09 | Widget，构建Flutter界面的基石

陈航 2019-07-18 <img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/88/e9/881a774e445596bb5caf1edbce2d68e9.jpg" alt="" /> 你好，我是陈航。 在前面的 Flutter 开发起步和 Dart 基础模块中，我和你一起学习了 Flutter 框架的整体架构与基本原理，分析了 Flutter 的项目结构和运行机制，并从 Flutter 开发角度介绍了 Dart 语言的基本设计思路，也通过和其他高级语言的类比深入认识了 Dart 的语法特性。 这些内容，是我们接下来系统学习构建 Flutter 应用的基础，可以帮助我们更好地掌握 Flutter 的核心概念和技术。 在第 4 篇文章“<a href="https://time.geekbang.org/column/article/105703">Flutter 区别于其他方案的关键技术是什么？</a>”中，我和你分享了一张来自 Flutter 官方的架构图，不难看出 Widget 是整个视图描述的基础。这张架构图很重要，所以我在这里又放了一次。 <img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/ac/2f/ac7d1cec200f7ea7cb6cbab04eda252f.png" alt="" /> <center>图 1 Flutter 架构图</center> 备注：此图引自<a href="https://flutter.dev/docs/resources/technical-overview">Flutter System Overview</a> 那么，Widget 到底是什么呢？ Widget 是 Flutter 功能的抽象描述，是视图的配置信息，同样也是数据的映射，是 Flutter 开发框架中最基本的概念。前端框架中常见的名词，比如视图（View）、视图控制器（View Controller）、活动（Activity）、应用（Application）、布局（Layout）等，在 Flutter 中都是 Widget。  事实上，Flutter 的核心设计思想便是“一切皆 Widget”。所以，我们学习 Flutter，首先得从学会使用 Widget 开始。 那么，在今天的这篇文章中，我会带着你一起学习 Widget 在 Flutter 中的设计思路和基本原理，以帮助你深入理解 Flutter 的视图构建过程。 <h2>Widget 渲染过程</h2> 在进行 App 开发时，我们往往会关注的一个问题是：如何结构化地组织视图数据，提供给渲染引擎，最终完成界面显示。 通常情况下，不同的 UI 框架中会以不同的方式去处理这一问题，但无一例外地都会用到视图树（View Tree）的概念。而 Flutter 将视图树的概念进行了扩展，把视图数据的组织和渲染抽象为三部分，即 Widget，Element 和 RenderObject。 这三部分之间的关系，如下所示： <img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/b4/c9/b4ae98fe5b4c9a7a784c916fd140bbc9.png" alt="" /> <center>图 2 Widget，Element 与 RenderObject</center> <h3>Widget</h3> Widget 是 Flutter 世界里对视图的一种结构化描述，你可以把它看作是前端中的“控件”或“组件”。Widget 是控件实现的基本逻辑单位，里面存储的是有关视图渲染的配置信息，包括布局、渲染属性、事件响应信息等。 在页面渲染上，Flutter 将“Simple is best”这一理念做到了极致。为什么这么说呢？Flutter 将 Widget 设计成不可变的，所以当视图渲染的配置信息发生变化时，Flutter 会选择重建 Widget 树的方式进行数据更新，以数据驱动 UI 构建的方式简单高效。 但，这样做的缺点是，因为涉及到大量对象的销毁和重建，所以会对垃圾回收造成压力。不过，Widget 本身并不涉及实际渲染位图，所以它只是一份轻量级的数据结构，重建的成本很低。 另外，由于 Widget 的不可变性，可以以较低成本进行渲染节点复用，因此在一个真实的渲染树中可能存在不同的 Widget 对应同一个渲染节点的情况，这无疑又降低了重建 UI 的成本。 <h3>Element</h3> Element 是 Widget 的一个实例化对象，它承载了视图构建的上下文数据，是连接结构化的配置信息到完成最终渲染的桥梁。 Flutter 渲染过程，可以分为这么三步： <ul> <li>首先，通过 Widget 树生成对应的 Element 树；</li> <li>然后，创建相应的 RenderObject 并关联到 Element.renderObject 属性上；</li> <li>最后，构建成 RenderObject 树，以完成最终的渲染。</li> </ul> 可以看到，Element 同时持有 Widget 和 RenderObject。而无论是 Widget 还是 Element，其实都不负责最后的渲染，只负责发号施令，真正去干活儿的只有 RenderObject。那你可能会问，既然都是发号施令，那为什么需要增加中间的这层 Element 树呢？直接由 Widget 命令 RenderObject 去干活儿不好吗？ 答案是，可以，但这样做会极大地增加渲染带来的性能损耗。 因为 Widget 具有不可变性，但 Element 却是可变的。实际上，Element 树这一层将 Widget 树的变化（类似 React 虚拟 DOM diff）做了抽象，可以只将真正需要修改的部分同步到真实的 RenderObject 树中，最大程度降低对真实渲染视图的修改，提高渲染效率，而不是销毁整个渲染视图树重建。 这，就是 Element 树存在的意义。 <h3>RenderObject</h3> 从其名字，我们就可以很直观地知道，RenderObject 是主要负责实现视图渲染的对象。 在前面的第 4 篇文章“<a href="https://time.geekbang.org/column/article/105703">Flutter 区别于其他方案的关键技术是什么？</a>”中，我们提到，Flutter 通过控件树（Widget 树）中的每个控件（Widget）创建不同类型的渲染对象，组成渲染对象树。 而渲染对象树在 Flutter 的展示过程分为四个阶段，即布局、绘制、合成和渲染。其中，布局和绘制在 RenderObject 中完成，Flutter 采用深度优先机制遍历渲染对象树，确定树中各个对象的位置和尺寸，并把它们绘制到不同的图层上。绘制完毕后，合成和渲染的工作则交给 Skia 搞定。 Flutter 通过引入 Widget、Element 与 RenderObject 这三个概念，把原本从视图数据到视图渲染的复杂构建过程拆分得更简单、直接，在易于集中治理的同时，保证了较高的渲染效率。 <h2>RenderObjectWidget 介绍</h2> 通过第 5 篇文章“<a href="https://time.geekbang.org/column/article/106199">从标准模板入手，体会 Flutter 代码是如何运行在原生系统上的</a>”的介绍，你应该已经知道如何使用 StatelessWidget 和 StatefulWidget 了。 不过，StatelessWidget 和 StatefulWidget 只是用来组装控件的容器，并不负责组件最后的布局和绘制。在 Flutter 中，布局和绘制工作实际上是在 Widget 的另一个子类 RenderObjectWidget 内完成的。 所以，在今天这篇文章的最后，我们再来看一下 RenderObjectWidget 的源码，来看看如何使用 Element 和 RenderObject 完成图形渲染工作。 <pre><code>abstract class RenderObjectWidget extends Widget { @override RenderObjectElement createElement(); @protected RenderObject createRenderObject(BuildContext context); @protected void updateRenderObject(BuildContext context, covariant RenderObject renderObject) { } ... }</code></pre> RenderObjectWidget 是一个抽象类。我们通过源码可以看到，这个类中同时拥有创建 Element、RenderObject，以及更新 RenderObject 的方法。 但实际上，RenderObjectWidget 本身并不负责这些对象的创建与更新。 对于 Element 的创建，Flutter 会在遍历 Widget 树时，调用 createElement 去同步 Widget 自身配置，从而生成对应节点的 Element 对象。而对于 RenderObject 的创建与更新，其实是在 RenderObjectElement 类中完成的。 <pre><code>abstract class RenderObjectElement extends Element { RenderObject _renderObject; @override void mount(Element parent, dynamic newSlot) { super.mount(parent, newSlot); _renderObject = widget.createRenderObject(this); attachRenderObject(newSlot); _dirty = false; } @override void update(covariant RenderObjectWidget newWidget) { super.update(newWidget); widget.updateRenderObject(this, renderObject); _dirty = false; } ... }</code></pre> 在 Element 创建完毕后，Flutter 会调用 Element 的 mount 方法。在这个方法里，会完成与之关联的 RenderObject 对象的创建，以及与渲染树的插入工作，插入到渲染树后的 Element 就可以显示到屏幕中了。 如果 Widget 的配置数据发生了改变，那么持有该 Widget 的 Element 节点也会被标记为 dirty。在下一个周期的绘制时，Flutter 就会触发 Element 树的更新，并使用最新的 Widget 数据更新自身以及关联的 RenderObject 对象，接下来便会进入 Layout 和 Paint 的流程。而真正的绘制和布局过程，则完全交由 RenderObject 完成： <pre><code>abstract class RenderObject extends AbstractNode with DiagnosticableTreeMixin implements HitTestTarget { ... void layout(Constraints constraints, { bool parentUsesSize = false }) {...} void paint(PaintingContext context, Offset offset) { } }</code></pre> 布局和绘制完成后，接下来的事情就交给 Skia 了。在 VSync 信号同步时直接从渲染树合成 Bitmap，然后提交给 GPU。这部分内容，我已经在之前的“<a href="https://time.geekbang.org/column/article/105703">Flutter 区别于其他方案的关键技术是什么</a>？”中与你介绍过了，这里就不再赘述了。 接下来，我以下面的界面示例为例，与你说明 Widget、Element 与 RenderObject 在渲染过程中的关系。在下面的例子中，一个 Row 容器放置了 4 个子 Widget，左边是 Image，而右边则是一个 Column 容器下排布的两个 Text。 <img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/f4/b9/f4d2ac98728cf4f24b0237958d0ce0b9.png" alt="" /> <center>图 3 界面示例</center> 那么，在 Flutter 遍历完 Widget 树，创建了各个子 Widget 对应的 Element 的同时，也创建了与之关联的、负责实际布局和绘制的 RenderObject。 <img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/35/6d/3536bd7bc00b42b220ce18ba86c2a26d.png" alt="" /> <center>图 4 示例界面生成的“三棵树”</center> <h2>总结</h2> 好了，今天关于 Widget 的设计思路和基本原理的介绍，我们就先进行到这里。接下来，我们一起回顾下今天的主要内容吧。 首先，我与你介绍了 Widget 渲染过程，学习了在 Flutter 中视图数据的组织和渲染抽象的三个核心概念，即 Widget、 Element 和 RenderObject。 其中，Widget 是 Flutter 世界里对视图的一种结构化描述，里面存储的是有关视图渲染的配置信息；Element 则是 Widget 的一个实例化对象，将 Widget 树的变化做了抽象，能够做到只将真正需要修改的部分同步到真实的 Render Object 树中，最大程度地优化了从结构化的配置信息到完成最终渲染的过程；而 RenderObject，则负责实现视图的最终呈现，通过布局、绘制完成界面的展示。 最后，在对 Flutter Widget 渲染过程有了一定认识后，我带你阅读了 RenderObjectWidget 的代码，理解 Widget、Element 与 RenderObject 这三个对象之间是如何互相配合，实现图形渲染工作的。 熟悉了 Widget、Element 与 RenderObject 这三个概念，相信你已经对组件的渲染过程有了一个清晰而完整的认识。这样，我们后续再学习常用的组件和布局时，就能够从不同的视角去思考框架设计的合理性了。 不过在日常开发学习中，绝大多数情况下，我们只需要了解各种 Widget 特性及使用方法，而无需关心 Element 及 RenderObject。因为 Flutter 已经帮我们做了大量优化工作，因此我们只需要在上层代码完成各类 Widget 的组装配置，其他的事情完全交给 Flutter 就可以了。 <h2>思考题</h2> 你是如何理解 Widget、Element 和 RenderObject 这三个概念的？它们之间是一一对应的吗？你能否在 Android/iOS/Web 中找到对应的概念呢？

Flutter核心技术与实战

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