深入理解Flutter的图形图像绘制原理——图形库skia剖析

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Flutter是目前流行的高性能跨平台UI框架，图形库skia是其跨平台的基石。本文将深入分析skia的图形、字体、图片的渲染原理，如何挖掘硬件特性，为UI性能优化提供思路。

1. 引言

Flutter是目前非常流行的跨平台UI开发框架，不仅支持Android、iOS，还支持Windows、Linux等操作系统。Flutter的性能非常高，拥有120fps的刷新率。那么flutter是如何实现在不同平台上高性能绘制图形图像的呢？首先我们分析下Flutter App和原生Android App、原生iOS App的UI绘制原理。

移动App的整体UI框架大致分成下面4个层次：

1）UI库

跟Android、iOS原生开发类似，Flutter用dart语言实现一整套UI控件。Flutter先将控件树转成渲染树，然后交由skia库绘制界面。

2）图形库

Skia图形库跟iOS平台的CoreAnimation等库功能类似，不仅提供了图形渲染功能，还提供文字绘制和图片显示功能。高级图形图像库将需要绘制的图形转成点、线、三角形等图元，再调用底层图形接口实现绘制。

3）低级图形接口

OpenGL是使用最广的低级图形接口，兼容性最好，基本上支持市面上的所有GPU。Vulkan是最近几年新推出的图形API，除了iPhone的GPU，其他厂家的GPU基本都支持。Metal是苹果新推出的图形API，只支持自家GPU。

4）硬件设备层

目前的移动设备出于性能考虑，大部分图形都是通过GPU渲染，少数情况也会使用CPU渲染，后文会介绍skia使用CPU和GPU渲染的具体场景。

iPhone 在A11芯片以前使用power vr系列GPU，之后采用自研GPU。安卓手机大部分采用高通Adreno GPU或ARM mail GPU。GPU渲染完一帧图像后送FrameBuffer，最后在合适的时机展示在屏幕上。

Skia应用广泛并且跨平台，不仅用于Flutter和Android操作系统，还用于Google Chrome浏览器，同时支持windows、Mac、iOS操作系统。Skia由C++编写，代码开源，通过研究skia有助于理解图形图像的绘制原理，为UI性能优化提供思路。

2. skia 框架分析

2.1 Skia外部组件依赖

Skia依赖的第三方库众多，包括字体解析库freeType,图片编解码库libjpeg-turbo、libpng、libgifocode、libwebp和pdf文档处理库fpdfemb等。Skia支持多种软硬件平台，既支持ARM和x86指令集，也支持OpenGL、Metal和Vulkan低级图形接口。

2.2 Skia 层次分析

Skia在结构上大致分成三层：画布层，渲染设备层和封装适配层。

2.2.1 画布层

画布层可以理解成提供给开发者在一个设备无关的画布，可以在上面绘制各种图形，且不用关心硬件细节，功能如下：

类别	函数名	含义
画图形	drawPoints	画点
画图形	drawRect	画矩形
画图形	drawVertices	画多边形
画图形	drawRoundRect	画圆角矩形
画图形	drawArc	画圆弧
画图形	drawOval	画椭圆
画图形	drawPath	画矢量图
绘制文字	drawText	显示文字
显示图片	drawBitmap	显示位图

2.2.2 渲染设备层

渲染设备层负责画布层的硬件实现，skia将设备封装成下面三个类：

1）SKBitmapDevice

CPU渲染模式绘图，用于没有显卡或者显卡驱动的设备。此模式下，最后会将需要绘制的图形转成位图数据（RGB）写入指定内存，故称为BitmapDevice。写内存操作通过AVX或者NEON指令集实现。

2）SKGPUDevice

GPU渲染方式绘图。目前大部分移动设备和个人电脑都有GPU，GPU比CPU的运算单元多，并行计算能力强，通过GPU绘图可降低CPU占用，性能更好。Flutter、最新版本的chrome和android系统默认设置为GPU渲染模式。Chrome中的配置截图如下，可看到默认采用GPU渲染。

3）SKPDFDevice

选用此设备时，渲染结果不是输出到显示器的画面，而是输出为pdf文件。

可以通过skia官网在线体验不同设备的渲染结果：https://fiddle.skia.org/c/@sh...

2.2.3封装适配层

Skia为了屏蔽不同依赖库的接口差异，对依赖库进行了封装和适配。例如基于图片编解码库libjpeg-turbo、libpng、libwebp 封装了类SKJpegCodec、SKPngCodec、SKWebpCodec。基于底层图形库OpenGL、Metal、Vulkan封装了GrGLOpsRenderPass， GrMTOpsRenderPass, GrVKOpsRenderPass三个类。基于苹果平台CoreText字体库和开源字体FreeType封装了类SkScalerContext_Mac和SkScalerContext_FreeType。

Skia的外部依赖和层级结构讲解完毕，下面重点讲解skia的图形、文字和图片的绘制原理。

3. 图形绘制原理

Skia支持绘制的图形众多，包括圆形、椭圆、矩形、贝塞尔曲线等。下文重点分析图形的CPU和GPU两种渲染模式的原理。

3.1 图形CPU渲染原理

曲线的绘制涉及的数学知识较多，本文不再展开，下面以绘制实心矩形为例说明原理进行剖析。

1）调用画布的绘图API

应用层调用画布SKCanvas的drawRect函数，传入左上角和右下角顶点坐标。

2）选用对应的设备的绘图API

由于选择的是CPU渲染模式，故调用SKBitmapDevice的矩形绘图函数drawRect实现。

3）图形表示

所有的图形可分解成下面几种基本矢量图形的组合，矩形可表示成四条直线的组合。

曲线类型	参数	用途
直线（一次贝塞尔曲线）	起点坐标，终点坐标	可表示绘制三角形、四边形等多边形
圆锥曲线	起点坐标，终点坐标，椭圆参数	表示椭圆、圆弧、圆形
二次贝塞尔曲线	三个控制点	表示TrueType字体、抛物线等曲线
三次贝塞尔曲线	四个控制点	表示OpenType字体和其他曲线

4）绘制算法实现

矢量图转成位图的过程称为光栅化。带填充的矩形光栅化过程比较简单，可以分解成绘制多条横线。

5）横线线绘制算法

每条横向的画法通过SKBlitter:: blitH实现。接口定义如下：

virtual void blitH(int x, int y, int width);

功能：从坐标x,y开始，连续写入宽度为width的RGB颜色值。

6）内存中写颜色数据

通过追踪代码，发现上文中的横线绘制函数调用的是memsetT函数（内存赋值）实现。参数如下：

static void memsetT(T buffer[], T value, int count)

目前x86和ARM处理器是32或者64位，普通的指令一次最多写入32位或者64位数据，一个带透明通道的点通常占4个字节，相当于一次只能绘制1到2个点，效率比较低。Skia从性能角度考虑，采用的SIMD指令集来加速内存操作。

在X86平台，调用SSE、AVX、AVX2等指令集实现内存赋值，SSE支持一次操作128位操作，AVX/AVX2支持一次操作256位数据，ARM处理器的NEON指令集支持一次操作128位数据。

3.2 图形GPU渲染原理

GPU的并行运算能力强，目前大部分移动设备都采用的是GPU渲染。

skia GPU渲染流程如下：

1）发起绘图，先调用SKCanvas的绘图函数drawRect，传入左上角和右下角顶点坐标。

2）调用GPU设备的绘图函数SKGPUDevice::drawRect。

3）采用命令模式，将GPU绘图操作封装成类GrOpsTask的实例。

4）根据软硬件平台的不同选用不同的底层API。

OpenGL（Open Graphics Library”）是目前使用最广泛的跨平台图形变成接口，跨平台特性好，大部分操作系统和GPU。Skia在大部分平台采用OpenGL实现GPU绘图，少部分平台调用Metal和vulkan。

Metal是苹果公司2014年推出的和 OpenGL类似的面向底层的图形编程接口，只支持iOS。对软硬件有要求，要求硬件苹果A7及以后，操作系统iOS 10及以上。Metal理论上性能比OpenGL性能强，故新设备中开启Metal可提高性能。例如Flutter中已启用了metal支持，详情参考https://github.com/flutter/fl...。

Vulkan是新一代跨平台的2D和3D绘图应用程序接口（API）,旨在取代OpenGL，理论上性能强于OpenGL。自 Android 7.0 开发者预览版开始，Google便在系统平台中添加了对Vulkan的API支持。目前Skia的GPU渲染模式已用vulkan实现了一套，但存在一些bug。具体参考https://skia.org/user/special...。

Skia对上述三种图形接口进行了封装，屏蔽了不同底层图形API接口的差异。OpenGL接口的封为GrGLOpsRenderPass，Metal的封装层为GrMTOpsRenderPass,Vuklan的封装层为 GrVKOpsRenderPass。

5）通过GPU完成剩余绘图操作。

下面以OpenGL为例说明。接口封装层调用OpenGL glDrawArray绘制矩形，之后在渲染流水线中完成顶点变换、光栅化和着色，最后送帧缓冲显示。渲染流水线如下图所示：

Metal、vulkan的渲染流水线这里不再展开。

4. 字体绘制原理

字体无法直接显示在屏幕上，需要解析成位图或者矢量图才能绘制。Skia的字体解析实现跟进平台差异有所不同，mac和iOS平台调用coreText库,安卓平台调用开源库freeType。

FreeType是一个用C语言实现的，免费的高质量可移植字体引擎，支持点阵字体PCF、BDF和矢量字体TrueType、freeType等字体。

4.1 skia点阵字体绘制原理

Skia支持的点阵字体有PCF、BDF格式。点阵存储的是多张位图，常见的有1616，2424，32*32等尺寸，解码和显示简单，缺点是放大后有锯齿。

1) skia点阵文字显示代码：

SkFont font;
font.setEdging(SkFont::Edging::kAlias);
font.setSize(40);
const char text[] = "Click this link!";
size_t byteLength = strlen(static_cast<const char*>(text));
canvas->drawSimpleText(text, byteLength, SkTextEncoding::kUTF8, x, y, font, SkPaint());

文字绘制流程如下：

点阵字体最后解析成了位图，然后根据平台不同选用CPU或者GPU渲染出来。Skia为了提高字体显示速度，对字体的解析结果做了内存缓存。

4.2 矢量字体绘制原理

矢量字体主要通过贝塞尔曲线描述字体，存储空间小，但渲染复杂，还需要导入字体库文件。Skia支持的矢量字体有tff(true type font)和otf(open true type)格式。前者采用二次贝塞尔曲线表示，后者采用三次贝塞尔曲线表示。Skia中矢量文字绘制代码如下：

SkPaint p;
    p.setStyle(SkPaint::kStroke_Style);
    p.setStrokeWidth(10);
    p.setARGB(0xff, 0xbb, 0x00, 0x00);
   sk_sp<SkTypeface> ttf = MakeResourceAsTypeface("fonts/Stroking.ttf");
SkFont font(ttf, 100);
if (ttf) {
        SkFont font(ttf, 100);
        canvas->drawString("○◉  ⁻₋⁺₊", 10, 100, font, p);
}

绘制流程如下：

矢量字体的绘制流程跟点阵字体大部分一样，不同之处在于解析结果为贝塞尔曲线。贝塞尔曲线的渲染算法稍微复杂，参考文章https://www3.cs.stonybrook.ed...

5. 图片绘制原理

5.1 Skia位图绘制原理

skia提供了showBitmap函数可直接显示位图。位图渲染模式跟矢量图形类似，分为CPU渲染和GPU渲染。位图的CPU渲染跟实心矩形的渲染原理类似，通过SIMD指令集将位图内存一行一行拷贝到指定内存缓存中。GPU渲染模式通过调用OpenGL、Metal、vulkan的纹理贴图函数实现。

5.2 Skia压缩格式图片绘制原理

位图由于占用空间大，使用频率低，大部分情况下使用压缩格式图片。Skia支持的压缩格式图片如下：

格式	优点	缺点	场景	依赖解码库
gif	文件小，支持动画、透明，无兼容性问题	只支持种颜色，且透明度只有1位，有白边和锯齿	简单的动图	libgifcodec
jpg	支持位真彩色，压缩率高	有损压缩，不支持透明通道	色彩丰富的图片	libjpeg-turbo
png	无损压缩，支持透明，简单图片尺寸小	不支持动画，压缩率低	logo/icon/透明图	libpng
webp	比jpeg压缩率更高，支持有损和无损压缩，支持动画、透明通道	谷歌自研格式，部分平台不支持。	支持有损和无损压缩格式，支持动画	libwebp

压缩格式图片使用代码如下：

SkCanvas c(dst);  
    SkBitmap src;  
    SkImageDecoder::DecodeFile(“test.jpg”, &src);//  图片解码
    c.drawBitmap(src, 0, 0, NULL);  //图片显示

显示流程如下图所示：

读取文件后，先通过文件头判断图片类型，然后送相应的图片库解码成位图图像后，再通过CPU或者GPU渲染。

6. skia小结

Skia是一个功能强大的跨平台图形库，能绘制矩形、圆形、贝塞尔曲线等矢量图，绘制点阵字体和矢量字体，显示jpeg、png、gif、webp等图片，同时性能好，从算法和硬件两个层面进行了优化。skia支持多种软硬件平台，除了Android、chrome、Flutter等产品直接将其作为图形引擎，也支持iOS、windows等操作系统。Skia功能较多，还支持lottie动画，图像特效，还引入了中间语言SKGL，限于篇幅，这里不再展开。