前言

作为一款跨平台移动应用开发框架，Flutter 确实在性能方面具有优势，这主要得益于它采用了自己的渲染引擎来完成 UI 渲染。Flutter 的渲染引擎使用 Skia 图形库直接将应用程序 UI 绘制到屏幕上，并且能够利用 GPU 加速来提高性能。
同时，Flutter 还采用了高效的图层树结构，可以快速计算和渲染复杂的 UI 元素，这也是 Flutter 在性能方面优于其他跨端框架的重要原因之一。
另外，Flutter 还具有热重载、自定义 UI 等优点，这些优势都使得 Flutter 成为了一个受欢迎的跨平台移动应用开发框架。

为了了解Flutter渲染优势，我们需要深入探究Flutter的渲染原理。本系列文章将采用通俗易懂的语言介绍Flutter的渲染原理，不仅能够帮助您了解Flutter的渲染优势，还能学习到前端通用的渲染原理。

导读

作为Flutter渲染原理的第一篇，本文不会深入分析Flutter的细节和源码，而是主要介绍Flutter UI框架到屏幕显示的整体流程，基于此流程结合生产消费者模型帮助读者建立一个完整的框架思维，主要内容如下：

第一章：Flutter渲染流程介绍。介绍Flutter渲染流程的基本概念和结构，为后续章节打下基础。
第二章：生产消费者模型。讲解Flutter渲染基于生产消费者模型的原理和流程，帮助读者深入理解Flutter渲染的工作方式。介绍生产消费者模型中的加工厂和制造过程，阐述它在Flutter渲染框架中的重要作用。探究生产消费者模型中的消费者，揭示它在Flutter渲染框架中的作用和实现原理。
第三章：总结和展望。对前面章节进行总结，展望后续的本系列的更新计划。

1.Flutter渲染流程介绍

下面是官方提供的Flutter框架图：

在Flutter框架图中，开发者与Framework层直接交互。这一层提供了UI框架，负责整个渲染流程。Engine层提供了Flutter的渲染引擎Skia，而Embedder层则是用于适配各个平台的基础层。然而，对于整个前端渲染框架来说，这些层次远远不够，无法触及操作系统和硬件层。如果有一个简单且完整的渲染框架流程图，应该是下面这个样子：

在App页面开发过程中，开发者编写UI代码并将其显示在屏幕上，这个过程可以概括为以下几个步骤：

开发者编写UI代码：开发者使用Flutter框架中的Widget编写应用程序的UI界面，包括布局、交互、逻辑等部分，这些代码最终会转换为UI渲染对象。

Flutter UI框架：Flutter UI框架将开发者编写的UI代码转换为渲染对象，这些渲染对象RenderObject描述了要在屏幕上绘制的内容，组成了Flutter渲染树。

Flutter渲染引擎：Flutter渲染引擎负责处理Flutter渲染树中的渲染对象，确定它们的绘制顺序、位置和透明度等属性。渲染引擎使用Skia绘图引擎将这些渲染对象转换为GPU可理解的图形数据。

操作系统：操作系统负责管理硬件和软件资源，为应用程序提供必要的环境和服务，包括内存管理、进程调度、输入输出等。操作系统还负责与GPU驱动程序交互，将渲染任务提交给GPU。

GPU渲染：GPU通过硬件加速和优化等技术将图形数据转换为像素点，并对每个像素点进行处理和着色，以生成最终的图像数据。这个过程可以分为顶点处理、几何着色、裁剪、光栅化、像素着色等步骤，其中GPU使用并行计算的方式提高计算效率和图形处理的速度。

帧缓存：GPU将生成的像素点写入帧缓存中，帧缓存是一块内存区域，用于存储屏幕上每个像素点的颜色值。

屏幕显示：最后，操作系统将帧缓存中的像素点数据发送到GPU驱动程序，驱动程序再将数据传输给GPU，GPU再将数据发送到显示器上，显示器按照像素点的颜色值进行显示，将最终的图像呈现在屏幕上。

整个流程中，操作系统负责管理资源、提供必要的环境和服务，将渲染任务提交给GPU。Flutter UI框架和渲染引擎将开发者的UI代码转换为渲染对象，并进行处理和优化。GPU使用并行计算和硬件加速等技术对图形数据进行处理和渲染，最终将渲染结果输出到帧缓存中。最后，操作系统将帧缓存中的数据传输给GPU，GPU再将数据发送到显示器上，最终将渲染结果输出到屏幕上。

1.1 开发者编写的UI代码

开发者编写的代码是绝大部分是基于各技术栈的UI框架，常见的UI框架包括Android中的Android UI框架、iOS中的UIKit框架、React Native中的React框架以及Flutter中的Flutter框架等。

在Flutter中，面向开发者的UI核心是Widget。有一句广为人知的话是“万物皆可Widget”，这意味着在Flutter中，类似于Android中的Activity和iOS中的Controller等页面容器都可以使用Widget，而页面中的组件也同样适用Widget。而在Widget中的build方法返回的Widget组件便是UI框架需要的数据。

由开发者编写提供UI数据后，接下来轮到Flutter UI框架进行数据处理了。

1.2 Flutter UI框架

广义上的UI框架是什么？

广义上的UI框架是指提供一系列API和工具，帮助开发者构建用户界面的软件框架。这些框架通常提供了许多基本组件和功能，例如文本框、按钮、标签等，以及与用户交互的事件处理、布局和样式等。通过使用这些框架，开发者可以更轻松地创建各种应用程序，无需从头开始编写所有UI元素和逻辑。

广义上的UI框架不仅限于特定的操作系统或平台，也可以是跨平台的。例如，Flutter就是一个跨平台UI框架，可以在多个操作系统和设备上运行，如Android、iOS、Web、桌面应用等。而React Native也是一个跨平台UI框架，可以用于构建Android和iOS应用程序。

总之，广义上的UI框架是一种软件开发工具，使开发者能够更快速、高效地创建各种类型的用户界面。

Flutter UI框架又是什么？

Flutter的UI框架基于现代的响应式编程思想，使用一种名为Dart的编程语言编写。提供了许多基础组件和Widget，包括文本框、按钮、滑块、表格等，同时还有丰富的动画和效果组件。

Flutter还提供了强大的布局和样式系统，使开发者可以轻松构建美观、响应式的用户界面。

Flutter还支持热重载和快速开发周期，使开发者可以快速迭代和测试应用程序。总之，Flutter UI框架是一种现代、高效的工具，可以帮助开发者构建高质量的应用程序，并在多个平台上运行。

在Flutter UI框架中，当需要刷新UI时，它会获取开发者提供的Widget数据，将Widget树转换为渲染对象树，并将其交给渲染引擎处理。

1.3 Flutter渲染引擎

Flutter渲染引擎利用Skia图形引擎来实现跨平台的图形渲染。Skia是Google开发的跨平台2D图形引擎，它支持各种图形操作和效果，例如路径绘制、图像渲染、阴影、模糊等等，提供了丰富的API。

Flutter渲染树由多个RenderObject对象组成，每个RenderObject对象负责绘制一个小的图形元素，例如文本框、线条、按钮等等。Flutter框架自动构建和更新渲染树，开发者只需提供Widget树即可实现复杂的用户界面和动画效果。

Flutter渲染引擎负责处理Flutter渲染树中的渲染对象，确定它们的绘制顺序、位置和透明度等属性。使用Skia绘图引擎将这些渲染对象转换为GPU可理解的图形数据，以实现高性能的图形渲染和动画处理。

综上所述，Flutter渲染引擎是Flutter框架的核心之一，提供了高性能、可扩展、跨平台的图形渲染和动画处理能力，为开发者提供了极大的便利。

1.4 操作系统

在Flutter中，操作系统扮演了一个重要的角色，尤其是在渲染引擎和GPU渲染之间的交互中。

首先，Flutter的渲染引擎会生成一个绘图命令列表，包含所有需要在屏幕上渲染的UI元素，其中渲染引擎的渲染功能是基于操作系统或GPU提供的基础图形API来实现的。然后，这些绘图命令被发送到GPU进行实际的渲染操作。在此过程中，操作系统充当了中间人的角色，负责协调Flutter渲染引擎和GPU之间的交互。

具体来说，操作系统可以执行以下任务：

管理GPU资源：操作系统可以分配GPU资源，如内存和处理器时间，以确保Flutter应用程序可以在屏幕上流畅运行。

提供硬件加速：操作系统可以利用硬件加速技术，如OpenGL或Vulkan，来优化Flutter应用程序的渲染性能。

处理事件：操作系统可以处理屏幕上的用户事件，如触摸、点击等，并将这些事件传递给Flutter应用程序。

管理窗口：操作系统可以创建和管理应用程序窗口，并确保它们在屏幕上正确显示和渲染。

总之，操作系统在Flutter渲染引擎和GPU之间扮演了至关重要的角色，负责协调它们之间的交互，并确保Flutter应用程序在屏幕上正确显示和渲染。

Skia引擎生成的图形数据无法直接显示在屏幕上，需要通过GPU渲染。 GPU将对Skia引擎生成的图形数据进行处理和加工，以最终在屏幕上显示出来。

1.5 GPU渲染

GPU渲染部分就像是一个专门的艺术家，它会拿到由渲染引擎提供的绘图指令，然后将这些指令转化为屏幕上真正可见的图像。GPU渲染部分会负责处理颜色、阴影、反射等各种图形效果，并通过计算、填充、着色等操作，将绘图指令转化为最终的图像。

什么是硬件加速？
硬件加速实际就是把原本属于CPU做的计算工作交给GPU来处理，由于GPU具有高并发性和并行计算能力，因此GPU通常比CPU计算更快且更适合大量绘制对象或高分辨率的场景。不开启硬件加速时，Skia是配合CPU的计算能力进行软绘，GPU则主要执行后续的着色等流程，而开启硬件加速，SKia不仅可以利用GPU关于绘图方面的强大绘制能力,还可以实现更复杂的图形效果，如光照和阴影。

1.6 帧缓存

帧缓存是指一种用于存储渲染结果的内存缓存。在渲染过程中，GPU会将每一帧的渲染结果存储到帧缓存中，然后在下一帧的渲染开始前，将上一帧的渲染结果从帧缓存中读取出来，作为当前帧的背景。这样做可以使得UI的渲染更加流畅，因为GPU可以直接从帧缓存中读取上一帧的渲染结果，而无需重新计算整个场景。同时，帧缓存还可以用于实现一些特殊效果，例如流畅的动画效果和平滑的过渡效果等。

1.7 屏幕显示

讨论屏幕显示原理，我们首先需要了解屏幕是由许多物理像素点组成的。每个像素点可以显示多种颜色，这些颜色是通过不同的物理像素点的组合形成完整的图像。显示器颜色通常由RGB三种基色组成，这决定了每个像素点可以显示多少种颜色。比如，一个拥有1600万种颜色的屏幕，即每个基本色（R、G、B）深度扩展至8 bit（位），颜色深度越深，所能显示的色彩更加丰富靓丽。

为了更新屏幕画面，显示器以一定的频率进行刷新，如一部60Hz的手机屏幕每秒刷新60次。刷新过程中，显示器会发出垂直同步信号（如vsync）用于同步CPU、GPU和显示器的协作。GPU的主要作用是确定每个像素点最终的色值，渲染后放入帧缓冲区，视频控制器根据垂直同步信号从帧缓冲区取帧数据，最后传递给显示器进行显示。

2.生产消费者模型

中国自78年的改革开放以来，从“加工”到“制造”是技术升级的过程，当前，国家重点扶持“高端制造”和“技术创新”。从中美贸易战可以看出，国家这么做的原因是为了避免在技术上被制约。我们也可以从中受益，最初我们可能只是一名普通的加工工人，缺乏核心竞争力。但是，一旦掌握了核心技术并能够灵活应用，实现技术创新，我们的核心竞争力将凸显，不会受制于他人，掌握自己的命运。

生产者消费者模型在工作和生活中都非常常见。事实上，整个Flutter渲染框架也是按照这种流程运作的。假设Flutter 渲染流程是一个生产消费者模型，那么在这个模型中有下面几个关键环节：

对于开发者而言，接触核心技术的难度较大，而且可能与前端开发工程师的工作职责关系不大。然而，如果你作为一名出色的企业家，没有核心技术的支撑，就无法推出像Flutter这样出色的跨端技术栈。因此，尽管我们可能不需要深入掌握“核心技术”，但掌握“加工”和“制造技术”仍然是非常重要的需求。

2.1 原材料

在Flutter中，开发者本身就是原材料供应商。根据Flutter中“万物皆可Widget”的原则，开发者提供的原材料实际上是“Widget树”。

通过官方文档的引导，我们可以轻松开始Flutter开发并提供原材料。然而，正因为这样的简单易行，竞争也更加激烈。为了增强自身的核心竞争力，掌握加工和制造技术是势在必行的。

作为原材料供应商，我们向“加工厂”提供了加工所需原材料。此时，加工厂开始运作。

2.2 加工厂

在Flutter中，Flutter UI框架就是加工厂，负责构建widget树来描述UI界面的外观和行为。在这个加工厂中分为2个流水线和5个环节：

原材料组装

在Flutter中，widget的重新构建可以看作是流水线中的一个环节。每当widget的状态发生变化时，Flutter框架会调用widget的build方法来重新构建该widget及其子树的UI界面。

具体来说，widget的build方法会根据当前的状态和属性等信息，返回一个新的widget树。这个新的widget树将替换之前的widget树，成为下一次UI渲染的基础。

在流水线中，widget的重新构建相当于生产线上的一次升级。它可以改进产品的质量、性能等特性，并影响到后续阶段的加工过程。例如，如果新的widget树比之前的更简单，那么在布局、绘制和合成阶段都可以减少计算和操作，从而提高整个UI渲染的效率。

在Flutter中，widget的重新构建是UI渲染流水线中的一个环节，整个环节通过一个关键类BuildOwner管理，相当于，它就相当于一个组装工人，作用是通过组装可以改进产品的质量、性能等特性，并影响到后续阶段的“材料加工”过程。

材料加工

可以将Flutter的UI渲染过程看作是一条材料加工的流水线，其中包括布局、绘制和合成三个阶段，具体如下：

布局阶段：在这个阶段，Flutter UI框架根据widget树的描述，计算出每个widget在UI界面上的位置和大小，并确定widget之间的相对位置关系。这个过程类似于排版，可以看作是流水线的第一道工序。
绘制阶段：在这个阶段，Flutter引擎将widget树转换为渲染对象，并进行绘制。这个过程包括创建各种绘制指令，比如画线、填充颜色等，将这些指令交给Skia。这个过程类似于生产线的第二道工序。
合成阶段：在这个阶段，Flutter引擎将所有渲染对象按照图层的层级关系进行合成。这个过程类似于生产线的最后一道工序，将之前加工出的各个部分组装起来，形成完整的产品。

总之，Flutter的UI渲染过程可以看作是一条流水线，包括布局、绘制和合成三个阶段，每个阶段都有不同的功能和任务，整个环节通过一个关键类PipeOwner管理，他就相当于一个流水线管理者，作用是最终将所有阶段的结果合并成为制造商“Skia引擎”所需要的Layer数据。

2.3 制造

实际对于加工流程来说，Skia也算是加工材料的消费者，只不过对于整个大的流程来讲，Skia并不是最终的消费者，也仅仅是作为最终显示渲染数据的制造商，相对于一个加工厂，制造企业多了很多的核心技术，那么Skia的核心技术又是什么了？

Skia是一个用于图形处理的开源2D图形库，可以将其比作一个制造企业，可以通过一系列工具和流程来生产和处理图像和图形。以下是一些可以用来描述Skia的制造类比：

制造基础材料：Skia提供了一些基础材料，如颜色、画笔和画布等，这些材料可以用于构建各种图形和图像。
加工图形：使用Skia可以创建各种形状的图形，如圆形、矩形、椭圆形和多边形等。可以对这些图形进行各种操作，如缩放、旋转、裁剪和变形等。
渲染图像：Skia可以使用多种方式来渲染图像，包括CPU、GPU和矢量渲染器等。这使得Skia可以适应各种硬件和软件环境。
提供高级工具：除了基本的图形处理工具外，Skia还提供了一些高级工具，如滤镜、阴影、遮罩和混合模式等。这些工具可以用来创建更加复杂的图形和效果。
优化性能：为了提高图形处理的效率和性能，Skia使用了各种技术和算法，如渲染引擎的多线程处理、图像压缩和颜色空间转换等。

整体来讲，Skia是一个功能强大的2D图形库，类比于一个制造商，可以帮助开发者快速创建和处理各种图像和图形，并提供了各种工具和技术来优化性能和效果，生成符合GPU要求格式的位图数据。

2.4 底层核心技术

GPU渲染、操作系统基础图形API以及帧缓存技术涉及到底层核心技术，是整个生产过程中非常重要的加工制造环节，这些技术在第一章已经介绍过。它们协同作用，生成屏幕显示所需的图像数据。

笔者对于这部分的细节掌握也不够彻底，在这里就不做分享，有兴趣的同学可以自行查资料。

2.5 消费者

消费者是屏幕，屏幕自不必多说，对于我们来说，是日常随时会接触到的存在。

屏幕是计算机、手机、平板电脑等设备上用于显示图像、文本和视频等内容的输出设备。它由一个平面面板组成，通常使用液晶（LCD）、有机发光二极管（OLED）、等离子体或其他技术来显示图像。

屏幕的分辨率是指屏幕上像素的数量。分辨率越高，屏幕上显示的图像就越清晰。屏幕的刷新率是指屏幕每秒更新图像的次数。刷新率越高，图像就越流畅，特别是在观看视频或玩游戏时。

屏幕的尺寸也是一个重要的参数。屏幕的尺寸越大，屏幕上的图像就越大，更加适合用于观看视频或进行多任务处理。但是，屏幕尺寸越大，设备也会越大和笨重。

简而言之，屏幕是电子设备上用于显示图像和文本的重要输出设备，其分辨率、刷新率、类型和尺寸等参数都会对设备的使用体验产生影响。

3.总结与展望

本篇是Flutter渲染系列的第一篇，主要介绍渲染流程的基本概念及流程：

第一章将介绍几个结构性的渲染流程思维，以便读者更好地理解整个渲染流程，拥有一个结构型思维。
第二章将通过生产者-消费者模型深入探讨渲染流程，帮助读者更深入地理解渲染流程。

在笔者的计划中，Flutter渲染系列将从整体到局部逐步介绍Flutter渲染原理。首先，本篇对整个渲染流程进行基本介绍，随后逐步深入细节。

第二篇文章将基于生产者-消费者模型，对UI框架的加工流程基于源码进行详细分析，具体可参见Flutter渲染原理系列（一）——UI加工厂之产品需求。

Flutter渲染原理系列（一）——生产消费者模型

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