文/陳爐軍
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整理/LiveVideoStack
大家好，我是阿里巴巴閑魚事業(yè)部的陳爐軍，本次分享的主題是Flutter浪潮下的音視頻研發(fā)探索，主要內(nèi)容是針對閑魚APP在當(dāng)下流行的跨平臺框架Flutter的大規(guī)模實踐，介紹其在音視頻領(lǐng)域碰到的一些困難以及解決方案。
分享內(nèi)容主要分為四個方面，首先會對Flutter有一個簡單介紹以及選擇Flutter作為跨平臺框架的原因，其次會介紹Flutter中與音視頻關(guān)系非常大的外接紋理概念，以及對它做出的一些優(yōu)化。之后會對閑魚在音視頻實踐過程中碰到的一些Flutter問題提出了一些解決方案——TPM音視頻框架。最后是閑魚Flutter多媒體開源組件的介紹。
Flutter
Flutter是一個跨平臺框架，以往的做法是將音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)這些模塊都下沉到C++層或者ARM層，在其上封裝成一個音視頻的SDK，供UI層的PC、iOS和Android調(diào)用。
而Flutter做為一個UI層的跨平臺框架，顧名思義就是在UI層也實現(xiàn)了一個跨平臺開發(fā)?？梢灶A(yù)想的是未Flutter發(fā)展的好的話，會逐漸變?yōu)橐粋€從底層到UI層的一個全鏈路的跨平臺開發(fā)，技術(shù)人員分別負(fù)責(zé)SDK和UI層的開發(fā)。
在Flutter之前已經(jīng)有很多跨平臺UI解決方案，那為什么選擇Flutter呢？
我們主要考慮性能和跨平臺的能力。
以往的跨平臺方案比如Weex，ReactNative，Cordova等等因為架構(gòu)的原因無法滿足性能要求，尤其是在音視頻這種性能要求幾乎苛刻的場景。
而諸如Xamarin等，雖然性能可以和原生App一致，但是大部分邏輯還是需要分平臺實現(xiàn)。
我們可以看一下，為什么Flutter可以實現(xiàn)高性能：
原生的native組件渲染以IOS為例，蘋果的UIKit通過調(diào)用平臺自己的繪制框架QuaztCore來實現(xiàn)UI的繪制，圖形繪制也是調(diào)用底層的API,比如OpenGL、Metal等。
而Flutter也是和原生API邏輯一致，也是通過調(diào)用底層的繪制框架層SKIA實現(xiàn)UI層。這樣相當(dāng)于Flutter他自己實現(xiàn)了一套UI框架，提供了一種性能超越原生API的跨平臺可能性。
但是我們說一個框架最終性能怎樣，其實取決于設(shè)計者和開發(fā)者。至于現(xiàn)在到底是一個什么狀況：
在閑魚的實踐中，我們發(fā)現(xiàn)在正常的開發(fā)沒有特意的去優(yōu)化UI代碼的情況下，在一些低端機上，F(xiàn)lutter界面的流暢性是比Native界面要好的。
雖然現(xiàn)在閑魚某些場景下會有卡頓閃退等情況，但是這是一個新事物發(fā)展過程中的必然問題，我們相信未來性能肯定不會成為限制Flutter發(fā)展的瓶頸的。
在閑魚實踐Flutter的過程中，混合棧和音視頻是其中比較難解決的兩個問題，混合棧是指一個APP在Flutter過程中不可能一口氣將所有業(yè)務(wù)全部重寫為Flutter，所以這是一個逐步迭代的過程，這期間原生native界面與Flutter界面共存的狀態(tài)就稱之為混合棧。閑魚在混合棧上也有一些比較好的輸出，例如FlutterBoost。
外接紋理
在講音視頻之前需要簡要介紹一下外接紋理的概念，我們將它稱之為是Flutter和Frame之間的橋梁。
Flutter渲染一幀屏幕數(shù)據(jù)首先要做的是，GPU發(fā)出的VC信號在Flutter的UI線程，通過AOT編譯的機器碼結(jié)合當(dāng)前Dart Runtime，生成Layer Tree UI樹，Layer Tree上每一個葉子節(jié)點都代表了當(dāng)前屏幕上所需要渲染的每一個元素，包含了這些元素渲染所需要的內(nèi)容。將Layer Tree拋給GPU線程，在GPU線程內(nèi)調(diào)用Skia去完成整個UI的渲染過程。Layer Tree中有PictureLayer和TextureLayer兩個比較重要的節(jié)點。PictureLayer主要負(fù)責(zé)屏幕圖片的渲染，F(xiàn)lutter內(nèi)部實現(xiàn)了一套圖片解碼邏輯，在IO線程將圖片讀取或者從網(wǎng)絡(luò)上拉取之后，通過解碼能夠在IO線程上加載出紋理，交給GPU線程將圖片渲染到屏幕上。但是由于音視頻場景下系統(tǒng)API太過繁多，業(yè)務(wù)場景過于復(fù)雜。Flutter沒有一套邏輯去實現(xiàn)跨平臺的音視頻組件，所以說Flutter提出了一種讓第三方開發(fā)者來實現(xiàn)音視頻組件的方式，而這些音視頻組件的視頻渲染出口，就是TextureLayer。
在整個Layer Tree渲染的過程中，TextureLayer的數(shù)據(jù)紋理需要由外部第三方開發(fā)者來指定，可以把視頻數(shù)據(jù)和播放器數(shù)據(jù)送到TextureLayer里，由Flutter將這些數(shù)據(jù)渲染出來。
TextureLayer渲染過程：首先判斷Layer是否已經(jīng)初始化，如果沒有就創(chuàng)建一個Texture，然后將Texture Attach到一個SufaceTexture上。
這個SufaceTexture是音視頻的native代碼可以獲取到的對象，通過這個對象創(chuàng)建的Suface，我們可以將視頻數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)解碼放到Suface中，然后Flutter端通過監(jiān)聽SufaceTexture的數(shù)據(jù)更新就可以順利把剛才創(chuàng)建的數(shù)據(jù)更新到它的紋理中，然后再將紋理交給SKIA渲染到屏幕上。
然而我們?nèi)绻枰肍lutter實現(xiàn)美顏，濾鏡，人臉貼圖等等功能，就需要將視頻數(shù)據(jù)讀取出來，更新到紋理中，再將GPU紋理經(jīng)過美顏濾鏡處理后生成一個處理后的紋理。按Flutter提供的現(xiàn)有能力，必須先將紋理中的數(shù)據(jù)從GPU讀出到CPU中，生成Bitmap后再寫入Surface中，這樣在Flutter中才能順利的更新到視頻數(shù)據(jù)，這樣做對系統(tǒng)性能的消耗很大。
通過對Flutter渲染過程分析，我們知道Flutter底層需要渲染的數(shù)據(jù)就是GPU紋理，而我們經(jīng)過美顏濾鏡處理完成以后的結(jié)果也是GPU紋理，如果可以將它直接交給Flutter渲染，那就可以避免GPU-CPU-GPU這樣的無用循環(huán)。這樣的方法是可行的，但是需要一個條件，就是OpenGL上下文共享。
OpenGL
在說上下文之前，得提到一個和上線文息息相關(guān)的概念：線程。
Flutter引擎啟動后會啟動四個線程：
第一個線程是UI線程，這是Flutter自己定義的UI線程，主要負(fù)責(zé)GPU發(fā)出的VSync信號時候用當(dāng)前Dart編譯的機器碼和當(dāng)前運行環(huán)境創(chuàng)建出Layer Tree。
還有就是IO線程和GPU線程。和大部分OpenGL處理解決方案中一樣，F(xiàn)lutter也采取一個線程責(zé)資源加載，一部分負(fù)責(zé)資源渲染這種思路。
兩個線程之間紋理共享有兩種方式。一種是EGLImage(IOS是 CVOpenGLESTextureCache)。一種是OpenGL Share Context。Flutter通過Share Context來實現(xiàn)紋理共享，將IO線程的Context和GPU線程的Context進(jìn)行Share，放到同一個Share Group下面，這樣兩個線程下資源是互相可見可以共享的。
Platform線程是主線程，F(xiàn)lutter中有一個很奇怪的設(shè)定，GPU線程和主線程共用一個Context。并且在主線程也有很多OpenGL 操作。
這樣的設(shè)計會給音視頻開發(fā)帶來很多問題，后面會詳細(xì)說。
音視頻端美顏處理完成的OpenGL紋理能夠讓Flutter直接使用的條件就是Flutter的上下文需要和平臺音視頻相關(guān)的OpenGL上下文處在一個Share Group下面。
由于Flutter主線程的Context就是GPU的Context，所以在音視頻端主線程中有一些OpenGL操作的話，很有可能使Flutter整個OpenGL被破壞掉。所以需要將所有的OpenGL操作都限制在子線程中。
通過上述這兩個條件的處理，我們就可以在沒有增加GPU消耗的前提下實現(xiàn)美顏和濾鏡等等功能。
TPM
在經(jīng)過demo驗證之后，我們將這個方案應(yīng)用到閑魚音視頻組件中，但改造過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題。
上圖是攝像頭采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為紋理的一段代碼，其中有兩個操作：首先是切進(jìn)程，將后面的OpenGL操作都切到cameraQueue中。然后是設(shè)置一次上下文。然后這種限制條件或者說是潛規(guī)則往往在開發(fā)過程中容易被忽略的。而這個條件一旦忽略后果就是出現(xiàn)一些莫名其妙的詭異問題極難排查。因此我們就希望能抽象出一套框架，由框架本身實現(xiàn)線程的切換、上下文和模塊生命周期等的管理，開發(fā)者接入框架以后只需要安心實現(xiàn)自己的算法，而不需要關(guān)心這些潛規(guī)則還有其他一些重復(fù)的邏輯操作。
在引入Flutter之前閑魚的音視頻架構(gòu)與大部分音視頻邏輯一樣采用分層架構(gòu)：
1：底層是一些獨立模塊
2：SDK層是對底層模塊的封裝
3：最上層是UI層。
引入Flutter之后，通過分析各個模塊的使用場景，我們可以得出一個假設(shè)或者說是抽象：音視頻應(yīng)用在終端上可以歸納為視頻幀解碼之后視頻數(shù)據(jù)幀在各個模塊之間流動的過程，基于這種假設(shè)去做Flutter音視頻框架的抽象。
咸魚Flutter多媒體開源組件
整個Flutter音視頻框架抽象分為管線和數(shù)據(jù)的抽象、模塊的抽象、線程統(tǒng)一管理和上下文同一管理四部分。
管線，其實就是視頻幀流動的管道。數(shù)據(jù)，音視頻中涉及到的數(shù)據(jù)包括紋理、Bit Map以及時間戳等。結(jié)合現(xiàn)有的應(yīng)用場景我們定義了管線流通數(shù)據(jù)以Texture為主數(shù)據(jù)，同時可以選擇性的添加Bit Map等作為輔助數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)定義方式，避免重復(fù)的創(chuàng)建和銷毀紋理帶來的性能開銷以及多線程訪問紋理帶來的一些問題。也滿足一些特殊模塊對特殊數(shù)據(jù)的需求。同時也設(shè)計了紋理池來管理管線中的紋理數(shù)據(jù)。
模塊：如果把管線和數(shù)據(jù)比喻成血管和血液，那框架音視頻的場景就可以比喻成器官，我們根據(jù)模塊所在管線的位置抽象出采集、處理和輸出三個基類。這三個基類里實現(xiàn)了剛才說的線程切換，上下文切換，格式轉(zhuǎn)換等等共同邏輯，各個功能模塊通過集成自這些基類，可以避免很多重復(fù)勞動。
線程：每一個模塊初始化的時候，初始化函數(shù)就會去線程管理的模塊去獲取自己的線程，線程管理模塊可以決定給初始化函數(shù)分配新的線程或者已經(jīng)分配過其他模塊的線程。
這樣有三個好處：
一是可以根據(jù)需要去決定一個線程可以掛載多少模塊，做到線程間的負(fù)載均衡。第二，多線程并發(fā)式能夠保證模塊內(nèi)的OpenGL操作是在當(dāng)前線程內(nèi)而不會跑到主線程去，徹底避免Flutter的OpenGL 環(huán)境被破壞。第三，多線程并行可以充分利用CPU多核架構(gòu)，提升處理速度。
從Flutter端修改Flutter引擎將Context取出后，根據(jù)Context創(chuàng)建上下文的統(tǒng)一管理模塊，每一個模塊在初始化的時候會獲取它的線程，獲取之后會調(diào)用上下文管理模塊獲取自己的上下文。這樣可以保證每一個模塊的上下文都是與Flutter的上下文進(jìn)行Share的，每個模塊之間資源都是共享可見的，F(xiàn)lutter和音視頻native之間也是互相共享可見的。
基于上述框架如果要實現(xiàn)一個簡單的場景，比如畫面實時預(yù)覽和濾鏡處理功能，
1：需要選擇功能模塊，功能模塊包括攝像頭模塊、濾鏡處理模塊和Flutter畫面渲染模塊，
2：需要配置模塊參數(shù)，比如采集分辨率、濾鏡參數(shù)和前后攝像頭設(shè)置等，
3：在創(chuàng)建視頻管線后使用已配置的參數(shù)創(chuàng)建模塊
4：最后管線搭載模塊，開啟管線就可以實現(xiàn)這樣簡單的功能。
上圖為整個功能實現(xiàn)的代碼和結(jié)構(gòu)圖。
結(jié)合上述音視頻框架，閑魚實現(xiàn)了Flutter多媒體開源組件。
組要包含四個基本組件分別是：
1：視頻圖像拍攝組件
2：播放器組件
3：視頻圖像編輯組件
4：相冊選擇組件
現(xiàn)在這些組件正在走內(nèi)部開源流程。預(yù)計9月份，相冊和播放器會實現(xiàn)開源。
后續(xù)展望和規(guī)劃
1：實現(xiàn)開頭所說的從底層SDK到UI的全鏈路的跨端開發(fā)。目前底層框架層和模塊層都是各個平臺各自實現(xiàn)，反而是Flutter的UI端進(jìn)行了跨平臺的統(tǒng)一，所以后續(xù)會將底層也按照音視頻常用做法把邏輯下沉到C++層，盡可能的實現(xiàn)全鏈路跨平臺。
2：第二部分內(nèi)容為開源共建，閑魚開源的內(nèi)容不僅包括拍攝、編輯組件，還包括了很多底層模塊，希望有開發(fā)者在基于Flutter開發(fā)音視頻應(yīng)用時可以充分利用閑魚開源出的音視頻模塊能力，搭建APP框架，開發(fā)者只要去負(fù)責(zé)實現(xiàn)特殊需求模塊就可以，盡可能的減少重復(fù)勞動。
描述了屏幕上指針（觸摸、鼠標(biāo)、觸控筆）的位置和移動。
Flutter中可以使用Listener(功能性組件)來監(jiān)聽原始觸摸事件
例1
例2
例3
忽略PointerEvent
手勢: 描述由一個或多個指針移動組成的語義動作，如拖動、縮放、雙擊等。
Material大多數(shù)widget已經(jīng)對tap或手勢做出了響應(yīng)。 例如 IconButton和 FlatButton 響應(yīng)單擊，ListView響應(yīng)滑動事件觸發(fā)滾動。
用于手勢識別的功能性組件，通過它可以來識別各種手勢。
例（單擊）
例（添加Material觸摸水波效果 InkWell組件）
例（滑動關(guān)閉 Dismissable組件）
例（單擊、雙擊、長按）
例（滑動）
例（掃動---單一方向）
例（縮放）
GestureRecognizer是一個抽象類。
一種手勢的識別器對應(yīng)一個GestureRecognizer的子類。
例
由于手勢競爭最終只有一個勝出者，所以，當(dāng)有多個手勢識別器時，可能會產(chǎn)生沖突。
例
例
在APP中經(jīng)常會需要一個廣播機制，用以跨頁面通知。比如一個需要登錄的APP中，頁面會關(guān)注用戶登錄或注銷事件，來進(jìn)行一些狀態(tài)更新。
這時候，一個事件總線便會非常有用，事件總線通常實現(xiàn)了訂閱者模式，訂閱者模式包含發(fā)布者和訂閱者兩種角色，可以通過事件總線來觸發(fā)事件和監(jiān)聽事件。
對于一些簡單的應(yīng)用，事件總線是足以滿足業(yè)務(wù)需求的，如果決定使用狀態(tài)管理包的話，一定要想清楚APP是否真的有必要使用它，防止“化簡為繁”、過度設(shè)計。
例
在widget樹中，每一個節(jié)點都可以分發(fā)通知，通知會沿著當(dāng)前節(jié)點向上傳遞，所有父節(jié)點都可以通過NotificationListener來監(jiān)聽通知。
Flutter中將這種由子向父的傳遞通知的機制稱為通知冒泡（Notification Bubbling）。
通知冒泡和用戶觸摸事件冒泡是相似的，但有一點不同：通知冒泡可以中止，但用戶觸摸事件不行。
通知冒泡和Web開發(fā)中瀏覽器事件冒泡原理是相似的，都是事件從出發(fā)源逐層向上傳遞，可以在上層節(jié)點任意位置來監(jiān)聽通知/事件，也可以終止冒泡過程，終止冒泡后，通知將不會再向上傳遞。
Flutter的UI框架實現(xiàn)中，除了在可滾動組件在滾動過程中會發(fā)出ScrollNotification之外，還有一些其它的通知，如SizeChangedLayoutNotification、KeepAliveNotification 、LayoutChangedNotification等，F(xiàn)lutter正是通過這種通知機制來使父元素可以在一些特定時機來做一些事情。
例
例
例
阻止冒泡
通知冒泡原理
Flutter中Widget，State和BuildContext的概念是每個Flutter開發(fā)人員需要完全理解的最重要概念之一。這里先講解一下Widget以及Widget。三者之間的關(guān)系會在最后一篇總結(jié)一下。
Widget類在Flutter中是非常重要的，繼承自Widget類的有PreferredSizeWidget、ProxyWidget、RenderObjectWidget、StatefulWidget、StatelessWidget。我們?nèi)粘Ｊ褂玫慕^大部分widget都是繼承自Widget類，查看Widget類源碼，內(nèi)部實現(xiàn)非常簡單，構(gòu)造函數(shù)如下：
在flutter中構(gòu)建APP是由widget樹構(gòu)建起來的，所以這個key的作用是用來控制在widget樹中替換widget的時候使用的。其中Key類是Widget、Element以及SemanticsNode的唯一標(biāo)識符，繼承自Key的還有LocalKey以及GlobalKey。詳細(xì)可以去framework.dart文件查看相關(guān)源碼及說明。
在Flutter中，我們平時自定義的widget，一般都是繼承自StatefulWidget或StatelessWidget（并不是只有這兩種），這兩種widget也是目前最常用的兩種。如果一個控件自身狀態(tài)不會去改變，創(chuàng)建了就直接顯示，不會有色值、大小或者其他屬性的變化，這種widget一般都是繼承自StatelessWidget，常見的有Container、ScrollView等。如果一個控件需要動態(tài)的去改變或者相應(yīng)一些狀態(tài)，例如點擊態(tài)、色值、內(nèi)容區(qū)域等，那么一般都是繼承自StatefulWidget，常見的有CheckBox、AppBar、TabBar等。兩者的差別在于是否有狀態(tài)。
對于StatelessWidget，build方法會在如下三種情況下調(diào)用：
我們在創(chuàng)建State的時候可以看到和StatefulWidget相似的build方法，也就是說我們也可以獲得一個BuildContext，在使用StatefulWidget.createState創(chuàng)建它們之前以及在調(diào)用initState之前，框架將State對象與BuildContext關(guān)聯(lián)起來，該關(guān)聯(lián)是永久的：State對象永遠(yuǎn)不會改變它的BuildContext（但是BuildContext本身可以在控件樹中移動）。后面講解一下這個BuildContext對象在整個程序中什么角色
State的作用有兩點：
State的生命周期有四種狀態(tài)：
完整生命周期如下：
當(dāng)控件的配置被更改時會調(diào)用State.didUpdateWidget方法，此時框架會重新繪制控件。你也可以使用State.setState方法在狀態(tài)發(fā)生變化時通知框架，告訴框架該對象的內(nèi)部狀態(tài)已經(jīng)改變，框架接到通知后也會重新繪制控件。
State中比較重要的一個方法是setState，當(dāng)修改狀態(tài)時，widget會被更新。比方說點擊CheckBox，會出現(xiàn)選中和非選中狀態(tài)之間的切換，就是通過修改狀態(tài)來達(dá)到的。查看setState源碼，在一些異常的情況下將會拋出異常：
markNeedsBuild內(nèi)部，則是通過標(biāo)記element為diry，在下一幀的時候重建（rebuild）?？梢钥闯鰏etState并不是立即生效，它只是將widget進(jìn)行了標(biāo)記，真正的rebuild操作，則是等到下一幀的時候才會去進(jìn)行。
StatefulWidget的兩個主要類別：
在我的小部件的生命周期中，我是否需要考慮一個將要更改的變量，何時更改，將強制重建小部件？
如果問題的答案是肯定的，那么您需要一個有狀態(tài)的小部件，否則，您需要一個無狀態(tài)小部件。
比如：
重慶分公司
重慶分公司
