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本文目的

分析flutter的Layout與Paint
relayout boundary和repaint boundary是什么
開發者如何使用relayout boundary和repaint boundary

目錄結構

Flutter的繪圖原理和UI的基本流程
Widget在flutter繪圖時的作用
分析Layout
分析Paint
總結

Flutter的繪圖原理和UI的基本流程

Flutter的繪圖原理

flutter-vsync.png

從圖中可以看到，當GPU發出Vsunc信號時，會執行Dart代碼繪制新UI，Dart-code會被執行為Layer Tree，然后經過Compositor合成后交由Skia引擎渲染處理為GPU數據，最后通過GL/Vulkan發給GPU。
而我們要分析的地方就在Dart->Layer Tree這里。
UI的基本流程

render-pipeline.png

比如用戶一個輸入操作，可以理解發出為Vsunc信號，這時，fliutter會先做Animation相關工作，然后Build當前UI，之后視圖開始布局和繪制。生成視圖數據，但是只會生成Layer Tree，并不能直接使用，還是需要Composite合成為一個Layer進行Rasterize光柵化處理。層級合并的原因是因為一般flutter的層級很多，直接把每一層傳給GPU傳遞，效率很低，所以會先做Composite，提高效率。
光柵化之后才會給Flutter-Engine處理，這里只是Framework層面的工作，所以看不到Engine，而我們分析的也只是Framework中的一小部分。

flutter-pipeline.png

通過上面的講解，我們大概已經了解了flutter的繪圖的基本流程，但是我們并不清楚layout和paint做了什么，而Widget是如何變成Layou Tree的。但是這里內容太多，一句話說不清，所以我們還是先看下我們平時寫的大量Widget在flutter繪圖時的到底是啥用吧。

Widget在Flutter繪圖時的作用

在這之前，我們要先了解幾個概念

Widget
Element
RenderObject

Widget

這里的Widget就是我們平時寫的Widget，它是 Flutter中控件實現的基本單位。一個Widget里面一般存儲了視圖的配置信息，包括布局、屬性等等。所以它只是一份直接使用的數據結構。在構建為結構樹，甚至重新創建和銷毀結構樹時都不存在明顯的性能問題。

Element

Element是Widget的抽象，它承載了視圖構建的上下文數據。flutter系統通過遍歷 Element樹來構建 RenderObject數據，所以Element是真正被使用的集合，Widget只是數據結構。比如視圖更新時，只會標記dirty Element，而不會標記dirty Widget。

RenderObject

我們要分析的Layout、Paint均發生在RenderObject中，并且LayerTree也是由RenderObject生成，可見其重要程度。所以 Flutter中大部分的繪圖性能優化發生在這里。RenderObject樹構建的數據會被加入到 Engine所需的 LayerTree中。

Widget-Element-RenderObject .jpg

而以上這三個概念也對應著三種樹結構：模型樹、呈現樹、渲染樹。
在解釋他們的概念和關系以后，我們已經認識到RenderObject的重要性，因為以下Layout、Paint包括relayout boundary和repaint boundary都是在這里發生的。

一般一個Widget被更新，那么持有該 Widget的節點的Element會被標記為dirtyElement，在下一次更新界面時，Element樹的這一部分子樹便會被觸發performRebuild，在Element樹更新完成后，便能獲得RenderObject樹，接下來會進入Layout和Paint的流程。

Layout

Layout的目的是要計算出每個節點所占空間的真實大小。

layout-data-flow.png

在構建視圖樹的時候，節點的Constraints是自上而下的，但是計算layout是深度優先遍歷，這是因為節點通過Constraints并不一定能夠明確自己的size，有時它會依賴子節點的size，所以獲取size大小是自下而上。
每個節點會接受到父對象的Constraints，子節點根據其來決定自己的大小，父對象會根據自己的邏輯決定子對象的位置來完成布局。
所以flutter的layout實際上就是這么簡單的操作。那么簡單肯定就有一些問題，比如某個節點的size變了，整個視圖樹就得重新計算？
肯定不是這樣的，否則flutter就不存在圖形的高性能了。flutter是通過Relayout boundary來處理這樣的問題的。
Relayout boundary
它的目的是提高flutter的繪圖性能，它的作用是設置測量邊界，邊界內的Widget做任何改變都不會導致邊界外重新計算并繪制。
Relayout boundary.jpeg

當然它是有條件的，當滿足以下三個條件的任意一個就會觸發Relayout boundary
- constraints.isTight
- parentUsesSize == false
- sizedByParent == true

constraints.isTight

什么是isTight呢？用BoxConstraints為例

BoxConstraints.jpeg

它有四個屬性，分別是minWidth，maxWidth，minHeight，maxHeight

tight
如果最小約束(minWidth，minHeight)和最大約束(maxWidth，maxHeight)分別都是一樣的
loose
如果最小約束都是0.0（不管最大約束），如果最小約束和最大約束都是0.0，就同時是tightly和loose
bounded
如果最大約束都不是infinite
unbounded
如果最大約束都是infinite
expanding
如果最小約束和最大約束都是infinite

所以isTight就是強約束，Widget的size已經被確定，里面的子Widget做任何變化，size都不會變。那么從該Widget開始里面的任意子Wisget做任意變化，都不會對外有影響，就會被添加Relayout boundary（說添加不科學，因為實際上這種情況，它會把size指向自己，這樣就不會再向上遞歸而引起父Widget的Layout了）

parentUsesSize == false

實際上parentUsesSize與sizedByParent看起來很像，但含義有很大區別
parentUsesSize表示父Widget是否要依賴子Widget的size，如果是false，子Widget要重新布局的時候并不需要通知parent，布局的邊界就是自身了。

sizedByParent == true

sizedByParent表示當前的Widget雖然不是isTight，但是通過其他約束屬性，也可以明確的知道size，比如Expanded，并不一定需要明確的size。

通過查看RenderObject-1579行，當然可以看到Layout的實現

void layout(Constraints constraints, { bool parentUsesSize = false }) {
    ...
    if (!parentUsesSize || sizedByParent || constraints.isTight || parent is! RenderObject) {
      relayoutBoundary = this;
    } else {
      final RenderObject parent = this.parent;
      relayoutBoundary = parent._relayoutBoundary;
    }
    ...
}

通過Layout可以看到，flutter為了提高效率所做的努力，那作為開發者可以直接使用relayout boundary嗎？
一般情況是不可以的，但是如果當你決定要自定義一個Row的時候，肯定是要使用它的。但是你可以間接的利用上面的三個條件來使你的Widget樹某些地方擁有relayout boundary。比如以下用法

Row(children: <Widget>[
        Expanded(
           child: Container(
                      height: 50.0, // add for test relayoutBoundary
                      child: LayoutBoundary(),
                      )),
         Expanded(
            child: Text('You have pushed the button this many times:'))
]

如果你想測試上面的三個條件成立時是否真的不會再layout，你可以自定義LayoutBoundaryDelegate來測試，比如

class LayoutBoundaryDelegate extends MultiChildLayoutDelegate {
  LayoutBoundaryDelegate();

  static const String title = 'title';
  static const String summary = 'summary';
  static const String paintBoundary = 'paintBoundary';

  @override
  void performLayout(Size size) {
    print('TestLayoutDelegate  performLayout ');

    final BoxConstraints constraints = BoxConstraints(maxWidth: size.width);

    final Size titleSize = layoutChild(title, constraints);
    positionChild(title, Offset(0.0, 0.0));

    final double summaryY = titleSize.height;
    final Size descriptionSize = layoutChild(summary, constraints);
    positionChild(summary, Offset(0.0, summaryY));

    final double paintBoundaryY = summaryY + descriptionSize.height;
    final Size paintBoundarySize = layoutChild(paintBoundary, constraints);
    positionChild(
        paintBoundary, Offset(paintBoundarySize.width / 2, paintBoundaryY));
  }

  @override
  bool shouldRelayout(LayoutBoundaryDelegate oldDelegate) => false;
}

自定義的MultiChildLayoutDelegate需要使用CustomMultiChildLayout來配合使用

Container(
          child: CustomMultiChildLayout(
              delegate: LayoutBoundaryDelegate(),
              children: <Widget>[
                LayoutId(
                    id: LayoutBoundaryDelegate.title,
                    child: Row(children: <Widget>[
                      Expanded(child: LayoutBoundary()),
                      Expanded(child: Text( 'You have pushed the button this many times:'))
                 ])),
                LayoutId(
                    id: LayoutBoundaryDelegate.summary,
                    child: Container(
                      child: InkWell(
                        child: Text(
                          _buttonText,
                          style: Theme.of(context).textTheme.display1),
                        onTap: () {
                          setState(() {
                            _index++;
                            _buttonText = 'onTap$_index';
                          });
                        },
                      ))),
                LayoutId(
                    id: LayoutBoundaryDelegate.paintBoundary,
                    child: Container(
                      width: 50.0,
                      height: 50.0,
                      child: PaintBoundary())),
              ]),
        )

我們在performLayout方法里做了打印操作，如果CustomMultiChildLayout的children里的任意一個child的size變化，就會打印這條信息，所以這樣的代碼在每次點擊onTap的時候，都會打印'TestLayoutDelegate performLayout '

relayout.jpeg

所以為了達到有RelayoutBoundary的效果，可以將代碼中的Container添加寬高以達到constraints.isTight條件，這個實驗就留給讀者自己測試吧。讀者可以自己嘗試驗證

Paint

Paint的一個重要工作就是確定哪些Element放在同一Layer

paint-into-layers.png
布局size計算是自下而上的，但是paint是自上而下的。在layout之后，所有的Widget的大小、位置都已經確定，這時不需要再做遍歷。

paint-target-layer-flow.png

Paint也是按照深度優先的順序，而且總是先繪制自身，再是子節點，比如節點 2是一個背景色綠色的視圖，在繪制完自身后，繪制子節點3和4。當繪制完以后，Layer是按照深度優先的倒敘進行返回，類似Size的計算，而每個Layer就是一層，最后的結果是一個Layer Tree。
也許你已注意到在2節點由于一些其他原因導致它的部分UI5與6處于了同一層，這樣的結果會導致當2需要重繪的時候，與其不想相關的6實際上也會被重繪，而存在性能損耗。Flutter的工程師當然不會作出這么愚蠢的設計。所以為了提高性能，與relayout boundary相應的存在repaint boundary。
repaint boundary
如果發生上面情況，repaint boundary會強制的使2切換到新Layer

repaint boundary.jpeg

這樣強制使圖層分開，以達到毫不相關的控件的Paint的時候，不會被影響導致重繪。
Repaint boundary一般不需要開發者設置。但開發者可以手動設置，Flutter提供RepaintBoundary組件，你可以在你認為需要的地方，設置Repaint boundary。
如何驗證添加RepaintBoundary后，child就不會被同層的Widget的repaint影響呢，我們可以自定義一個Paint，比如

class PaintBoundary extends StatelessWidget {
  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return CustomPaint(painter: CirclePainter(color: Colors.orange));
  }
}

class CirclePainter extends CustomPainter {
  final Color color;

  const CirclePainter({this.color});

  @override
  void paint(Canvas canvas, Size size) {
    print('CirclePainter paint');
    var radius = size.width / 2;
    var paint = Paint()
      ..color = color
      ..style = PaintingStyle.fill;
    canvas.drawCircle(Offset(radius, size.height), radius, paint);
  }

  @override
  bool shouldRepaint(CustomPainter oldDelegate) => false;
}

只是很簡單的繪制一個橙色的圓，在RelayoutBoundary驗證代碼中已貼出使用。我們只需看設置RepaintBoundary和不設置時候的區別。實驗驗證結果RelayoutBoundary確實可以避免CirclePainter發生重繪，即'CirclePainter paint'只會打印一次。讀者可以自己嘗試驗證

總結

relayout boundary和repaint boundary都是Flutter為了提高繪圖性能而做的努力。通常開發者可以使用RepaintBoundary組件來提高應用的性能，也可以根據relayout boundary的幾個規則來使relayout boundary生效，從而提高性能。

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參考

Flutter's Rendering Pipeline
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 Flutter原理與實踐
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Flutter視圖的Layout與Paint

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目錄結構

Flutter的繪圖原理和UI的基本流程

Widget在Flutter繪圖時的作用

Widget

Element

RenderObject

Layout

constraints.isTight

parentUsesSize == false

sizedByParent == true

Paint

總結

參考

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Widget在Flutter繪圖時的作用

Widget

Element

RenderObject

Layout

constraints.isTight

parentUsesSize == false

sizedByParent == true

Paint

總結

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