万万没想到——flutter这样外接纹理

2018 年 10 月 6 日 CocoaChina

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前言

记得在13年做群视频通话的时候，多路视频渲染成为了端上一个非常大的性能瓶颈。原因是每一路画面的高速上屏（PresentRenderBuffer or SwapBuffer 就是讲渲染缓冲区的渲染结果呈现到屏幕上)操作，消耗了非常多的CPU和GPU资源。

那时候的解法是将绘制和上屏进行分离，将多路画面抽象到一个绘制树中，对其进行遍历绘制，绘制完成以后统一做上屏操作，并且每一路画面不再单独触发上屏，而是统一由Vsync信号触发，这样极大的节约了性能开销。

那时候甚至想过将整个UI界面都由OpenGL进行渲染，这样还可以进一步减少界面内诸如：声音频谱，呼吸效果等动画的性能开销。但由于各种条件限制，最终没有去践行这个想法。

万万没想到的是这种全界面OpenGL渲染思路还可以拿来做跨平台。

Flutter渲染框架

下图为Flutter的一个简单的渲染框架：

Layer Tree：这个是dart runtime输出的一个树状数据结构，树上的每一个叶子节点，代表了一个界面元素（Button，Image等等）。

Skia：这个是谷歌的一个跨平台渲染框架，从目前IOS和anrdroid来看，SKIA底层最终都是调用OpenGL绘制。Vulkan支持还不太好，Metal还不支持。

Shell：这里的Shell特指平台特性（Platform）的那一部分，包含IOS和Android平台相关的实现，包括EAGLContext管理、上屏的操作以及后面将会重点介绍的外接纹理实现等等。

从图中可以看出，当Runtime完成Layout输出一个Layertree以后，在管线中会遍历Layertree的每一个叶子节点，每一个叶子节点最终会调用Skia引擎完成界面元素的绘制，在遍历完成后，在调用glPresentRenderBuffer（IOS）或者glSwapBuffer(Android)按完成上屏操作。

基于这个基本原理，Flutter在Native和Flutter Engine上实现了UI的隔离，书写UI代码时不用再关心平台实现从而实现了跨平台。

问题

正所谓凡事有利必有弊，Flutter在与Native隔离的同时，也在Flutter Engine和Native之间竖立了一座大山，Flutter想要获取一些Native侧的高内存占用图像（摄像头帧、视频帧、相册图片等等）会变得困难重重。传统的如RN，Weex等通过桥接NativeAPI可以直接获取这些数据，但是Flutter从基本原理上就决定了无法直接获取到这些数据，而Flutter定义的channel机制，从本质上说是提供了一个消息传送机制，用于图像等数据的传输必然引起内存和CPU的巨大消耗。

解法

为此，Flutter提供了一种特殊的机制：外接纹理（ps：纹理Texture可以理解为GPU内代表图像数据的一个对象）

上图是前文提到的LayerTree的一个简单架构图，每一个叶子节点代表了dart代码排版的一个控件，可以看到最后有一个TextureLayer节点，这个节点对应的是Flutter里的Texture控件（ps.这里的Texture和GPU的Texture不一样，这个是Flutter的控件）。当在Flutter里创建出一个Texture控件时，代表的是在这个控件上显示的数据，需要由Native提供。

以下是IOS端的TextureLayer节点的最终绘制代码（android类似，但是纹理获取方式略有不同），整体过程可以分为三步

调用external_texture copyPixelBuffer，获取CVPixelBuffer
CVOpenGLESTextureCacheCreateTextureFromImage创建OpenGL的Texture(这个是真的Texture)
将OpenGL Texture封装成SKImage，调用Skia的DrawImage完成绘制。

void IOSExternalTextureGL::Paint(SkCanvas& canvas, const SkRect& bounds) {
  if (!cache_ref_) {
    CVOpenGLESTextureCacheRef cache;
    CVReturn err = CVOpenGLESTextureCacheCreate(kCFAllocatorDefault, NULL,
                                                [EAGLContext currentContext], NULL, &cache);
    if (err == noErr) {
      cache_ref_.Reset(cache);
    } else {
      FXL_LOG(WARNING) << "Failed to create GLES texture cache: " << err;
      return;
    }
  }
  fml::CFRef bufferRef;
  bufferRef.Reset([external_texture_ copyPixelBuffer]);
  if (bufferRef != nullptr) {
    CVOpenGLESTextureRef texture;
    CVReturn err = CVOpenGLESTextureCacheCreateTextureFromImage(
        kCFAllocatorDefault, cache_ref_, bufferRef, nullptr, GL_TEXTURE_2D, GL_RGBA,
        static_cast<int>(CVPixelBufferGetWidth(bufferRef)),
        static_cast<int>(CVPixelBufferGetHeight(bufferRef)), GL_BGRA, GL_UNSIGNED_BYTE, 0,
        &texture);
    texture_ref_.Reset(texture);
    if (err != noErr) {
      FXL_LOG(WARNING) << "Could not create texture from pixel buffer: " << err;
      return;
    }
  }
  if (!texture_ref_) {
    return;
  }
  GrGLTextureInfo textureInfo = {CVOpenGLESTextureGetTarget(texture_ref_),
                                 CVOpenGLESTextureGetName(texture_ref_), GL_RGBA8_OES};
  GrBackendTexture backendTexture(bounds.width(), bounds.height(), GrMipMapped::kNo, textureInfo);
  sk_sp image =
      SkImage::MakeFromTexture(canvas.getGrContext(), backendTexture, kTopLeft_GrSurfaceOrigin,
                               kRGBA_8888_SkColorType, kPremul_SkAlphaType, nullptr);
  if (image) {
    canvas.drawImage(image, bounds.x(), bounds.y());
  }
}

最核心的在于这个external_texture_对象，它是哪里来的呢？

void PlatformViewIOS::RegisterExternalTexture(int64_t texture_id,NSObject*texture) {
  RegisterTexture(std::make_shared(texture_id,texture));
}

可以看到，当Native侧调用RegisterExternalTexture前，需要创建一个实现了FlutterTexture这个protocol的对象，而这个对象最终就是赋值给这个external_texture_。这个external_texture_就是Flutter和Native之间的一座桥梁，在渲染时可以通过他源源不断的获取到当前所要展示的图像数据。

如图，通过外接纹理的方式，实际上Flutter和Native传输的数据载体就是PixelBuffer，Native端的数据源（摄像头、播放器等）将数据写入PixelBuffer，Flutter拿到PixelBuffer以后转成OpenGLES Texture，交由Skia绘制。

至此，Flutter就可以容易的绘制出一切Native端想要绘制的数据，除了摄像头播放器等动态图像数据，诸如图片的展示也提供了Image控件之外的另一种可能（尤其对于Native端已经有大型图片加载库诸如SDWebImage等，如果要在Flutter端用dart写一份也是非常耗时耗力的）。

优化

上述的整套流程，看似完美解决了Flutter展示Native端大数据的问题，但是许多现实情况是这样：

如图工程实践中视频图像数据的处理，为了性能考虑，通常都会在Native端使用GPU处理，而Flutter端定义的接口为copyPixelBuffer，所以整个数据流程就要经过：GPU->CPU->GPU的流程。而熟悉GPU处理的同学应该都知道，CPU和GPU的内存交换是所有操作里面最耗时的操作，一来一回，通常消耗的时间，比整个管道处理的时间都要长。

既然Skia渲染的引擎需要的是GPU Texture，而Native数据处理输出的就是GPU Texture，那能不能直接就用这个Texture呢？答案是肯定的，但是有个条件：EAGLContext的资源共享(这里的Context，也就是上下文，用来管理当前GL环境，可以保证不同环境下的资源的隔离）。

这里我们首先需要介绍下Flutter的线程结构：

如图所示，Flutter通常情况下会创建4个Runner，这里的TaskRunner类似于IOS的GCD，是以队列的方式执行任务的一种机制，通常情况下（一个Runner会对应一个线程，而Platform Runner会在跑在主线程），这里和本文相关的有三个Runner：GPU Runner、IORunner、Platform Runner。

GPU Runner：负责GPU的渲染相关操作。
IO Runner：负责资源的加载操作。
Platform Runner：运行在main thread上，负责所有Native与Flutter Engine的交互。

通常情况下一个使用OpenGL的APP线程设计都会有一个线程负责加载资源（图片到纹理），一个线程负责渲染的方式。但是经常会发现为了能够让加载线程创建出来的纹理，能够在渲染线程使用，两个线程会共用一个EAGLContext。但是从规范上来说这样使用是不安全的，多线程访问同一对象加锁的的话不可避免会影响性能，代码处理不好甚至会引起死锁。因此Flutter在EAGLContext的使用上使用了另一种机制：两个线程各自使用自己的EAGLContext，彼此通过ShareGroup（android为shareContext）来共享纹理数据。（这里需要提一下的是：虽然两个Context的使用者分别是GPU 和IO Runner，但是现有Flutter的逻辑下两个Context都是在Platform Runner下创建的，这里不知道是Flutter是出于什么考虑，但是因为这个设计给我们带来很大的困扰，后面会说到。）

对于Native侧使用OpenGL的模块，也会在自己的线程下面创建出自己线程对应的Context，为了能够让这个Context下创建出来的Texture，能够输送给Flutter 端，并交由Skia完成绘制，我们在Flutter创建内部的两个Context时，将他们的ShareGroup透出，然后在Native侧保存好这个ShareGroup，当Native创建Context时，都会使用这个ShareGroup进行创建。这样就实现了Native和Flutter之间的纹理共享。

通过这种方式来做external_texture有两个好处：

第一：节省CPU时间，从我们测试上看，android机型上一帧720P的RGBA格式的视频，从GPU读取到CPU大概需要5ms左右，从CPU在送到GPU又需要5ms左右，哪怕引入了PBO，也还是有5ms左右的耗时，这对于高帧率场景显然是不能接受的。

第二：节省CPU内存，显而易见数据都在GPU中传递，对于图片场景尤其适用（因为可能同一时间会有很多图片需要展示）。

后语

至此，我们介绍完了Flutter外接纹理的基本原理，以及优化策略。但是可能大家会有疑惑，既然直接用Texture作为外接纹理这么好，为什么谷歌要用Pixelbuffer？这里又回到了那个命题，凡事有利必有弊，使用Texture，必然需要将ShareGroup透出，也就是相当于将Flutter的GL环境开放了，如果外部的OpenGL操作不当（OpenGL的对象对于CPU而言就是一个数字，一个Texture或者FrameBuffer我们断点看到的就是一个GLUint，如果环境隔离，我们随便操作deleteTexture，deleteFrameBuffer不会影响别的环境下的对象，但是如果环境打通，这些操作很可能会影响Flutter自己的Context下的对象），所以作为一个框架的设计者，保证框架的封闭完整性才是首要。

我们在开发过程中，碰到一个诡异的问题，定位了很久发现就是因为我们在主线程没有setCurrentContext的情况下，调用了glDeleteFrameBuffer，从而误删了Flutter的FrameBuffer，导致flutter 渲染时crash。所以建议如果采用这种方案的同学，Native端的GL相关操作务必至少遵从以下一点：

尽量不要在主线程做GL操作，
在有GL操作的函数调用前，要加上setCurrentContext。

还有一点就是本文大多数逻辑都是以IOS端为范例进行陈述，Android整体原理是一致的，但是具体实现上稍有不同，Android端Flutter自带的外接纹理是用SurfaceTexture实现，其机理其实也是CPU内存到GPU内存的拷贝，Android OpenGL没有ShareGroup这个概念，用的是shareContext，也就是直接把Context传出去。并且Shell层Android的GL实现是基于C++的，所以Context是一个C++对象，要将这个C++对象和AndroidNative端的java Context对象进行共享，需要在jni层这样调用：

static jobject GetContext(JNIEnv* env,
                          jobject jcaller,
                          jlong shell_holder) {
    jclass eglcontextClassLocal = env->FindClass("android/opengl/EGLContext");
    jmethodID eglcontextConstructor = env->GetMethodID(eglcontextClassLocal, "", "(J)V");

    void * cxt = ANDROID_SHELL_HOLDER->GetPlatformView()->GetContext();

    if((EGLContext)cxt == EGL_NO_CONTEXT)
    {
        return env->NewObject(eglcontextClassLocal, eglcontextConstructor, reinterpret_cast(EGL_NO_CONTEXT));
    }

    return env->NewObject(eglcontextClassLocal, eglcontextConstructor, reinterpret_cast(cxt));
}

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