3. Flutter引擎启动

既然了解了Flutter的编译产物，那你或许又好奇，Flutter这台引擎如何发动的，怎么跟Native衔接呢？

这里以Android为例，熟悉Android的开发者，应该都了解APP启动过程，会执行Application和Activity的onCreate()方法，FlutterApplication和FlutterActivity的onCreate()方法正是连接Native和Flutter的枢纽。

• FlutterApplication.java的onCreate过程主要完成初始化配置、加载引擎libflutter.so、注册JNI方法；
• FlutterActivity.java的onCreate过程，通过FlutterJNI的AttachJNI()方法来初始化引擎Engine、Dart虚拟机、Isolate、taskRunner等对象。再经过层层处理最终调用main.dart中main()方法，执行runApp(Widget app)来处理整个Dart业务代码。

Flutter引擎启动中会创建有4个TaskRunner以及创建虚拟机，分别来看看它们的工作原理。

4. TaskRunner工作原理

Flutter引擎启动过程，会创建UI/GPU/IO这3个线程，会为这些线程依次创建MessageLoop对象，启动后处于epoll_wait等待状态。对于Flutter的消息机制跟Android原生的消息机制有很多相似之处，都有消息(或者任务)、消息队列(或任务队列)以及Looper；有一点不同的是Android有一个Handler类，用于发送消息以及执行回调方法，相对应Flutter中有着相近功能的便是TaskRunner。

上图是从源码中提炼而来的任务处理流程，比官方流程图更容易理解一些复杂流程的时序问题，后续会专门讲解个中原由。Flutter的任务队列处理机制跟Android的消息队列处理相通，只不过Flutter分为Task和MicroTask两种类型，引擎和Dart虚拟机的事件以及Future都属于Task，Dart层执行scheduleMicrotask()所产生的属于Microtask。

每次Flutter引擎在消费任务时调用FlushTasks()方法，遍历整个延迟任务队列delayed_tasks_，将已到期的任务加入task队列，然后开始处理任务。

• Step 1: 检查task，当task队列不为空，先执行一个task；
• Step 2: 检查microTask，当microTask不为空，则执行microTask；不断循环Step 2 直到microTask队列为空，再回到执行Step 1；

可简单理解为先处理完所有的Microtask，然后再处理Task。因为scheduleMicrotask()方法的调用自身就处于一个Task，执行完当前的task，也就意味着马上执行该Microtask。

了解了其工作机制，再来看看这4个Task Runner的具体工作内容。

• Platform Task Runner：运行在Android或者iOS的主线程，尽管阻塞该线程并不会影响Flutter渲染管道，平台线程建议不要执行耗时操作；否则可能触发watchdog来结束该应用。比如Android、iOS都是使用平台线程来传递用户输入事件，一旦平台线程被阻塞则会引起手势事件丢失。
• UI Task Runner: 运行在ui线程，比如1.ui，用于引擎执行root isolate中的所有Dart代码，执行渲染与处理Vsync信号，将widget转换生成Layer Tree。除了渲染之外，还有处理Native Plugins消息、Timers、Microtasks等工作；
• GPU Task Runner：运行在gpu线程，比如1.gpu，用于将Layer Tree转换为具体GPU指令，执行设备GPU相关的skia调用，转换相应平台的绘制方式，比如OpenGL, vulkan, metal等。每一帧的绘制需要UI Runner和GPU Runner配合完成，任何一个环节延迟都可能导致掉帧；
• IO Task Runner：运行在io线程，比如1.io，前3个Task Runner都不允许执行耗时操作，该Runner用于将图片从磁盘读取出来，解压转换为GPU可识别的格式后，再上传给GPU线程。为了能访问GPU，IO Runner跟GPU Runner的Context在同一个ShareGroup。比如ui.image通过异步调用让IO Runner来异步加载图片，该线程不能执行其他耗时操作，否则可能会影响图片加载的性能。

5. Dart虚拟机工作

Flutter引擎启动会创建Dart虚拟机以及Root Isolate。DartVM自身也拥有自己的Isolate，完全由虚拟机自己管理的，Flutter引擎也无法直接访问。Dart的UI相关操作，是由Root Isolate通过Dart的C++调用，或者是发送消息通知的方式，将UI渲染相关的任务提交到UIRunner执行，这样就可以跟Flutter引擎相关模块进行交互。

何为Isolate，从字面上理解是“隔离”，isolate之间是逻辑隔离的。Isolate中的代码也是按顺序执行，因为Dart没有共享内存的并发，没有竞争的可能性，故不需要加锁，也没有死锁风险。对于Dart程序的并发则需要依赖多个isolate来实现。

图解：

• isolate堆是运该isolate中代码分配的所有对象的GC管理的内存存储；
• vm isolate是一个伪isolate，里面包含不可变对象，比如null，true，false；
• isolate堆能引用vm isolate堆中的对象，但vm isolate不能引用isolate堆；
• isolate彼此之间不能相互引用；
• 每个isolate都有一个执行dart代码的Mutator thread，一个处理虚拟机内部任务(比如GC, JIT等)的helper thread； 可见，isolate是拥有内存堆和控制线程，虚拟机中可以有很多isolate，但彼此之间内存不共享，无法直接访问，只能通过dart特有的Port端口通信；isolate除了拥有一个mutator控制线程，还有一些其他辅助线程，比如后台JIT编译线程、GC清理/并发标记线程；

6. Widget架构概览

Flutter引擎启动后执行Dart业务，是通过runApp(Widget app)方法，那Widget又是什么呢？

Widget是所有Flutter应用程序的基石，Widget可以是一个按钮，一种字体或者颜色，一个布局属性等，在Flutter的UI世界可谓是“万物皆Widget”。常见的Widget子类为StatelessWidget(无状态)和StatefulWidget(有状态)；

• StatelessWidget：内部没有保存状态，UI界面创建后不会发生改变；
• StatefulWidget：内部有保存状态，当状态发生改变，调用setState()方法会触发StatefulWidget的UI发生更新，对于自定义继承自StatefulWidget的子类，必须要重写createState()方法。

三棵树

图解：

• Widget是为Element描述需要的配置， 负责创建Element，决定Element是否需要更新。Flutter Framework通过差分算法比对Widget树前后的变化，决定Element的State是否改变。当重建Widget树后并未发生改变， 则Element不会触发重绘，则就是Widget树的重建并不一定会触发Element树的重建。
• Element表示Widget配置树的特定位置的一个实例，同时持有Widget和RenderObject，负责管理Widget配置和RenderObject渲染。Element状态由Flutter Framework管理， 开发人员只需更改Widget即可。
• RenderObject表示渲染树的一个对象，负责真正的渲染工作，比如测量大小、位置、绘制等都由RenderObject完成。

可见，开发者通过Widget配置，Framework通过比对Widget配置来更新Element，最后调度RenderObject Tree完成布局排列和绘制。

7. 渲染原理

Dart的UI采用Widget来实现，最终转换为RenderObject，那界面又是如何渲染的呢？

渲染过程，UI线程完成布局、绘制操作，生成Layer Tree；GPU线程执行合成并光栅化后交给GPU来处理，其中几个关键步骤：

• Animate: 遍历_transientCallbacks，执行动画回调方法；
• Build: 对于dirty的元素会执行build构造，没有dirty元素则不会执行，对应于buildScope()
• Layout: 计算渲染对象的大小和位置，对应于flushLayout()，这个过程可能会嵌套再调用build操作；
• Compositing bits: 更新具有脏合成位的任何渲染对象， 对应于flushCompositingBits()；
• Paint: 将绘制命令记录到Layer， 对应于flushPaint()；
• Compositing: 将Compositing bits发送给GPU， 对应于compositeFrame()；

GPU线程通过skia向GPU硬件绘制一帧的数据，GPU将帧信息保存到FrameBuffer里面，然后视频控制器会根据VSync信号从FrameBuffer取帧数据传递给显示器，从而显示出最终的画面。

8. Platform Channels

Flutter框架提供了UI的控件支持，对于APP除了UI还有其他依赖于Native平台的支持，比如调用Camera的功能，该怎么办呢？为此，Flutter通过提供Platform Channel的功能，使得Dart代码具备与Native交互的能力。

Platform Channel用于Flutter与Native之间的消息传递，整个过程的消息与响应是异步执行，不会阻塞用户界面。Flutter引擎框架已完成桥接的通道，这样开发者只需在Native层编写定制的Android/iOS代码，即可在Dart代码中直接调用，这也就是Flutter Plugin插件的一种形式。

三、Flutter源码解读

笔者(Gityuan)之前一直从事于Android操作系统底层研发工作，今年刚接触Flutter，Flutter作为一门全新的跨平台技术框架，不断深究会发现这是一个小型系统，涉及到的技术很广：

• 编译技术如何将dart代码转换为AST(抽象语法树)，如何汇编转换为机器码，打包产物是什么？
• Flutter这台引擎如何发动的，怎么跟Native原生系统衔接运行，如何识别产物并加载到内存？
• 引擎启动后，TaskRunner如何分发任务，跟原生系统消息机制有什么关系？
• Dart虚拟机如何管理内存，跟isolate又有什么关系？
• 开发者编写的Widget控件如何渲染到屏幕上？
• Flutter如何通过plugin支持移动设备提供的服务？

这些疑问在前面都逐一简要解答，如果仅仅是用Flutter做业务开发，并不需要掌握这么深度技术，不过，知其然知其所以然，能让你游刃有余。

本文同步在我的公号《跨平台技术演进及Flutter未来》，另外为大家创建了Flutter微信交流群，想加入可添加Gityuan微信好友，备注flutter即可，如发现任何文章有问题欢迎大家直接跟我反馈。

启动篇

• 深入理解Flutter引擎启动
• 深入理解Dart虚拟机启动
• 深入理解Flutter应用启动

通信篇

• 深入理解Flutter消息机制
• 深入理解Flutter的Platform Channel机制
• 深入理解Flutter异步Future机制
• 深入理解Flutter的Isolate创建过程

渲染篇

• Flutter渲染机制—UI线程
• Flutter渲染机制—GPU线程
• 深入理解setState更新机制
• 深入理解Flutter动画原理

后续笔者将持续研究与梳理Flutter内部机制的文章。

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