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让 Flutter 在鸿蒙系统上跑起来

鸿蒙系统(HarmonyOS)是华为推出的一款面向未来、面向全场景的分布式操作系统。在传统单设备系统能力的基础上,鸿蒙提出了基于同一套系统能力、适配多种终端形态的分布式理念。

作者:佚名来源:美团技术团队|2021-01-22 14:03

前言

鸿蒙系统(HarmonyOS)是华为推出的一款面向未来、面向全场景的分布式操作系统。在传统单设备系统能力的基础上,鸿蒙提出了基于同一套系统能力、适配多种终端形态的分布式理念。自 2020 年 9 月 HarmonyOS 2.0 发布以来,华为加快了鸿蒙系统大规模落地的步伐,预计 2021 年底,鸿蒙系统会覆盖包括手机、平板、智能穿戴、智慧屏、车机在内数亿台终端设备。对移动应用而言, 新的系统理念、新的交互形式,也意味着新的机遇 。如果能够利用好鸿蒙的开发生态及其特性能力,可以让应用覆盖更多的交互场景和设备类型,从而带来新的增长点。

与面临的机遇相比,适配鸿蒙系统带来的挑战同样巨大。当前手机端,尽管鸿蒙系统仍然支持安卓 APK 安装及运行,但长期来看,华为势必会抛弃 AOSP,逐步发展出自己的生态,这意味着现有安卓应用在鸿蒙设备上将会逐渐变成“二等公民”。然而,如果在 iOS 及 Android 之外再重新开发和维护一套鸿蒙应用,在如今业界越来越注重开发迭代效率的环境下,所带来的开发成本也是难以估量的。因此,通过打造一套合适的跨端框架,以相对低的成本移植应用到鸿蒙平台,并利用好该系统的特性能力,就成为了一个非常重要的选项。

在现有的众多跨端框架当中,Flutter 以其自渲染能力带来的多端高度一致性,在新系统的适配上有着突出的优势。虽然Flutter 官方 并没有适配鸿蒙的计划 ,但经过一段时间的探索和实践,美团外卖 MTFlutter 团队成功实现了 Flutter 对于鸿蒙系统的原生支持。

这里也要提前说明一下,因为鸿蒙系统目前还处于Beta版本,所以这套适配方案还没有在实际业务中上线,属于技术层面比较前期的探索。接下来本文会通过原理和部分实现细节的介绍,分享我们在移植和开发过程中的一些经验。希望能对大家有所启发或者帮助。

背景知识和基础概念介绍

在适配开始之前,我们要明确好先做哪些事情。先来回顾一下 Flutter 的三层结构:

在 Flutter 的架构设计中,最上层为 框架层 ,使用 Dart 语言开发,面向 Flutter 业务的开发者;中间层为 引擎层 ,使用 C/C++ 开发,实现了 Flutter 的渲染管线和 Dart 运行时等基础能力;最下层为 嵌入层 ,负责与平台相关的能力实现。显然我们要做的是将嵌入层移植到鸿蒙上,确切地说,我们要 通过鸿蒙原生提供的平台能力,重新实现一遍 Flutter 嵌入层 。

对于 Flutter 嵌入层的适配,Flutter 官方有一份不算详细的 指南 ,实际操作起来成本很高。由于鸿蒙的业务开发语言仍然可用 Java,在很多基础概念上与 Android 也有相似之处(如下表所示),我们可以从 Android 的实现入手,完成对鸿蒙的移植。

Flutter 在鸿蒙上的适配

如前文所述,要完成 Flutter 在新系统上的移植,我们需要完整实现 Flutter 嵌入层要求的所有子模块,而从能力支持角度, 渲染 、 交互 以及 其他必要的原生平台能力 是保证 Flutter 应用能够运行起来的最基本的要素,需要优先支持。接下来会依次进行介绍。

1. 渲染流程打通

我们再来回顾一下 Flutter 的图像渲染流程。如图所示,设备发起 垂直同步 (VSync)信号之后,先经过 UI 线程的渲染管线(Animate/Build/Layout/Paint),再经过 Raster 线程的组合和栅格化,最终通过 OpenGL 或 Vulkan 将图像 上屏 。这个流程的大部分工作都由框架层和引擎层完成,对于鸿蒙的适配,我们主要关注的是与设备自身能力相关的问题,即:

(1) 如何监听设备的 VSync 信号并通知 Flutter 引擎? (2) OpenGL/Vulkan 用于上屏的窗口对象从何而来?

VSync 信号的监听及传递

在 Flutter 引擎的 Android 实现中,设备的 VSync 信号通过 Choreographer 触发,它产生及消费流程如下图所示:

Flutter 框架注册 VSync 回调之后,通过 C++ 侧的 VsyncWaiter 类等待 VSync 信号,后者通过 JNI 等一系列调用,最终 Java 侧的 VsyncWaiter 类调用 Android SDK 的 Choreographer.postFrameCallback 方法,再通过 JNI 一层层传回 Flutter 引擎消费掉此回调。Java 侧的 VsyncWaiter 核心代码如下:

  1. @Override 
  2. public void asyncWaitForVsync(long cookie) { 
  3.   Choreographer.getInstance() 
  4.       .postFrameCallback( 
  5.         new Choreographer.FrameCallback() { 
  6.           @Override 
  7.           public void doFrame(long frameTimeNanos) { 
  8.             float fps = windowManager.getDefaultDisplay().getRefreshRate(); 
  9.             long refreshPeriodNanos = (long) (1000000000.0 / fps); 
  10.             FlutterJNI.nativeOnVsync( 
  11.               frameTimeNanos, frameTimeNanos + refreshPeriodNanos, cookie); 
  12.           } 
  13.         }); 

在整个流程中,除了来自 Android SDK 的 Choreographer 以外,大多数逻辑几乎都由 C++ 和 Java 的基础 SDK 实现,可以直接在鸿蒙上复用,问题是鸿蒙目前的 API 文档中尚没有开放类似 Choreographer 的能力。所以现阶段我们可以借用鸿蒙提供的类似 iOS Grand Central Dispatch 的线程 API,模拟出 VSync 的信号触发与回调:

  1. @Override 
  2. public void asyncWaitForVsync(long cookie) { 
  3.   // 模拟每秒 60 帧的屏幕刷新间隔:向主线程发送一个异步任务, 16ms 后调用 
  4.   applicationContext.getUITaskDispatcher().delayDispatch(() -> { 
  5.     float fps = 60// 设备刷新帧率,HarmonyOS 未暴露获取帧率 API,先写死 60 帧 
  6.     long refreshPeriodNanos = (long) (1000000000.0 / fps); 
  7.     long frameTimeNanos = System.nanoTime(); 
  8.     FlutterJNI.nativeOnVsync(frameTimeNanos, frameTimeNanos + refreshPeriodNanos, cookie); 
  9.   }, 16); 
  10. }; 

渲染窗口的构建及传递

在这一部分,我们需要在鸿蒙系统上构建平台容器,为 Flutter 引擎的图形渲染提供用于上屏的窗口对象。同样,我们参考 Flutter for Android 的实现,看一下 Android 系统是怎么做的:

Flutter 在 Android 上支持 Vulkan 和 OpenGL 两种渲染引擎,篇幅原因我们只关注 OpenGL。抛开复杂的注册及调用细节,本质上整个流程主要做了三件事:

  1. 创建了一个 视图对象 ,提供可用于直接绘制的 Surface,将它通过 JNI 传递给原生侧;
  2. 在原生侧获取 Surface 关联的 本地窗口对象 ,并交给 Flutter 的平台容器;
  3. 将本地窗口对象转换为 OpenGL ES 可识别的 绘图表面(EGLSurface) ,用于 Flutter 引擎的渲染上屏。

接下来我们用鸿蒙提供的平台能力实现这三点。

a. 可用于直接绘制的视图对象

鸿蒙系统的 UI 框架 提供了很多常用视图组件(Component) ,比如按钮、文字、图片、列表等,但我们需要抛开这些上层组件,获得直接绘制的能力。借助官方 媒体播放器开发指导 文档,可以发现鸿蒙提供了 SurfaceProvider 类,它管理的 Surface 对象可以用于视频解码后的展示。而 Flutter 渲染与视频上屏从原理上是类似的,因此我们可以借用 SurfaceProvider 实现 Surface 的管理和创建:

  1. // 创建一个用于管理 Surface 的容器组件 
  2. SurfaceProvider surfaceProvider = new SurfaceProvider(context); 
  3. // 注册视图创建回调 
  4. surfaceProvider.getSurfaceOps().get().addCallback(surfaceCallback); 
  5.  
  6. // ... 在 surfaceCallback 中 
  7. @Override 
  8. public void surfaceCreated(SurfaceOps surfaceOps) { 
  9.   Surface surface = surfaceOps.getSurface(); 
  10.   // ...将 surface 通过 JNI 交给 Native 侧 
  11.   FlutterJNI.onSurfaceCreated(surface); 

b. 与 Surface 关联的本地窗口对象

鸿蒙目前开放的 Native API 并不多,在官方文档中我们可以比较容易地找到 Native_layer API 。根据文档的说明,Native API 中的 NativeLayer 对象刚好对应了 Java 侧的 Surface 类,借助 GetNativeLayer 方法,我们实现了两者之间的转化:

  1. // platform_view_android_jni_impl.cc 
  2. static void SurfaceCreated(JNIEnv* env, jobject jcaller, jlong shell_holder, jobject jsurface) { 
  3.   fml::jni::ScopedJavaLocalFrame scoped_local_reference_frame(env); 
  4.   // 通过鸿蒙 Native API 获取本地窗口对象 NativeLayer 
  5.   auto window = fml::MakeRefCounted<AndroidNativeWindow>( 
  6.       GetNativeLayer(env, jsurface)); 
  7.   ANDROID_SHELL_HOLDER->GetPlatformView()->NotifyCreated(std::move(window)); 

c. 与本地窗口对象关联的 EGLSurface

在 Android 的 AOSP 实现 中,EGLSurface 可通过 EGL 库的 eglCreateWindowSurface 方法从本地窗口对象 ANativeWindow 创建而来。对于鸿蒙而言,虽然我们没有从公开文档找到类似的说明,但是 鸿蒙标准库 默认支持了 OpenGL ES,而且鸿蒙 SDK 中也附带了 EGL 相关的库及头文件,我们有理由相信在鸿蒙系统上,EGLSurface 也可以通过此方法从前一步生成的 NativeLayer 转化而来,在之后的验证中我们也确认了这一点:

  1. // window->handle() 即为之前得到的 NativeLayer 
  2. EGLSurface surface = eglCreateWindowSurface( 
  3.       display, config_, reinterpret_cast<EGLNativeWindowType>(window->handle()), 
  4.       attribs); 
  5. //...交给 Flutter 渲染管线 

2. 交互能力实现

交互能力是支撑 Flutter 应用能够正常运行的另一个基本要求。在 Flutter 中,交互包含了各种触摸事件、鼠标事件、键盘录入事件的传递及消费。以触摸事件为例,Flutter 事件传递的整个流程如下图所示:

iOS/Android 的原生容器通过触摸事件的回调 API 接收到事件之后,会将其打包传递至引擎层,后者将事件传发给 Flutter 框架层,并完成事件的消费、分发和逻辑处理。同样,整个流程的大部分工作已经由 Flutter 统一,我们要做的仅仅是在原生容器上 监听 用户的输入,并 封装 成指定格式交给引擎层而已。

在鸿蒙系统上,我们可以借助平台提供的 多模输入 API ,实现多种类型事件的监听:

  1. flutterComponent.setTouchEventListener(touchEventListener); // 触摸及鼠标事件 
  2. flutterComponent.setKeyEventListener(keyEventListener); // 键盘录入事件 
  3. flutterComponent.setSpeechEventListener(speechEventListener); // 语音录入事件 

对于事件的封装处理,可以复用 Android 已有逻辑,只需要关注鸿蒙与 Android 在事件处理上的对应关系即可,比如触摸事件的部分对应关系:

3. 其他必要的平台能力

为了保证 Flutter 应用能够正常运行,除了最基本的渲染和交互外,我们的嵌入层还要提供资源管理、事件循环、生命周期同步等平台能力。对于这些能力 Flutter 大多都在嵌入层的公共部分有抽象类声明,只需要使用鸿蒙 API 重新实现一遍即可。

比如资源管理,引擎提供了 AssetResolver 声明,我们可以使用鸿蒙 Rawfile API 来实现:

  1. class HAPAssetMapping : public fml::Mapping { 
  2.  public
  3.   HAPAssetMapping(RawFile* asset) : asset_(asset) {} 
  4.   ~HAPAssetMapping() override { CloseRawFile(asset_); } 
  5.  
  6.   size_t GetSize() const override { return GetRawFileSize(asset_); } 
  7.  
  8.   const uint8_t* GetMapping() const override { 
  9.     return reinterpret_cast<const uint8_t*>(GetRawFileBuffer(asset_)); 
  10.   } 
  11.  
  12.  private
  13.   RawFile* const asset_; 
  14.  
  15.   FML_DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(HAPAssetMapping); 
  16. }; 

对于事件循环,引擎提供了 MessageLoopImpl 抽象类,我们可以使用鸿蒙 Native_EventHandler API 实现:

// runner_ 为鸿蒙 EventRunnerNativeImplement 的实例
void MessageLoopHarmony::Run() {
  FML_DCHECK(runner_ == GetEventRunnerNativeObjForThread());
  int result = ::EventRunnerRun(runner_);
  FML_DCHECK(result == 0);
}

void MessageLoopHarmony::Terminate() {
  int result = ::EventRunnerStop(runner_);
  FML_DCHECK(result == 0);
}

对于生命周期的同步,鸿蒙的 Page Ability 提供了完整的生命周期回调(如下图所示),我们只需要在对应的时机将状态上报给引擎即可。

当以上这些能力都准备好之后,我们就可以成功把 Flutter 应用跑起来了。以下是通过 DevEco Studio 运行官方 flutter gallery 应用的截图,截图中 Flutter 引擎已经使用鸿蒙系统的平台能力进行了重写:

借由鸿蒙的多设备支持能力,此应用甚至可在 TV、车机、手表、平板等设备上运行:

总结和展望

通过上述的构建和适配工作,我们以极小的开发成本实现了 Flutter 在鸿蒙系统上的移植,基于 Flutter 开发的上层业务几乎不做任何修改就可以在鸿蒙系统上原生运行,为迎接鸿蒙系统后续的大规模推广也提前做好了技术储备。

当然,故事到这里并没有结束。在最基本的运行和交互能力之上,我们更需要关注 Flutter 与鸿蒙自身生态的结合:如何优雅地适配鸿蒙的分布式技术?如何用 Flutter 实现设备之间的快速连接、资源共享?现有的众多 Flutter 插件如何应用到鸿蒙系统上?未来 MTFlutter 团队将在这些方面做更深入的探索,因为解决好这些问题,才是真正能让应用覆盖用户生活的全场景的关键。

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【责任编辑:张燕妮 TEL:(010)68476606】

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