让 Flutter 在鸿蒙系统上跑起来

鸿蒙系统 （HarmonyOS）是华为推出的一款分布式操作系统，那么如何在保证开发迭代效率的前提下，以相对低的成本将移动应用快速移植到鸿蒙平台上呢？美团外卖 MTFlutter 团队近期做了一次技术探索，成功地实现了 Flutter 对于鸿蒙系统的原生支持。
  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、车机在内的数亿台终端设备。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，其产生及消费流程如下图所示：
    Flutter VSyncFlutter 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.         });
14. }

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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. };

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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：

• 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；
  
• 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；
  
• 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来实现这三点。
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);
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);
12. }

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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));
8. }

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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

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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：

  Flutter 事件分发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

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对于事件的封装处理，可以复用 Android 已有的逻辑，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_); }
6.   size_t GetSize() const override { return GetRawFileSize(asset_); }
8.   const uint8_t* GetMapping() const override {
9.     return reinterpret_cast<const uint8_t*>(GetRawFileBuffer(asset_));
10.   }
12.  private:
13.   RawFile* const asset_;
15.   FML_DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(HAPAssetMapping);
16. };

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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：

1. // runner_ 为鸿蒙 EventRunnerNativeImplement 的实例
2. void MessageLoopHarmony::Run() {
3.   FML_DCHECK(runner_ == GetEventRunnerNativeObjForThread());
4.   int result = ::EventRunnerRun(runner_);
5.   FML_DCHECK(result == 0);
6. }
8. void MessageLoopHarmony::Terminate() {
9.   int result = ::EventRunnerStop(runner_);
10.   FML_DCHECK(result == 0);
11. }

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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。

  Page Ability Lifecycle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：

  DevEco Running Flutter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：

  Flutter Multiple Devices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。
参考文献

• https://developer.huawei.com/consumer/cn/events/hdc2020/
  
• https://developer.harmonyos.com/cn/documentation
  
• https://flutter.dev/docs/resources/architectural-overview
  
• https://github.com/flutter/flutter/wiki/Custom-Flutter-Engine-Embedders
  

作者简介
杨超，2016 年加入美团外卖技术团队，目前主要负责 MTFlutter 相关的基础建设工作。
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