深入理解flutter的編譯原理與優化

07-12

深入理解flutter的編譯原理與優化

摘要：閑魚技術-正物問題背景對於開發者而言，什麼是Flutter？它是用什麼語言編寫的，包含哪幾部分，是如何被編譯，運行到設備上的呢？Flutter如何做到Debug模式Hot Reload快速生效變更，Release模式原生體驗的呢？Flutter工程和我們的Android/iOS工程有何差別，關...

閑魚技術-正物

問題背景

對於開發者而言，什麼是Flutter？它是用什麼語言編寫的，包含哪幾部分，是如何被編譯，運行到設備上的呢？Flutter如何做到Debug模式Hot Reload快速生效變更，Release模式原生體驗的呢？Flutter工程和我們的Android/iOS工程有何差別，關係如何，又是如何嵌入Android/iOS的呢？Flutter的渲染和事件傳遞機制如何工作？Flutter支持熱更新嗎？Flutter官方並未提供iOS下的armv7支持，確實如此嗎？在使用Flutter的時候，如果發現了engine的bug，如何去修改和生效？構建緩慢或出錯又如何去定位，修改和生效呢？

凡此種種，都需要對Flutter從設計，開發構建，到最終運行有一個全局視角的觀察。

本文將以一個簡單的hello_flutter為例，介紹下Flutter相關原理及定製與優化。

Flutter簡介

Flutter的架構主要分成三層:Framework，Engine和Embedder。

Framework使用dart實現，包括Material Design風格的Widget,Cupertino(針對iOS)風格的Widgets，文本/圖片/按鈕等基礎Widgets，渲染，動畫，手勢等。此部分的核心代碼是:flutter倉庫下的flutter package，以及sky_engine倉庫下的io,async,ui(dart:ui庫提供了Flutter框架和引擎之間的介面)等package。

Engine使用C++實現，主要包括:Skia,Dart和Text。Skia是開源的二維圖形庫，提供了適用於多種軟硬體平台的通用API。其已作為Google Chrome，Chrome OS，Android, Mozilla Firefox, Firefox OS等其他眾多產品的圖形引擎，支持平台還包括Windows7+,macOS 10.10.5+,iOS8+,Android4.1+,Ubuntu14.04+等。Dart部分主要包括:Dart Runtime，Garbage Collection(GC)，如果是Debug模式的話，還包括JIT(Just In Time)支持。Release和Profile模式下，是AOT(Ahead Of Time)編譯成了原生的arm代碼，並不存在JIT部分。Text即文本渲染，其渲染層次如下:衍生自minikin的libtxt庫(用於字體選擇，分隔行)。HartBuzz用於字形選擇和成型。Skia作為渲染/GPU後端，在Android和Fuchsia上使用FreeType渲染，在iOS上使用CoreGraphics來渲染字體。

Embedder是一個嵌入層，即把Flutter嵌入到各個平台上去，這裡做的主要工作包括渲染Surface設置,線程設置，以及插件等。從這裡可以看出，Flutter的平台相關層很低，平台(如iOS)只是提供一個畫布，剩餘的所有渲染相關的邏輯都在Flutter內部，這就使得它具有了很好的跨端一致性。

Flutter工程結構

本文使用開發環境為flutter beta v0.3.1，對應的engine commit:09d05a389。

以hello_flutter工程為例，Flutter工程結構如下所示:

其中ios為iOS部分代碼，使用CocoaPods管理依賴，android為Android部分代碼，使用Gradle管理依賴，lib為dart代碼，使用pub管理依賴。類似iOS中Cocoapods對應的Podfile和Podfile.lock，pub下則是pubspec.yaml和pubspec.lock。

Flutter模式

對於Flutter，它支持常見的debug,release,profile等模式，但它又有其不一樣。

Debug模式：對應了Dart的JIT模式，又稱檢查模式或者慢速模式。支持設備，模擬器(iOS/Android)，此模式下打開了斷言，包括所有的調試信息，服務擴展和Observatory等調試輔助。此模式為快速開發和運行做了優化，但並未對執行速度，包大小和部署做優化。Debug模式下，編譯使用JIT技術，支持廣受歡迎的亞秒級有狀態的hot reload。

Release模式：對應了Dart的AOT模式，此模式目標即為部署到終端用戶。只支持真機，不包括模擬器。關閉了所有斷言，儘可能多地去掉了調試信息，關閉了所有調試工具。為快速啟動，快速執行，包大小做了優化。禁止了所有調試輔助手段，服務擴展。

Profile模式：類似Release模式，只是多了對於Profile模式的服務擴展的支持，支持跟蹤，以及最小化使用跟蹤信息需要的依賴，例如，observatory可以連接上進程。Profile並不支持模擬器的原因在於，模擬器上的診斷並不代表真實的性能。

鑒於Profile同Release在編譯原理等上無差異，本文只討論Debug和Release模式。

事實上flutter下的iOS/Android工程本質上依然是一個標準的iOS/Android的工程，flutter只是通過在BuildPhase中添加shell來生成和嵌入App.framework和Flutter.framework(iOS),通過gradle來添加flutter.jar和vm/isolate_snapshot_data/instr(Android)來將Flutter相關代碼編譯和嵌入原生App而已。因此本文主要討論因flutter引入的構建，運行等原理。編譯target雖然包括arm,x64,x86,arm64，但因原理類似，本文只討論arm相關(如無特殊說明，android默認為armv7)。

Flutter代碼的編譯與運行(iOS)

Release模式下的編譯

release模式下，flutter下iOS工程中dart代碼構建鏈路如下所示:

其中gen_snapshot是dart編譯器，採用了tree shaking(類似依賴樹邏輯，可生成最小包，也因而在Flutter中禁止了dart支持的反射特性)等技術,用於生成彙編形式的機器代碼，再通過xcrun等編譯工具鏈生成最終的App.framework。換句話說，所有的dart代碼，包括業務代碼，三方package代碼，它們所依賴的flutter框架代碼，最終將會變成App.framework。

tree shaking功能位於gen_snapshot中，對應邏輯參見: engine/src/third_party/dart/runtime/vm/compiler/aot/http://precompiler.cc

dart代碼最終對應到App.framework中的符號如下所示:

事實上，類似Android Release下的產物(見下文)，App.framework也包含了kDartVmSnapshotData，kDartVmSnapshotInstructions，kDartIsolateSnapshotData，kDartIsolateSnapshotInstructions四個部分。為什麼iOS使用App.framework這種方式，而不是Android的四個文件的方式呢？原因在於在iOS下，因為系統的限制，Flutter引擎不能夠在運行時將某內存頁標記為可執行，而Android是可以的。

Flutter.framework對應了Flutter架構中的engine部分，以及Embedder。實際中Flutter.framework位於flutter倉庫的/bin/cache/artifacts/engine/ios*下，默認從google倉庫拉取。當需要自定義修改的時候，可通過下載engine源碼，利用Ninja構建系統來生成。

Flutter相關代碼的最終產物是:App.framework(dart代碼生成)和Flutter.framework(引擎)。從Xcode工程的視角看，Generated.xcconfig描述了Flutter相關環境的配置信息，然後Runner工程設置中的Build Phases新增的xcode_backend.sh實現了Flutter.framework的拷貝(從Flutter倉庫的引擎到Runner工程根目錄下的Flutter目錄)與嵌入和App.framework的編譯與嵌入。最終生成的Runner.app中Flutter相關內容如下所示:

其中flutter_assets是相關的資源，代碼則是位於Frameworks下的App.framework和Flutter.framework。

Debug模式下的編譯

Debug模式下flutter的編譯，結構類似Release模式，差異主要表現為兩點:

1.Flutter.framework

因為是Debug，此模式下Framework中是有JIT支持的，而在Release模式下並沒有JIT部分。

2.App.framework

不同於AOT模式下的App.framework是Dart代碼對應的本地機器代碼，JIT模式下，App.framework只有幾個簡單的API，其Dart代碼存在於snapshot_blob.bin文件里。這部分的snapshot是腳本快照，裡面是簡單的標記化的源代碼。所有的注釋，空白字元都被移除，常量也被規範化，也沒有機器碼，tree shaking或者是混淆。

App.framework中的符號表如下所示:

對Runner.app/flutter_assets/snapshot_blob.bin執行strings命令可以看到如下內容:

Debug模式下main入口的調用堆棧如下:

debug isolate main callstack

Flutter代碼的編譯與運行(Android)

鑒於Android和iOS除了部分平台相關的特性外，其他邏輯如Release對應AOT，Debug對應JIT等均類似，此處只涉及兩者不同。

Release模式下的編譯

release模式下，flutter下Android工程中dart代碼整個構建鏈路如下所示:

其中vm/isolate_snapshot_data/instr內容均為arm指令，將會在運行時被engine載入，並標記vm/isolate_snapshot_instr為可執行。vm_中涉及runtime等服務(如gc)，用於初始化DartVM，調用入口見Dart_Initialize(dart_api.h)。isolate__則是對應了我們的App代碼，用於創建一個新的isolate,調用入口見Dart_CreateIsolate(dart_api.h)。flutter.jar類似iOS的Flutter.framework，包括了engine部分的代碼(Flutter.jar中的libflutter.so)，以及一套將Flutter嵌入Android的類和介面(FlutterMain,FlutterView,FlutterNativeView等)。實際中flutter.jar位於flutter倉庫的/bin/cache/artifacts/engine/android*下，默認從google倉庫拉取。當需要自定義修改的時候，可通過下載engine源碼，利用Ninja構建系統來生成flutter.jar。

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