Flutter技术剖析（Flutter技术）

flutter已经开源了三年，但是最近两年才开始在开源社区活跃起来，尤其是最近还发布了Preview 1版本。作为可以实现一套代码同时在iOS、Android平台上运行的又一个新的UI框架，Flutter提供给开发者的不仅仅是高速实现，还有高质量、流畅的UI。在加上其开源免费，因而受到很多移动开发者和企业的喜爱。

跨平台开发经常需要面对的一个问题是，Android 或 iOS 的平台不同，那么使用同一套代码，它们是怎么进行渲染的呢？本文以“hello_flutter”为例，首先介绍 Flutter 的设计原则，然后讨论定制和优化，并为对 Flutter 感兴趣的开发人员提供了一些可遵循的步骤。

Flutter基础

架构

Flutter框架从上到下包含三个不同的层：框架、引擎和嵌入器。Flutter 的框架使用 Dart 实现，提供了 Material 风格的小部件、Cupertino 风格的小部件（用于 iOS）、文本 / 图像 / 按钮小部件、渲染、动画、手势等。该层的核心代码包含了 flutter 代码库的包和 sky_engine 代码库的包（dart:ui 库提供了 flutter 框架和引擎之间的接口），例如 io、async 和 ui 包。

Flutter 的引擎是用 C++ 实现的，并包含了 Skia、Dart 和 Text。Skia 是一个开源的 2D 图形库，为各种硬件和软件平台提供通用 API。它是谷歌 Chrome、Chrome OS、Android、Mozilla Firefox、Firefox OS 等产品的图形引擎。支持的平台包括 Windows7+、macOS 10.10.5+、iOS8+、Android4.1+、Ubuntu14.04+ 等。

引擎的 Dart 部分主要包括 Dart 运行时和垃圾回收（GC）。如果 Flutter 在调试模式下运行，则还包括 JIT（Just in Time）支持，而如果是在发布模式下，则通过 AOT（Ahead of Time）将 Dart 代码编译为原生的“arm”代码，这个时候就没有 JIT。Text 是指以下的文本渲染库：libtxt 库（用于字体选择和分隔线），派生自 minikin 和 HartBuzz（用于字形和图形）。Skia 充当渲染后端，在 Android 上使用 FreeType 渲染，在 iOS 上使用 Fuchsia 和 CoreGraphics 渲染。

嵌入器可将 Flutter 嵌入到各种平台中。它的主要任务是渲染 Surface 设置、线程设置和插件。我们可以看到，Flutter 的平台相关层是最小的，其中平台（例如 iOS）只提供画布，其余与渲染相关的逻辑发生在 Flutter 内部，从而实现良好的跨平台一致性。

工程结构

一个完整的Flutter工程的项目结构如下图所示：其中，“ios”是 iOS 的代码，使用 CocoaPods 来管理依赖项，“android”是 Android 的代码，使用 Gradle 来管理依赖项，“lib”是 Dart 代码，使用 pub 来管理依赖项。pub 中与 Cocoapods 的 Podfile 和 Podfile.lock 相对应的分别是 pubspec.yaml 和 pubspec.lock。

模式

Flutter 支持常见的模式，包括调试、发布和分析，但它们之间存在一些区别。

Flutter 的调试模式对应于 Dart 的 JIT 模式，也称为检查模式或慢模式，并支持 iOS 和 Android 的设备和模拟器。在这个模式下，可以启用断言功能，包括所有调试信息、服务扩展和调试辅助工具，如“observatory”。这个模式针对快速开发进行了优化，但并没有针对运行速度、程序包大小或部署进行过优化。在这种模式下，采用了基于 JIT 的编译技术，支持流行的亚秒级有状态热重载。

Flutter 的发布模式对应于 Dart 的 AOT 模式，该模式的目标是部署到最终用户的设备上，支持真实设备而不是模拟器。在此模式下，所有断言都被禁用，为了尽可能多地删除调试信息，还会禁用所有调试工具。这个模式针对快速启动、快速运行和包大小进行了优化，同时禁止所有调试辅助和服务扩展。

Flutter 的分析模式与发布模式类似，只是添加了对服务扩展和跟踪的支持，并最小化使用跟踪信息所需的依赖性。例如，“observatory”可以连到进程上。分析模式不支持模拟器，因为模拟器上的诊断不能代表实际性能。

由于 Flutter 的分析模式和发布模式在编译方面没有差异，因此本文仅讨论调试模式和发布模式。

实际上，使用 Flutter 开发的 iOS 或 Android 项目仍然是标准的 iOS 或 Android 项目。Flutter 通过在 BuildPhase 中添加 shell 来生成并嵌入 App.framework 和 Flutter.framework（iOS），并通过 Gradle 添加 flutter.jar 和 vm/isolate_snapshot_data/instr（Android）来编译相关代码并将其嵌入到原生应用程序中。因此，本文主要讨论 Flutter 引入的构建和运行原则。尽管编译目标包括 arm、x64、x86 和 arm64，但它们的原理都很类似，所以本文仅讨论与 arm 相关的原则。（如果没有特殊描述，Android 默认为 armv7。）

iOS 的代码编译和执行

下面就以 iOS 的代码编译和执行为例，讲解iOS项目在发布模式下的编译和执行过程。

在发布模式下，iOS 项目的 Dart 代码构建过程如下图所示：在图中，gen_snapshot 是 Dart 编译器，它使用摇树优化技术（类似于可生成最小包的依赖树逻辑，因此在 Flutter 中禁用 Dart 支持的反射）生成汇编形式的机器码，然后通过编译工具链（如 xcrun）生成最终 App.framework。换句话说，对于所有的 Dart 代码，包括业务逻辑代码和第三方软件包代码，它们所依赖的 Flutter 框架（Dart）代码最终会变成 App.framework。可以通过“engine/src/third_party/dart/runtime/vm/compiler/aot/precompiler.cc”来查看相关的逻辑。

事实上，与 Android 类似，App.framework 也包括了四个部分：kDartVmSnapshotData、kDartVmSnapshotInstructions、kDartIsolateSnapshotData 和 kDartIsolateSnapshotInstructions。为什么 iOS 使用 App.framework 而不是像 Android 那样的四个文件？由于 iOS 系统的限制，Flutter 引擎无法在运行时将内存页标记为可执行，而在 Android 下则可以。

Flutter.framework 对应于 Flutter 架构中的引擎和嵌入器。实际上，Flutter.framework 位于 flutter 代码库的 /bin/cache/artifacts/engine/ios * 中，默认是从谷歌的代码库中提取的。当需要自定义变更时，可以使用 Ninja 系统下载和构建与引擎相关的代码。

Flutter 相关代码的最终产物是 App.framework（由 Dart 代码生成）和 Flutter.framework（引擎）。在 Xcode 项目中，Generated.xcconfig 描述了与 Flutter 相关的环境配置信息，在 Runner 项目设置中新增的 xcode_backend.sh 实现了一个副本（从 flutter 框架代码库到 Runner 项目根目录下的 Flutter 目录）和 Flutter.framework 的嵌入以及 App.framework 的编译和嵌入。

所以，在iOS上最终生成的 Runner.app 中与 Flutter 相关的文件如下：flutter_assets 是 Flutter 资源，App.framework 和 Flutter.framework 是代码，位于 Frameworks 目录中。

与 Flutter 相关的渲染、事件和通信处理的逻辑如下图表示：

在调试模式下，Flutter 的编译结构与发布模式中的编译结构类似。差异主要表现在两点：Flutter.framework和App.framework。 Flutter.framework 在调试模式下，框架包含 JIT 支持，而在发布模式下没有 JIT 支持。 App.framework 与 Flutter.framework 不同，App.framework 是原生机器码，与 AOT 模式中的 Dart 代码对应，而在 JIT 模式下，App.framework 只有几个简单的 API，Dart 代码存在于 snapshot_blob.bin 文件中。这部分代码的快照是带有简单标记的源代码的脚本快照。所有的注释和空格字符都被移除，常量被规格化，不存在机器代码、摇树优化或代码混淆。

Android 的代码编译和执行

除了一些与平台相关的功能之外，Android 其他逻辑（例如对应于 AOT 的发布模式和对应于 JIT 的调试模式）与 iOS 非常相似，只需注意两个关键差异。

####发布模式下编译 在发布模式下，Android Flutter 项目中的 Dart 代码结构如下：其中，vm/isolate_snapshot_data/instr 是 arm 指令，引擎会在运行时加载它们并将其标记为可执行。vm_snapshot_data/instr 用于初始化 DartVM，调用入口为 Dart_Initialize（Dart_api.h）。isolate_snapshot_data/instr 对应于创建新隔离的 App 代码，调用入口为 Dart_CreateIsolate（Dart_api.h）。

Flutter.jar 类似于 iOS 的 Flutter.framework，包括引擎代码（Flutter.jar 中的 libflutter.so）以及一组将 Flutter 嵌入到 Android 中的类和接口（FlutterMain、FlutterView、FlutterNativeView 等）。事实上，flutter.jar 位于 Flutter 代码库的 /bin/cache/artifacts/engine/android* 中，默认从谷歌代码库中拉取。当需要自定义更改时，可以使用 Ninja 系统下载引擎源代码来生成 flutter.jar。

其中，其 APK 结构如下：在全新安装 APK 之后，使用时间戳（结合 versionCode 与 packageinfo 的 lastUpdateTime）来决定是否将 Flutter 相关文件复制到本地 app 数据目录。复制的内容如下：

isolate/vm_snapshot_data/instr 最终位于 app 本地数据目录中，该目录是可写的。因此，可以通过下载和替换这些快照就可以完成 app 的替换和更新。

下图显示了发布模式下的执行流程：

与 iOS 的情况一样，Android 中的调试模式和发布模式之间的区别主要在于以下两个组件：flutter.jar和app源码。 flutter.jar 这里的区别与之前针对 iOS 所描述的完全相同。 app 代码 app 代码位于 flutter_assets 下的 snapshot_blob.bin 中，就像 iOS 一样。

在介绍完 Flutter 有关 iOS 和 Android 的编译原理后，我们将重点介绍如何配置 Flutter 及其引擎，以进行自定义和优化。因为 Flutter 使用了敏捷开发模式，所以当前出现的问题在未来可能就不是问题。因此，以下部分不着重于如何解决问题，而是着重于不同类型的场景，这些场景体现了 Flutter 自定义和优化方面的原则。

Flutter 是一个复杂的系统。除了上面提到的三层架构，它还包括 Flutter Android Studio（Intellij）插件、pub 代码库管理和其他各种组件。不过，定制和优化通常与 Flutter 的工具链有关，代码位于 Flutter 代码库的 flutter_tools 包中。我们现在将分别介绍如何针对 Android 和 iOS 进行自定义。

自定义Android

自定义 Android 涉及 flutter.jar、libflutter.so（在 flutter.jar 中）、gen_snapshot、flutter.gradle 和 flutter_tools。在自定义 Flutter 时，需要注意以下事项： 1. 将 Android 中的目标设置为 armeabi。 这是构建过程的一部分，逻辑是在 flutter.gradle 中定义的。如果要应用程序通过 armeabi 支持 armv7/arm64，必须修改 Flutter 的默认逻辑。

由于 Gradle 本身的特性，这部分代码需要在修改后才能生效。 2. 将 Android 设置为在启动时默认使用第一个可启动的 Activity。 这部分与 flutter_tools 有关，修改如下：

原则上，使用“flutter run/build/analyze/test/upgrade”这样的命令实际上运行的是 Flutter 脚本（flutter_repo_dir/bin/flutter），然后再通过这个脚本运行 flutter_tools.snapshot（由 packages/flutter_tools 生成）。逻辑如下：

很明显，如果要重建 flutter_tools，可以删除 flutter_repo_dir/bin/cache/flutter_tools.stamp（以便重新生成它），或者注释掉 if/fi（每次都重新生成）。 3. 在调试模式下发布 Flutter. 如果你发现 Flutter 在开发中出现延迟，并且猜测这可能是由逻辑或调试模式引起的，那么可以在发布模式下构建 APK，或者将 Flutter 强制改为为发布模式， 修改内容如下：

自定义 iOS

与自定义 iOS 相关的内容包括 Flutter.framework、gen_snapshot、xcode_backend.sh 和 flutter_tools。在自定义 Flutter 时，需要注意以下事项：

1. 在优化期间重复替换 Flutter.framework 导致的重新编译

这部分的逻辑与构建有关，位于 xcode_backend.sh 中。为了确保每次都能获得正确的 Flutter.framework，Flutter 每次都会根据配置查找并替换 Flutter.framework（请参阅 Generated.xcconfig 配置）。不过，这会导致重新编译依赖于这个框架的项目代码。必要的修改如下：2. 在调试模式下发布 Flutter 要进行这个自定义，请将 Generated.xcconfig 中的 FLUTTER_BUILD_MODE 更改为“Release”，将 FLUTTER_FRAMEWORK_DIR 更改为与“Release”对应的路径。 3. 设置对 armv7 的支持 有关此方案的原始文档，请参阅 https://github.com/flutter/engine/wiki/iOS-Builds-Supporting-ARMv7。

事实上，Flutter 本身在 iOS 中支持 armv7，但目前官方还没有提供支持，因此必须修改相关逻辑，如下所示：

a. 生成默认逻辑：

Flutter.framework（arm64）

b. 修改 Flutter，以便每次都可以重建 flutter_tools。修改 build_aot.Dart 和 mac.Dart，将 iOS 的相关 arm64 更改为 armv7，并将 gen_snapshot 更改为 i386。 可以通过以下命令生成 i386 的 gen_snapshot：

./flutter/tools/gn --runtime-mode=debug --ios --ios-cpu=armninja -C out/ios_debug_arm

这里有一种隐含的逻辑：构造 gen_snapshot 的预定义宏（x86_64/__ i386 等）。目标 gen_snapshot 的结构和最终的 App.framework 结构必须保持一致。也就是说，使用 x86_64->x86_64->arm64 或 i386->i386->armv7。

c. 在 iPhone4S 上，当 gen_snapshot 生成不受支持的 SDIV 命令时会发生 EXC_BAD_INSTRUCTION（EXC_ARM_UNDEFINED）错误，这可以通过向 gen_snapshot（位于 build_aot.Dart 中）添加参数“——no-use-integer-division”来解决。

d.“lipo -create”在 a 步骤和 b 步骤中生成的 Flutter.framework，以便生成支持 armv7 和 arm64 的 Flutter.framework。

e. 修改 Flutter.framework 中的 Info.plist，并删除如下：

UIRequiredDeviceCapabilitiesarm64

同样，你必须在 App.framework 上执行相同的操作，以避免受到 AppStore 中应用程序细化的影响。

调试 Flutter 工具

在调试模式下构建 APK 时，如果你想知道 Flutter 的特定执行逻辑，可以采用以下方法：

a. 了解 flutter_tools 命令的参数。b. 将 packages/flutter_tools 作为 Dart 项目打开，并添加新的“Dart Command Line App”配置 将 Dart 文件设置为“flutter_tools.Dart”，将工作目录设置为 Flutter 项目的路径，并将 Program 参数设置为先前获得的参数。

自定义和调试引擎

请考虑以下情形。假设我们基于 Flutter beta v0.3.1 定制和开发服务，为了确保稳定性，SDK 在某段时间内不会升级。同时，Flutter v0.3.1 的 master 分支上修改了一个 bug，标记为 fix_bug_commit。你将如何应对这种情况？

1.Flutter beta v0.3.1 将其相应的引擎代码提交指定为 09d05a389。 关于这部分知识可以参阅：flutter/bin/internal/engine.version。

获取引擎代码。

由于 master 代码是在第二步中获得的，我们需要的是与特定提交相对应的代码（09d05a389），所以需要从这次提交拉取一个新分支：custom_beta_v0.3.1。

在 custom_beta_v0.3.1（commit:09d05a389）上运行“gclient sync”，获取与 flutter beta v0.3.1 相对应的所有引擎代码。

使用“git cherry-pick fix_bug_commit”将 master 的变更同步到 custom_beta_v0.3.1。如果变更依赖了最新依赖项，则可能会发生编译错误。

运行以下命令应用与 iOS 相关的变更：

./flutter/tools/gn --runtime-mode=debug --ios --ios-cpu=armninja -C out/ios_debug_arm./flutter/tools/gn --runtime-mode=release --ios --ios-cpu=armninja -C out/ios_release_arm./flutter/tools/gn --runtime-mode=profile --ios --ios-cpu=armninja -C out/ios_profile_arm./flutter/tools/gn --runtime-mode=debug --ios --ios-cpu=arm64ninja -C out/ios_debug./flutter/tools/gn --runtime-mode=release --ios --ios-cpu=arm64ninja -C out/ios_release./flutter/tools/gn --runtime-mode=profile --ios --ios-cpu=arm64ninja -C out/ios_profile

要调试 Flutter.framework 源代码，请使用以下命令：

./flutter/tools/gn --runtime-mode=debug --unoptimized --ios --ios-cpu=arm64ninja -C out/ios_debug_unopt

用生成的文件替换 Flutter 中的 Flutter.framework 和 gen_snapshot，这样就可以调试引擎源代码。 7. 最后，运行以下命令应用与 Android 相关的变更

./flutter/tools/gn --runtime-mode=debug --android --android-cpu=armninja -C out/android_debug./flutter/tools/gn --runtime-mode=release --android --android-cpu=armninja -C out/android_release./flutter/tools/gn --runtime-mode=profile --android --android-cpu=armninja -C out/android_profile

然后，使用生成的文件替换 flutter/bin/cache/artifacts/engine/android* 下的 gen_snapshot 和 flutter.jar，以便生成 Android 的 arm 和 debug/release/profile 文件包。

移动开发

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