Flutter 是如何渲染的？

前言

要解答这个问题，首先需要认识到 Flutter 中有三棵树：Widget 树，Element 树和 RenderObject 树。

当应用启动时 Flutter 会遍历并创建所有的 Widget 形成 Widget Tree，同时与 Widget Tree 相对应，通过调用 Widget 上的 createElement() 方法创建每个 Element 对象，形成 Element Tree。

最后调用 Element 的 createRenderObject() 方法创建每个渲染对象，形成一个 Render Tree。

然后需要知道 Widget，Element 和 RenderObject 到底是啥以及它们是干什么的。

什么是 Widget

Widget 是 Flutter 的核心部分，是用户界面的不可变描述信息。正如 Flutter 的口号 Everything’s a widget, 用 Flutter 开发应用就是在写 Widget 🐶。

Flutter 的 Widget 不只表示 UI 控件，还表示一些功能性的组件，如路由跳转 Navigator，手势检测 GestureDetector 组件等。

@immutable
abstract class Widget extends DiagnosticableTree {
  /// Initializes [key] for subclasses.
  const Widget({ this.key });
  final Key key;

  /// ...

  @protected
  Element createElement();

  /// ...

  static bool canUpdate(Widget oldWidget, Widget newWidget) {
    return oldWidget.runtimeType == newWidget.runtimeType
      && oldWidget.key == newWidget.key;
  }
}

Widget 的 canUpdate 方法通过比较新部件和旧部件的 runtimeType 和 key 属性是否相同来决定更新部件对应的 Element。

什么是 Element

Element 是实例化的 Widget 对象，通过 Widget 的 createElement() 方法，在特定位置使用 Widget 配置数据生成。

Element 用于管理应用 UI 的更新和更改，管理部件的生命周期，每个 Element 都包含对 Widget 和 RenderObject 的引用。

当 Widget 变化时，如果两个 Widget 的 runtimeType 和 key 属性相同的，那么新的 Element 会通过 Element.update() 更新旧的 Element，否则旧的 Element 会被删除，新生成的 Element 插入到树中。

abstract class Element extends DiagnosticableTree implements BuildContext {
  /// Creates an element that uses the given widget as its configuration.
  ///
  /// Typically called by an override of [Widget.createElement].
  Element(Widget widget)
    : assert(widget != null),
      _widget = widget;

  /// Change the widget used to configure this element.
  ///
  /// The framework calls this function when the parent wishes to use a
  /// different widget to configure this element. The new widget is guaranteed
  /// to have the same [runtimeType] as the old widget.
  ///
  /// This function is called only during the "active" lifecycle state.
  @mustCallSuper
  void update(covariant Widget newWidget) {
    /// ...
  }

  /// Creates an instance of the [RenderObject] class that this
  /// [RenderObjectWidget] represents, using the configuration described by this
  /// [RenderObjectWidget].
  ///
  /// This method should not do anything with the children of the render object.
  /// That should instead be handled by the method that overrides
  /// [RenderObjectElement.mount] in the object rendered by this object's
  /// [createElement] method. See, for example,
  /// [SingleChildRenderObjectElement.mount].
  @protected
  RenderObject createRenderObject(BuildContext context);
}

什么是 RenderObject

RenderObject 用于应用界面的布局和绘制，保存了元素的大小，布局等信息，实例化一个 RenderObject 是非常耗能的。

当应用运行时 Flutter 使用 RenderObject 的数据绘制应用界面，最终形成一个 Render Tree。

abstract class RenderObject extends AbstractNode with DiagnosticableTreeMixin implements HitTestTarget {
  /// Initializes internal fields for subclasses.
  RenderObject() {
    _needsCompositing = isRepaintBoundary || alwaysNeedsCompositing;
  }

  /// The render object at (or below) this location in the tree.
  ///
  /// If this object is a [RenderObjectElement], the render object is the one at
  /// this location in the tree. Otherwise, this getter will walk down the tree
  /// until it finds a [RenderObjectElement].
  RenderObject get renderObject {
    RenderObject result;
    void visit(Element element) {
      assert(result == null); // this verifies that there's only one child
      if (element is RenderObjectElement)
        result = element.renderObject;
      else
        element.visitChildren(visit);
    }
    visit(this);
    return result;
  }

  void layout(Constraints constraints, { bool parentUsesSize = false }) {
    /// ...
  }

  /// ...

  void paint(PaintingContext context, Offset offset) {
    /// ...
  }

}

为什么需要三棵树

使用三棵树的目的是尽可能复用 Element。

复用 Element 对性能非常重要，因为 Element 拥有两份关键数据：Stateful widget 的状态对象及底层的 RenderObject。

当应用的结构很简单时，或许体现不出这种优势，一旦应用复杂起来，构成页面的元素越来越多，重新创建 3 棵树的代价是很高的，所以需要最小化更新操作。

当 Flutter 能够复用 Element 时，用户界面的逻辑状态信息是不变的，并且可以重用之前计算的布局信息，避免遍历整棵树。

举个例子说明

创建一个简单的 Flutter 应用，代码如下

import 'package:flutter/material.dart';

void main() {
  runApp(
    MaterialApp(
      color: Colors.white,
      debugShowCheckedModeBanner: false,
      builder: (context, child) => HomePage(),
    ),
  );
}

class HomePage extends StatefulWidget {
  @override
  _HomePageState createState() => _HomePageState();
}

class _HomePageState extends State<HomePage> {
  bool _isWorld = true;

  Widget _buildWorld() {
    return RichText(
      text: TextSpan(
        text: 'Hello world',
        style: TextStyle(color: Colors.black),
      ),
    );
  }

  Widget _buildFlutter() {
    return RichText(
      text: TextSpan(
        text: 'Hello flutter',
        style: TextStyle(color: Colors.black),
      ),
    );
  }

  void changeText() {
    setState(() {
      _isWorld = !_isWorld;
    });
  }

  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return Scaffold(
      body: Column(
        mainAxisAlignment: MainAxisAlignment.center,
        children: <Widget>[
          Center(
            child: _isWorld ? _buildWorld() : _buildFlutter(),
          ),
          SizedBox(height: 20.0),
          // Padding(padding: EdgeInsets.only(top: 20.0)),
          IconButton(icon: Icon(Icons.refresh), onPressed: changeText)
        ],
      ),
    );
  }
}

显示效果

打开 Dart DevTools，可以看到应用的 Widget Tree，此时 RichText 控件的 RenderObject 的 ID 是 #6276a

点击图标将文字变成 Hello flutter 时

刷新浏览器页面再次查看 RichText 的 RenderObject 的 ID 依然是 #6276a

可以发现 Flutter 只是更新了文字数据，复用了 RichText 对应的 Element 和 RenderObject。

而使用 SizedBox 部件取代 Padding 部件时。

@override
Widget build(BuildContext context) {
  return Scaffold(
    body: Column(
      mainAxisAlignment: MainAxisAlignment.center,
      children: <Widget>[
        Center(
          child: RichText(
            text: TextSpan(
              text: 'Hello $text',
              style: TextStyle(color: Colors.black),
            ),
          ),
        ),
        SizedBox(height: 20.0),
        // Padding(padding: EdgeInsets.only(top: 20.0)),
        IconButton(icon: Icon(Icons.refresh), onPressed: changeText)
      ],
    ),
  );
}

Padding 部件对应的 Element 和 RenderObject 都会被从树中移除，使用 SizedBox 新生成的替代。

总结

Widget 是应用界面的声明信息。 Element 链接 Widget 和 RenderObject，管理界面的更新和修改。 RenderObject 保存具体的布局信息，负责绘制 UI 。

参考

How Flutter renders Widgets (Video)

How Flutter renders Widgets

Flutter UI 系统

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