Flutter APP 启动过程源码分析

约定不等于承诺〃 2022-11-06 14:00 248阅读 0赞

`提示：本文设计到的 Flutter framework 层源码是基于 Flutter 1.20.0`

void main() => runApp(MyApp());

void runApp(Widget app) {
      WidgetsFlutterBinding.ensureInitialized()
        ..scheduleAttachRootWidget(app)
        ..scheduleWarmUpFrame();
    }

三行代码代表了Flutter APP 启动的三个主流程：

1.  binding初始化(ensureInitialized)
2.  绑定根节点(scheduleAttachRootWidget)
3.  绘制热身帧(scheduleWarmUpFrame)

## 1 binding初始化(ensureInitialized) ##

class WidgetsFlutterBinding extends BindingBase with GestureBinding, SchedulerBinding, ServicesBinding, PaintingBinding, SemanticsBinding, RendererBinding, WidgetsBinding {
    
        static WidgetsBinding ensureInitialized() {
        if (WidgetsBinding.instance == null)
          WidgetsFlutterBinding();
        return WidgetsBinding.instance;
      }
    }

WidgetsFlutterBinding的ensureInitialized()其实就是一个获取WidgetsFlutterBinding单例的过程，真正的初始化实现代码在其7个mixin中。7个mixin按照严格的先后调用链关系完成不同 binding 的初始化。

WidgetsFlutterBinding继承了BindingBase，在调用自己的构造器之前会先先执行了父类BindingBase构造函数。

BindingBase() {
        developer.Timeline.startSync('Framework initialization');
    
        assert(!_debugInitialized);
        initInstances();
        assert(_debugInitialized);
    
        assert(!_debugServiceExtensionsRegistered);
        initServiceExtensions();
        assert(_debugServiceExtensionsRegistered);
    
        developer.postEvent('Flutter.FrameworkInitialization', <String, String>{});
    
        developer.Timeline.finishSync();
      }

这里会调用initInstances() ，由于7个 mixin 都重写了initInstances()， with 的最后一个 WidgetsBinding 覆盖了前面的 binding 的 initInstances()，所以 WidgetsBinding 的 initInstances() 会首先被调用，而 WidgetsBinding 的 initInstances 函数中先通过 super 向上调用 initInstances ，所以 initInstances 的执行顺序依次是：BindingBase -> GestureBinding -> SchedulerBinding -> ServicesBinding -> PaintingBinding -> SemanticsBinding -> RendererBinding -> WidgetsBinding，从而依次完成各个 Binding 的初始化相关工作。

## 1.1 GestureBinding ##

手势事件绑定，主要处理触屏幕指针事件的分发以及事件最终回调处理。

@override
      void initInstances() {
        super.initInstances();
        _instance = this;
        window.onPointerDataPacket = _handlePointerDataPacket;
      }

这里将事件处理回调 \_handlePointerDataPacket 赋值给 window，供window 收到屏幕指针事件后调用。window类是framework层与engine层处理屏幕相关事件的桥梁。\_handlePointerDataPacket中会先调用hitTest进行命中测试。GestureBinding及RenderBinding都实现了hitTest方法，按照mixin顺序会优先调用RenderBinding.hitTest。RenderBinding.hitTest会从renderTree的根节点递归调用命中测试，返回命中的深度最大的节点到根节点路径上的所有节点。然后再执行dispatchEvent根据返回的hitTest命中节点列表遍历分发事件，事件分发的顺序是先子节点后父节点最终到根节点，类似Android的事件冒泡机制。

## 1.2 SchedulerBinding ##

绘制调度绑定

@override
      void initInstances() {
        super.initInstances();
        _instance = this;
    
        // debug编译模式时统计绘制流程时长，开始、运行、构建、光栅化。
        if (!kReleaseMode) {
          int frameNumber = 0;
          addTimingsCallback((List<FrameTiming> timings) {
            for (final FrameTiming frameTiming in timings) {
              frameNumber += 1;
              _profileFramePostEvent(frameNumber, frameTiming);
            }
          });
        }
      }

SchedulerBinding的作用就是在debug编译模式时统计绘制流程时长，开始、运行、构建、光栅化。

## 1.3 ServicesBinding ##

@override
      void initInstances() {
        super.initInstances();
        _instance = this;
        
        // 构建一个用于platform与flutter层通信的 BinaryMessenger
        _defaultBinaryMessenger = createBinaryMessenger();
        
        // 设置window监听回调，处理platform发送的消息
        window.onPlatformMessage = defaultBinaryMessenger.handlePlatformMessage;
        initLicenses();
        
        // 设置处理platform发送的系统消息的 Handler
        SystemChannels.system.setMessageHandler(handleSystemMessage);
        
        // 设置AppLifecycleState生命周期回调
        SystemChannels.lifecycle.setMessageHandler(_handleLifecycleMessage);
        
        // AppLifecycleState 为 resumed 和 inactive 时才允许响应Vsync信号进行绘制
        readInitialLifecycleStateFromNativeWindow();
      }

ServicesBinding的初始化的工作主要是两个：

1.  platform与flutter层通信相关服务的初始化
2.  注册监听了flutter app的生命周期变化事件，根据生命周期状态决定是否允许发起绘制任务

设置处理 system 消息 handleSystemMessage，ServicesBinding 的handleSystemMessage 主要工作是异步处理系统发送的内存紧张信号，PaintingBinding 也实现了该方法。由于 PaintingBinding 被 with 的顺序在 ServicesBinding 后面，所以 PaintingBinding 的 handleSystemMessage 会覆盖 ServicesBinding 的 handleSystemMessage 被调用

@override
      Future<void> handleSystemMessage(Object systemMessage) async {
        await super.handleSystemMessage(systemMessage);
        final Map<String, dynamic> message = systemMessage as Map<String, dynamic>;
        final String type = message['type'] as String;
        switch (type) {
          case 'fontsChange':
            _systemFonts.notifyListeners();
            break;
        }
        return;
      }

PaintingBinding.handleSystemMessage 优先调用 super.handleSystemMessage ，也就是先调用 ServicesBinding.handleSystemMessage异步处理系统发送的内存紧张信号，接着异步处理系统字体变动事件。

## 1.4 PaintingBinding ##

除了前面讲的监听系统字体变化事件，这里主要是在绘制热身帧之前预热Skia渲染引擎

@override
      void initInstances() {
        super.initInstances();
        _instance = this;
        
        // 初始化图片缓存
        _imageCache = createImageCache();
        
        if (shaderWarmUp != null) {
          //第一帧绘制前的预热工作
          shaderWarmUp.execute();
        }
      }

## 1.5 SemanticsBinding ##

渲染辅助类绑定，主要负责关联语义树与Flutter Engine。Flutter维护了一个 semantic tree（语义树），页面构建的时候会根据各Widget的语义描述构建一棵 semantic tree。如在Image组件中配置 semanticLabel 语义内容，用户在IOS/Android手机开启无障碍功能时，触摸到该 Image 时通过语义树查找到对应的语义描述交给Flutter Engine，实现读屏等功能。

@override
      void initInstances() {
        super.initInstances();
        _instance = this;
        _accessibilityFeatures = window.accessibilityFeatures;
      }

## 1.6 RendererBinding ##

渲染绑定，RendererBinding是render tree 与 Flutter engine的粘合剂，它持有了render tree的根节点 renderView

@override
      void initInstances() {
        super.initInstances();
        _instance = this;
        
        // 初始化PipelineOwner管理渲染流程
        _pipelineOwner = PipelineOwner(
          onNeedVisualUpdate: ensureVisualUpdate,
          onSemanticsOwnerCreated: _handleSemanticsOwnerCreated,
          onSemanticsOwnerDisposed: _handleSemanticsOwnerDisposed,
        );
        
        // 设置window的屏幕参数变化、文本缩放因子变化、亮度等变化、语义启用等回调。
        window
          ..onMetricsChanged = handleMetricsChanged
          ..onTextScaleFactorChanged = handleTextScaleFactorChanged
          ..onPlatformBrightnessChanged = handlePlatformBrightnessChanged
          ..onSemanticsEnabledChanged = _handleSemanticsEnabledChanged
          ..onSemanticsAction = _handleSemanticsAction;
          
        // 初始化一个RenderView作为render tree的根节点，作为渲染执行入口
        initRenderView();
        
        // 设置是否根据render tree生成语义树
        _handleSemanticsEnabledChanged();
        assert(renderView != null);
        
        // 绘制回调
        addPersistentFrameCallback(_handlePersistentFrameCallback);
        
        // 初始化鼠标监听
        initMouseTracker();
      }

GestureBinding.initInstances 方法中的事件处理，调用的就是这里的renderView.hitTest 从根节点开始命中测试的。正因为 RenderBinding 创建并持有了 RenderView 实例，所以 GestureBinding 中通过 mixin 机制将 RenderBinding 的 hitTest 方法混入，从而可以实现命中测试，相当于需要用到命中测试的地方都通过 mixin 委托给 RenderBinding 来实现了。

addPersistentFrameCallback 将绘制处理回调\_handlePersistentFrameCallback 加入到 FrameCallback 类型回调列表，\_handlePersistentFrameCallback 中的 drawFrame 实现绘制流水线。

## WidgetsBinding ##

组件绑定

@override
      void initInstances() {
        super.initInstances();
        _instance = this;
    
        assert(() {
          _debugAddStackFilters();
          return true;
        }());
    
        // 初始化BuildOwnder，处理需要绘制的Element的构建工作
        _buildOwner = BuildOwner();
        
        // 通过SchedulerBinding初始化window的onBeginFrame、onDrawFrame回调
        // 如果app可见，通过window.scheduleFrame向engine发起绘制请求
        buildOwner.onBuildScheduled = _handleBuildScheduled;
        
        // 语言环境变化处理
        window.onLocaleChanged = handleLocaleChanged;
        
        // platform访问权限变化处理
        window.onAccessibilityFeaturesChanged = handleAccessibilityFeaturesChanged;
        
        // 处理系统发送的push/pop页面请求
        SystemChannels.navigation.setMethodCallHandler(_handleNavigationInvocation);
        FlutterErrorDetails.propertiesTransformers.add(transformDebugCreator);
      }

WidgetsBinding属于最外层的 mixin，作为处理 Widget 相关事件的入口。在初始化过程中主要是生成了 BuildOwner 实例，以及window的onBeginFrame、onDrawFrame 回调，后面渲染流程会用到。

BindingBase先通过按顺序执行7个mixin的initInstances方法，完成了相关初始化工作，以及两个重要类的实例化PipelineOwner、BuildOwner。

然后就是执行了initServiceExtensions方法,实现了该方法的mixin按调用顺序为WidgetsBinding-->RendererBinding-->SchedulerBinding-->ServicesBinding主要就是在debug模式下注册相关拓展服务。

## 2 绑定根节点(scheduleAttachRootWidget) ##

由于是组件相关，scheduleAttachRootWidget 具体的实现在WidgetsBinding 里

@protected
      void scheduleAttachRootWidget(Widget rootWidget) {
        Timer.run(() {
          // 将传入的Widget绑定到一个根节点并构建三棵树
          attachRootWidget(rootWidget);
        });
      }

将app的主widget（即传入的 rootWidget）和根节点绑定。其中render tree 的根节点就是前面初始化流程中RendererBinding.initInstances过程创建的RenderView，RenderView是继承自RenderObject的，所以还需要创建Element和Widget与之关联，而创建的 Element 和 Widget 分别对应另外两棵树的根节点。

void attachRootWidget(Widget rootWidget) {
        _readyToProduceFrames = true;
        _renderViewElement = RenderObjectToWidgetAdapter<RenderBox>(
          container: renderView,
          debugShortDescription: '[root]',
          child: rootWidget,
        ).attachToRenderTree(buildOwner, renderViewElement as RenderObjectToWidgetElement<RenderBox>);
      }

先是通过传入的 rootWidget 及 RenderView 实例化了一个RenderObjectToWidgetAdapter对象，而RenderObjectToWidgetAdapter是继承自RenderObjectWidget，即创建了Widget树的根节点。继续调用 attachToRenderTree

RenderObjectToWidgetElement<T> attachToRenderTree(BuildOwner owner, [ RenderObjectToWidgetElement<T> element ]) {
        if (element == null) {
          owner.lockState(() {
          
            // 创建了一个RenderObjectToWidgetElement实例作为element tree的根节点
            element = createElement();
            assert(element != null);
            
            // 绑定BuildOwner
            element.assignOwner(owner);
          });
          
          // 标记需要构建的element，并rebuild
          owner.buildScope(element, () {
            element.mount(null, null);
          });
    
          SchedulerBinding.instance.ensureVisualUpdate();
        } else {
          element._newWidget = this;
          element.markNeedsBuild();
        }
        return element;
      }

@override
      RenderObjectToWidgetElement<T> createElement() => RenderObjectToWidgetElement<T>(this);

attachToRenderTree 中通过 createElement() 创建了一个RenderObjectToWidgetElement 实例作为 element tree 的根节点，并绑定BuildOwner，通过 BuildOwner 构建需要构建的 element。

## 3 绘制热身帧(scheduleWarmUpFrame) ##

绑定完根节点后，就开始立即执行scheduleWarmUpFrame()绘制热身帧。不用绘制热身帧也可以渲染的，那为什么还需要绘制热身帧？

绘制热身帧的目的是：

1.  前面 window.scheduleFrame 发起绘制请求是在收到Vsync信号后才开始的，app初始化时为了节省时间并未等待Vsync信号直接开始绘制，最多可以节省16.6ms(60Hz屏幕刷新率)等待时间。
2.  在热身帧绘制结束前通过加锁来屏蔽期间的屏幕指针事件处理及\_taskQueue中的回调，保证在绘制过程中不会再触发新的重绘。
3.  在热身帧绘制结束后调用 resetEpoch() 来重置时间戳，避免热重载情况从热身帧到热重载帧的时间差，导致隐式动画的跳帧情况。

和普通绘制一样，热身帧也是通过handleBeginFrame、handleDrawFrame这两个回调来进行绘制流程，在前面 WidgetBinding 初始化时将这两个回调交给了window，具体代码逻辑是在 SchedulerBinding。

void scheduleWarmUpFrame() {
        if (_warmUpFrame || schedulerPhase != SchedulerPhase.idle)
          return;
    
        _warmUpFrame = true;
        Timeline.startSync('Warm-up frame');
        final bool hadScheduledFrame = _hasScheduledFrame;
        
        // Timer任务会加入到event queue
        // 所以在执行绘制前先处理完microtask queue中的任务
        Timer.run(() {
          assert(_warmUpFrame);
          
          // 绘制Frame前工作，主要是处理Animate动画
          handleBeginFrame(null);
        });
        Timer.run(() {
          assert(_warmUpFrame);
          
          // 开始Frame绘制
          handleDrawFrame();
          
          // 重置时间戳
          resetEpoch();
          _warmUpFrame = false;
          if (hadScheduledFrame)
          
            // 后续Frame绘制请求
            scheduleFrame();
        });
    
        lockEvents(() async {
          await endOfFrame;
          Timeline.finishSync();
        });
      }

handleBeginFrame处理动画相关逻辑，动画回调后并不立即执行动画，而是改变了animation.value，并调用setSate()来发起绘制请求。动画的过程就是在 Vsync 信号到来时根据动画进度计算出对应的 value，而对应的 Widget 也会随着 animation.value 的变化而重建，从而形成动画，和Android的属性动画原理差不多。  
   
 handleBeginFrame处理完后，会优先处理microTask任务队列。然后才是event Task，window.onDrawFrame()，对应SchedulerBinding.handleDrawFrame()。（Timer任务会加入到event queue，flutter的事件处理机制是优先处理 micro queue 中任务）

void handleDrawFrame() {
        assert(_schedulerPhase == SchedulerPhase.midFrameMicrotasks);
        Timeline.finishSync(); // end the "Animate" phase
        try {
          // 处理Persistent类型回调,主要包括build\layout\draw流程
          _schedulerPhase = SchedulerPhase.persistentCallbacks;
          for (final FrameCallback callback in _persistentCallbacks)
            // 注释1
            _invokeFrameCallback(callback, _currentFrameTimeStamp);
    
          // 处理Post-Frame回调，主要是状态清理，准备调度下一帧绘制请求
          _schedulerPhase = SchedulerPhase.postFrameCallbacks;
          final List<FrameCallback> localPostFrameCallbacks =
              List<FrameCallback>.from(_postFrameCallbacks);
          _postFrameCallbacks.clear();
          for (final FrameCallback callback in localPostFrameCallbacks)
            _invokeFrameCallback(callback, _currentFrameTimeStamp);
        } finally {
        
          // 处理完成，设置状态为idle
          _schedulerPhase = SchedulerPhase.idle;
          Timeline.finishSync(); // end the Frame
          assert(() {
            if (debugPrintEndFrameBanner)
              debugPrint('▀' * _debugBanner.length);
            _debugBanner = null;
            return true;
          }());
          _currentFrameTimeStamp = null;
        }
      }

上面代码中的注释1处的 \_invokeFrameCallback 中处理的 callback 就是我们上面在 RendererBinding 中的 被添加进 FrameCallback 类型的列表中的 \_handlePersistentFrameCallback，\_handlePersistentFrameCallback 里面调用了 drawFrame，这里也是用到了 mixin 机制，在 WidgetsBinding.drawFrame() 中完成组件的构建任务，在 RendererBinding.drawFrame 完成组件的布局、绘制任务

// RendererBinding
      void _handlePersistentFrameCallback(Duration timeStamp) {
        drawFrame();
        _mouseTracker.schedulePostFrameCheck();
      }
    
      void drawFrame() {
        assert(renderView != null);
        // 布局
        pipelineOwner.flushLayout();
        // 更新 RenderObject 中需要绘制的内容
        pipelineOwner.flushCompositingBits();
        // 绘制
        pipelineOwner.flushPaint();
        if (sendFramesToEngine) {
          // 产生这一帧的数据Scene，由window.render交给Engine，最终显示到屏幕（发送数据到GPU）。
          renderView.compositeFrame();
          // 将语义树发送到操作系统
          pipelineOwner.flushSemantics();
          _firstFrameSent = true;
        }
      }

// WidgetsBinding
    void drawFrame() {
       ...
       
       try {
        if (renderViewElement != null)
          //调用BuildOwner.buildScope开始构建
          buildOwner.buildScope(renderViewElement);
          
        //调用RendererBinding.drawFrame，开始布局、绘制阶段。
        super.drawFrame();
        
        //从element tree中移除不需要的element，unmount
        buildOwner.finalizeTree();
      } finally {
         ...
      }
    }

绘制流程结束后会调用`renderView.compositeFrame()`产生这一帧的数据 Scene，由 window.render 交给Engine，最终显示到屏幕。整个热身帧绘制流程：

SchedulerBinding.scheduleWarmUpFrame  
\-> SchedulerBinding.handleBeginFrame 处理动画  
\-> SchedulerBinding.handleDrawFrame  
\-----> WidgetBinding.drawFrame 通过 buildOwner 构建组件  
\-----> RendererBinding.drawFrame 通过 pipelineOwner 完成组件布局和绘制  
\-----> renderView.compositeFrame 发送 Scene 到GPU

## 总结 ##

### mixin机制在FlutterApp启动过程带来的优势： ###

1.  高内聚低耦合：适合应用于需要多个功能模块配合完成的场景，将功能模块通过mixin解耦，各模块职责单一，相互之间不直接引用。
2.  代码复用：多个类可通过混入 mixin 类来复用 mixin 类的代码
3.  保证调用顺序：mixin配合super调用，可以实现同名方法的“继承链”式调用，保证串行执行顺序。

### Flutter App的启动过程总结： ###

1.  ensureInitialized 通过7个 mixin 类 按顺序完成相关初始化工作
2.  scheduleAttachRootWidget 绑定app 应用启动的 Widget 到 render tree 的根节点RenderView上并生成widget tree 的根节点 RenderObjectToWidgetAdapter，RenderView又关联了widget tree 的根节点和 element tree 的根节点
3.  scheduleWarmUpFrame 完成热身帧绘制

参考文章：  
[从mixin机制理解Flutter App启动][mixin_Flutter App]

作者：Joker\_Wan  
链接：https://www.jianshu.com/p/6994f65be6f9  
来源：简书  
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[mixin_Flutter App]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fjuejin.cn%2Fpost%2F6844904205451264008