帝国的纷争-Flutter-UI绘制解析

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:

-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。

- 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：

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！

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。

Root的创建比较简单：

attachRootWidget(app)
attachToRenderTree
mount
createRenderObject

它的child，也就是我们传入的app是怎么挂载父控件上的呢？

createElement
mount
widget.createRenderObject
attachRenderObject

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

通过上图我们可以看到，虽然createRenderObject方法的实现是在Widget当中，但持有RenderObject引用的却是Element。

这可也可以理解的嘛~ Widget在不停的变换，Element相对稳定并持有RenderObject，当Element都被换掉的时候，RenderObject也就该被下掉了。

另外在 attachToRenderTree 方法里我们也可以这段代码： element._newWidget = this; 。这里的this是Widget自身。element也持有了widget的引用。 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！你刚才说第6不已经执行了一次刷新流程是什么意思？”

子Widget的首次初始化和后续发生变化时Element tree的变化流程是一样的，我们马上就讲！

Flutter的刷新流程：Element的复用

attachRootWidget -> attachToRenderTree

RenderObjectToWidgetElement<T> attachToRenderTree(BuildOwner owner, [RenderObjectToWidgetElement<T> element]) {
    if (element == null) {
      ...
    } else {
      element._newWidget = this;
      element.markNeedsBuild();
    }
    return element;
  }

我们会看到 attachToRenderTree 方法最后还调用了 element.markNeedsBuild(); 敲黑板！记住这句话，很重要！（将军：“你还给我敲黑板呢？”）

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();

}

哈哈哈~是不是和 attachToRenderTree 中最后调用的方法一样！

继续这样追着代码看，我怕将军您睡着了，所以我们后面我竟可能用少的源码去进行讲解！

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"}) （点击事件没写，暂时先靠想象），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！

void buildScope(Element context, [VoidCallback callback]){...}
buildScope需要传入一个Element的参数，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。

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()

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！

_child = updateChild(_child, built, slot);

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：

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()

@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。

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

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的管理我们暂时放在下期介绍。

Flutter的刷新流程：清理

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

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：

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。