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)，技術人員分別負責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編譯的機器碼結合當前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主要負責屏幕圖片的渲染，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)務場景過于復雜。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，主要負責GPU發(fā)出的VSync信號時候用當前Dart編譯的機器碼和當前運行環(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也采取一個線程責資源加載，一部分負責資源渲染這種思路。
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。
這樣的設計會給音視頻開發(fā)帶來很多問題，后面會詳細說。
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)轉換為紋理的一段代碼，其中有兩個操作：首先是切進程，將后面的OpenGL操作都切到cameraQueue中。然后是設置一次上下文。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，而不需要關心這些潛規(guī)則還有其他一些重復的邏輯操作。
在引入Flutter之前閑魚的音視頻架構與大部分音視頻邏輯一樣采用分層架構：
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或者說是抽象：音視頻應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。結合現(xiàn)有的應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，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)的代碼和結構圖。
結合上述音視頻框架，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)者只要去負責實現(xiàn)特殊需求模塊就可以，盡可能的減少重復勞動。
如果我們目前的項目是Android的，但是接下來我們希望部分頁面可以使用Flutter進行開發(fā)，甚至我們希望在Native頁面中嵌入FlutterUI組件，那么我們該如何實現(xiàn)呢？
假設你現(xiàn)在Android項目的目錄的結構是這樣的
這時候如果你想創(chuàng)建一個Flutter模塊，使得Android模塊和Flutter模塊之間可以進行交互，我們可以通過Android Studio新建一個Flutter Module，具體過程是：File — New — New Module ，之后選擇Flutter Module，指定Project Location的路徑為
也就是說，最終你的項目結構會是這樣的
接下來在Android Module的 build.gradle 文件中添加flutter依賴
先創(chuàng)建一個Flutter頁面
這里比較重要的是 window.defaultRouteName 這個字段，這個字段可以接收從Native傳遞過來的參數(shù) （下文我們會介紹原生傳遞參數(shù)的方法），也就是說通過這個字段我們就可以進行Flutter頁面的路由的分發(fā)
我們可以直接在Android的 MainActivity 中啟動一個 FlutterActivity ，這里的 initialRoute 方法中傳遞的參數(shù)就對應Flutter層的 window.defaultRouteName
注意：需要在 AndroidManifest.xml 注冊 FlutterActivity
自己創(chuàng)建一個 FlutterAppActivity 繼承自 FlutterActivity
在 MainActivity 中啟動 FlutterAppActivity （另外別忘了在 AndroidManifest.xml 中注冊 FlutterAppActivity ）
兩種啟動方式的區(qū)別
如果單純只是想打開一個Flutter頁面，兩種方式實際上基本沒有太大區(qū)別，第一種方式也許還會更簡單一點。但是，在Flutter開發(fā)中，我們往往還需要開發(fā)一些Native插件供Flutter調(diào)用，如果使用復寫 FlutterActivity 的方式更有利于我們在 FlutterActivity 中注冊我們的Native插件，所以實際開發(fā)中一般推薦使用第二種方式
擴展思考
initialRoute 從名稱上看起來是Flutter提供給我們進行Native與Flutter交互的路由跳轉的，但是實際上他就是一個字符串，我們不僅僅可以傳遞一個路由名稱，有時候我們也可以通過這個參數(shù)傳遞一串JSON數(shù)據(jù)，然后在Flutter端進行解析，這樣我們就可以通過這個參數(shù)做更多的事情
activity_main.xml
FrameLayout 用于承載Flutter組件
MainActivity.java
使用 FragmentManager 將 FlutterFragment 添加到 FrameLayout 容器中
運行結果
上半部分是原生的TextView，下半部分是Flutter的Text組件
本節(jié)主要介紹了Native和Flutter之間的頁面跳轉，以及同一個頁面中Native與Flutter組件的組合。接下來會介紹如何編寫Android插件與Flutter進行數(shù)據(jù)交互
最近在集成flutter進項目
以收集編譯產(chǎn)物并以cocopods方式集成
產(chǎn)物大概放入兩個pod庫
這個暫且叫pod1，pod1放flutter.framework，第三方plugin.a，自己寫的基礎plugin，比如networking，hud等等（由于是混編，不可避免存在很多原生基礎組件，所以能公用的基礎組件都會弄一個flutter-plugin橋接）
第二個pod2放編譯之后的app.framwork,注冊文件GeneratedPluginRegistrant，以及各個業(yè)務模塊.a（有可能沒有）結構大概如下面
podspec大概如下
主工程引入這兩個pod庫即可
接下來從零開始搭建上文所說的
先創(chuàng)建一個flutter module
這個是主flutter工程，用來集成businessModule以及生成app.framework
結構如下圖
再生成一個業(yè)務工程
注意此時還需要進入example生成ios和Android工程，不然無法單獨編譯運行
這樣 這個單獨的業(yè)務模塊就可以單獨跑起來了
此時主flutter工程和業(yè)務工程均搭建完畢
在主工程pubspec.ymal文件講兩個工程關聯(lián)
好了 接下來就是編寫腳本收集產(chǎn)物了
編譯完成之后會在flutter主工程product生成如下文件
將上面文件分類收集做成文章開頭的pod1，pod2 ，在native工程引入即可
在集成flutter的過程中 踩不少坑 也閱讀很多前輩的文章，在此一并感謝
重慶分公司
重慶分公司
