开发+原生渲染(React Native、Weex、快应用)；
3.自绘UI+原生(Flutter)。
在本文中，我们将对React Native、Weex和Flutter进行对比。
1.React Native
React Native是Facebook于2015年4月开源的跨平台移动应用开发框架，是Facebook开源的JS框架React在原生移动应用平台的衍生物。React Native使用了react的设计模式，但是其UI渲染、动画效果、网络请求等均是由原生来实现的。开发者编写JS代码，通过React Native的中间层转化为原生控件，并进行操作。也就是说通过JS代码来调用原生的组件，从而实现相应的功能。
React Native实现跨平台的功能，主要由Java、C++和Javascript三层所构成的。其中，C++实现的动态链接库（.so），作为中间适配层桥接，实现了JS端与原生端的双向通信交互。React Native会把应用的JS代码编译成一个JS文件，React Native整体框架目标就是为了解释并运行这个JS脚本文件，如果是JS扩展的API，则直接通过bridge调用native；如果是UI界面，则映射到virtual DOM这个虚拟的JS数据结构中，通过bridge传递到native，然后根据数据设置各个对应的真实native的View。

2.Weex
在Weex设计之初，开发者就考虑到，使其能够在三端（iOS、安卓和H5）上均能得到展现。在最上面的DSL，阿里一般称之为Weex文件（.we），通过Transform转换为js-bundle，再部署到服务器，这样服务端就完成了。在客户端，第一层是JS-Framework，最后是RenderRengine。

如上图所示，Weex的输入是Virtual DOM，输出是native或H5 view，还原为内存中的树型数据结构，再创建view，把事件绑定在view上，设置view的基本属性。Weex Render会分三个线程，不同的线程负责不同的事情，让JS线程优先保障流畅性。

表面上，Weex是一种客户端技术，但实际上，它串联起了从本地开发、云端部署到分发的整个链路。开发者可以在本地像编写Web页面一样先编写一个APP界面，然后通过命令行工具将之编译为一段JavaScript代码，生成一个Weex的JS bundle。与此同时，开发者可以将生成的JS bundle部署至云端，之后通过网络请求或者预下发的方式加载至用户的移动应用客户端。
在移动应用客户端，Weex SDK会准备一个JavaScript执行环境，在用户打开一个Weex页面时，在该环境中执行相应的JS bundle，并将执行过程中产生的各种命令发送到native端，进行界面渲染、数据存储、网络通信、调用设备及用户交互响应等。如果用户希望使用浏览器访问这个界面，那么他可以在浏览器中打开一个相同的Web页面，这个页面和移动应用使用相同的页面源代码，但被编译成适合Web展示的JS Bundle，通过浏览器里的javaScript引擎及Weex SDK运行起来的。
3.Flutter
Flutter 是Google推出并开源的移动应用开发框架，主打跨平台、高保真、高性能。开发者可以通过Dart语言进行APP开发，只需要一套代码就可以同时构建Android和iOS应用，并且可以达到与原生应用一样的性能。Flutter还提供了丰富的组件、接口，开发者可以高效地为 Flutter添加native扩展。此外，Flutter还使用了Native引擎渲染视图，为用户提供了良好的体验。
Flutter与用于构建移动应用程序的其它多数框架不同，因为Flutter既不使用WebView，也不使用操作系统的原生控件。相反，Flutter使用自己的高性能渲染引擎来绘制widget。这样不仅可以保证在Android和iOS的UI一致性，而且也可以避免对原生控件依赖而带来的限制和高昂的维护成本。
同时，Flutter使用Skia作为2D引擎渲染，Skia是Google的一个2D图形处理函数库，在字型、坐标转换以及点阵图等方面都有高效而且简洁的表现。Skia是跨平台的，并提供了非常友好的API。由于Android系统已经内置了Skia，所以Flutter在打包APK时，不需要再将Skia打包到APK中，但是iOS系统并未内置Skia，所以在构建API时，必须将Skia一起打包。

三、高性能的Flutter

目前，Flutter程序主要有两种运行方式：静态编译与动态解释。静态编译的程序在执行前，会被全部翻译为机器码，通常将这种类型称为AOT，即 “提前编译”。解释执行则是一句句地边翻译边运行，通常将这种类型称为JIT，即“即时编译”。
AOT程序的典型代表是用C/C++开发的应用，它们必须在执行前编译成机器码。而JIT的代表则非常多，如JavaScript、python等。事实上，所有脚本语言都支持JIT模式。但需要注意的是，JIT和AOT指的是程序运行方式，和编程语言并非是强关联的，有些语言既可以以JIT方式运行，也可以以AOT方式运行，如Java、Python，它们可以在第一次执行时编译成中间字节码，然后在之后的执行中，直接执行字节码。
Flutter的高性能主要靠两点来保证，首先，Flutter APP采用Dart语言进行开发。当Dart在 JIT模式下时，其运行速度与 JavaScript基本持平。此外Dart支持 还AOT，当Dart在 AOT模式下事，其运行速度远超JavaScript。速度的提升对高帧率下的视图数据计算很有帮助。
其次，Flutter使用自己的渲染引擎来绘制UI，布局数据等由Dart语言直接控制，所以在布局过程中不需要像RN那样要在JavaScript和Native之间通信，在一些滑动和拖动的场景下具有明显优势。由于滑动和拖动往往会引起布局的变化，所以JavaScript需要不停地与Native之间同步布局信息，这和在浏览器中要JavaScript频繁操作DOM所带来的问题是相同的，都会带来比较可观的性能开销。

四、为什么Flutter会选择Dart语言？

1.开发效率高。Dart运行时和编译器支持Flutter的两个关键特性的组合，分别是基于JIT的快速开发周期和基于AOT的发布包。基于JIT的快速开发周期：Flutter在开发阶段，采用JIT模式，这样就避免了每次改动都需要进行编译，极大地节省了开发时间。基于AOT的发布包，Flutter在发布时可以通过AOT生成高效的ARM代码，以保证应用性能。而JavaScript则不具备这个能力。
2.高性能。为了实现流畅、高保真的的UI体验，Flutter必须在每个动画帧中都运行大量的代码。这意味着需要一种既能支持高性能，又能保证不丢帧的周期性暂停的语言，而Dart支持AOT，在这一点上比JavaScript更有优势。
3.快速分配内存。Flutter框架使用函数式流，这使得它在很大程度上依赖于底层的内存分配器。
4.类型安全。由于Dart是类型安全的语言，支持静态类型检测，所以可以在编译前就发现一些类型的错误，并排除潜在问题。这对于前端开发者来说更具有吸引力。而JavaScript是一个弱类型语言，这也是为什么在诸多前端社区中，会有众多为JavaScript代码添加静态类型检测的扩展语言和工具。

五、Flutter框架结构

Flutter Framework是一个完全由Dart语言构建的SDK，它实现了一整套自底而上的基础库。
1.底部两层(Foundation和Animation、Painting、Gestures)是Flutter引擎暴露的底层UI库，提供动画、手势及绘制能力。
2.Rendering层是一个抽象的布局层，它依赖于dart UI层。Rendering层会构建一个UI树，当UI树有变化时，它会随即计算出有变化的部分，然后更新UI树，最终将UI树绘制到屏幕上。这个过程类似于React中的虚拟DOM。Rendering层可以说是Flutter UI框架最核心的部分，它除了确定每个UI元素的位置、大小之外，还要进行坐标变换和绘制(调用底层dart:ui)。
3.Widgets层是Flutter提供的一套基础组件库，在基础组件库之上，Flutter还提供了 Material 和Cupertino两种视觉风格的组件库。
Flutter Engine：这是一个完全由 C++实现的 SDK，其中包括了 Skia引擎、Dart运行时和文字排版引擎等。在代码调用 dart:ui库时，调用最终会走到Engine层，然后实现真正的绘制逻辑。
React Native、Weex和Flutter进行对比结果如下所示：

六、总结

从Flutter的设计理念来看，其整体架构都是具有革命性的，相比于其他架构，它实现了真正意义上的跨平台。它能够让各平台的体验一致，并且让用户体验达到更优。现如今，Flutter的各种UI库和组件都在不断增加，与之相关的各种生态系统和社区也在不断完善，它对新的操作系统的适配性将会越来越强。相信在不久的将来，Flutter会慢慢成熟起来，成为主流的开发语言之一。