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Flutter浪潮下的音视频研发探索

文/陈炉军

整理/LiveVideoStack

大家好，我是阿里巴巴闲鱼事业部的陈炉军，本次分享的主题是Flutter浪潮下的音视频研发探索，主要内容是针对闲鱼APP在当下流行的跨平台框架Flutter的大规模实践，介绍其在音视频领域碰到的一些困难以及解决方案。

分享内容主要分为四个方面，首先会对Flutter有一个简单介绍以及选择Flutter作为跨平台框架的原因，其次会介绍Flutter中与音视频关系非常大的外接纹理概念，以及对它做出的一些优化。之后会对闲鱼在音视频实践过程中碰到的一些Flutter问题提出了一些解决方案——TPM音视频框架。最后是闲鱼Flutter多媒体开源组件的介绍。

Flutter

Flutter是一个跨平台框架，以往的做法是将音频、视频和网络这些模块都下沉到C++层或者ARM层，在其上封装成一个音视频的SDK，供UI层的PC、iOS和Android调用。

而Flutter做为一个UI层的跨平台框架，顾名思义就是在UI层也实现了一个跨平台开发。可以预想的是未Flutter发展的好的话，会逐渐变为一个从底层到UI层的一个全链路的跨平台开发，技术人员分别负责SDK和UI层的开发。

在Flutter之前已经有很多跨平台UI解决方案，那为什么选择Flutter呢？

我们主要考虑性能和跨平台的能力。

以往的跨平台方案比如Weex，ReactNative，Cordova等等因为架构的原因无法满足性能要求，尤其是在音视频这种性能要求几乎苛刻的场景。

而诸如Xamarin等，虽然性能可以和原生App一致，但是大部分逻辑还是需要分平台实现。

我们可以看一下，为什么Flutter可以实现高性能：

原生的native组件渲染以IOS为例，苹果的UIKit通过调用平台自己的绘制框架QuaztCore来实现UI的绘制，图形绘制也是调用底层的API,比如OpenGL、Metal等。

而Flutter也是和原生API逻辑一致，也是通过调用底层的绘制框架层SKIA实现UI层。这样相当于Flutter他自己实现了一套UI框架，提供了一种性能超越原生API的跨平台可能性。

但是我们说一个框架最终性能怎样，其实取决于设计者和开发者。至于现在到底是一个什么状况：

在闲鱼的实践中，我们发现在正常的开发没有特意的去优化UI代码的情况下，在一些低端机上，Flutter界面的流畅性是比Native界面要好的。

虽然现在闲鱼某些场景下会有卡顿闪退等情况，但是这是一个新事物发展过程中的必然问题，我们相信未来性能肯定不会成为限制Flutter发展的瓶颈的。

在闲鱼实践Flutter的过程中，混合栈和音视频是其中比较难解决的两个问题，混合栈是指一个APP在Flutter过程中不可能一口气将所有业务全部重写为Flutter，所以这是一个逐步迭代的过程，这期间原生native界面与Flutter界面共存的状态就称之为混合栈。闲鱼在混合栈上也有一些比较好的输出，例如FlutterBoost。

外接纹理

在讲音视频之前需要简要介绍一下外接纹理的概念，我们将它称之为是Flutter和Frame之间的桥梁。

Flutter渲染一帧屏幕数据首先要做的是，GPU发出的VC信号在Flutter的UI线程，通过AOT编译的机器码结合当前Dart Runtime，生成Layer Tree UI树，Layer Tree上每一个叶子节点都代表了当前屏幕上所需要渲染的每一个元素，包含了这些元素渲染所需要的内容。将Layer Tree抛给GPU线程，在GPU线程内调用Skia去完成整个UI的渲染过程。Layer Tree中有PictureLayer和TextureLayer两个比较重要的节点。PictureLayer主要负责屏幕图片的渲染，Flutter内部实现了一套图片解码逻辑，在IO线程将图片读取或者从网络上拉取之后，通过解码能够在IO线程上加载出纹理，交给GPU线程将图片渲染到屏幕上。但是由于音视频场景下系统API太过繁多，业务场景过于复杂。Flutter没有一套逻辑去实现跨平台的音视频组件，所以说Flutter提出了一种让第三方开发者来实现音视频组件的方式，而这些音视频组件的视频渲染出口，就是TextureLayer。

在整个Layer Tree渲染的过程中，TextureLayer的数据纹理需要由外部第三方开发者来指定，可以把视频数据和播放器数据送到TextureLayer里，由Flutter将这些数据渲染出来。

TextureLayer渲染过程：首先判断Layer是否已经初始化，如果没有就创建一个Texture，然后将Texture Attach到一个SufaceTexture上。

这个SufaceTexture是音视频的native代码可以获取到的对象，通过这个对象创建的Suface，我们可以将视频数据、摄像头数据解码放到Suface中，然后Flutter端通过监听SufaceTexture的数据更新就可以顺利把刚才创建的数据更新到它的纹理中，然后再将纹理交给SKIA渲染到屏幕上。

然而我们如果需要用Flutter实现美颜，滤镜，人脸贴图等等功能，就需要将视频数据读取出来，更新到纹理中，再将GPU纹理经过美颜滤镜处理后生成一个处理后的纹理。按Flutter提供的现有能力，必须先将纹理中的数据从GPU读出到CPU中，生成Bitmap后再写入Surface中，这样在Flutter中才能顺利的更新到视频数据，这样做对系统性能的消耗很大。

通过对Flutter渲染过程分析，我们知道Flutter底层需要渲染的数据就是GPU纹理，而我们经过美颜滤镜处理完成以后的结果也是GPU纹理，如果可以将它直接交给Flutter渲染，那就可以避免GPU-CPU-GPU这样的无用循环。这样的方法是可行的，但是需要一个条件，就是OpenGL上下文共享。

OpenGL

在说上下文之前，得提到一个和上线文息息相关的概念：线程。

Flutter引擎启动后会启动四个线程：

第一个线程是UI线程，这是Flutter自己定义的UI线程，主要负责GPU发出的VSync信号时候用当前Dart编译的机器码和当前运行环境创建出Layer Tree。

还有就是IO线程和GPU线程。和大部分OpenGL处理解决方案中一样，Flutter也采取一个线程责资源加载，一部分负责资源渲染这种思路。

两个线程之间纹理共享有两种方式。一种是EGLImage(IOS是 CVOpenGLESTextureCache)。一种是OpenGL Share Context。Flutter通过Share Context来实现纹理共享，将IO线程的Context和GPU线程的Context进行Share，放到同一个Share Group下面，这样两个线程下资源是互相可见可以共享的。

Platform线程是主线程，Flutter中有一个很奇怪的设定，GPU线程和主线程共用一个Context。并且在主线程也有很多OpenGL 操作。

这样的设计会给音视频开发带来很多问题，后面会详细说。

音视频端美颜处理完成的OpenGL纹理能够让Flutter直接使用的条件就是Flutter的上下文需要和平台音视频相关的OpenGL上下文处在一个Share Group下面。

由于Flutter主线程的Context就是GPU的Context，所以在音视频端主线程中有一些OpenGL操作的话，很有可能使Flutter整个OpenGL被破坏掉。所以需要将所有的OpenGL操作都限制在子线程中。

通过上述这两个条件的处理，我们就可以在没有增加GPU消耗的前提下实现美颜和滤镜等等功能。

TPM

在经过demo验证之后，我们将这个方案应用到闲鱼音视频组件中，但改造过程中发现了一些问题。

上图是摄像头采集数据转换为纹理的一段代码，其中有两个操作：首先是切进程，将后面的OpenGL操作都切到cameraQueue中。然后是设置一次上下文。然后这种限制条件或者说是潜规则往往在开发过程中容易被忽略的。而这个条件一旦忽略后果就是出现一些莫名其妙的诡异问题极难排查。因此我们就希望能抽象出一套框架，由框架本身实现线程的切换、上下文和模块生命周期等的管理，开发者接入框架以后只需要安心实现自己的算法，而不需要关心这些潜规则还有其他一些重复的逻辑操作。

在引入Flutter之前闲鱼的音视频架构与大部分音视频逻辑一样采用分层架构：

1：底层是一些独立模块

2：SDK层是对底层模块的封装

3：最上层是UI层。

引入Flutter之后，通过分析各个模块的使用场景，我们可以得出一个假设或者说是抽象：音视频应用在终端上可以归纳为视频帧解码之后视频数据帧在各个模块之间流动的过程，基于这种假设去做Flutter音视频框架的抽象。

咸鱼Flutter多媒体开源组件

整个Flutter音视频框架抽象分为管线和数据的抽象、模块的抽象、线程统一管理和上下文同一管理四部分。

管线，其实就是视频帧流动的管道。数据，音视频中涉及到的数据包括纹理、Bit Map以及时间戳等。结合现有的应用场景我们定义了管线流通数据以Texture为主数据，同时可以选择性的添加Bit Map等作为辅助数据。这样的数据定义方式，避免重复的创建和销毁纹理带来的性能开销以及多线程访问纹理带来的一些问题。也满足一些特殊模块对特殊数据的需求。同时也设计了纹理池来管理管线中的纹理数据。

模块：如果把管线和数据比喻成血管和血液，那框架音视频的场景就可以比喻成器官，我们根据模块所在管线的位置抽象出采集、处理和输出三个基类。这三个基类里实现了刚才说的线程切换，上下文切换，格式转换等等共同逻辑，各个功能模块通过集成自这些基类，可以避免很多重复劳动。

线程：每一个模块初始化的时候，初始化函数就会去线程管理的模块去获取自己的线程，线程管理模块可以决定给初始化函数分配新的线程或者已经分配过其他模块的线程。

这样有三个好处：

一是可以根据需要去决定一个线程可以挂载多少模块，做到线程间的负载均衡。第二，多线程并发式能够保证模块内的OpenGL操作是在当前线程内而不会跑到主线程去，彻底避免Flutter的OpenGL 环境被破坏。第三，多线程并行可以充分利用CPU多核架构，提升处理速度。

从Flutter端修改Flutter引擎将Context取出后，根据Context创建上下文的统一管理模块，每一个模块在初始化的时候会获取它的线程，获取之后会调用上下文管理模块获取自己的上下文。这样可以保证每一个模块的上下文都是与Flutter的上下文进行Share的，每个模块之间资源都是共享可见的，Flutter和音视频native之间也是互相共享可见的。

基于上述框架如果要实现一个简单的场景，比如画面实时预览和滤镜处理功能，

1：需要选择功能模块，功能模块包括摄像头模块、滤镜处理模块和Flutter画面渲染模块，

2：需要配置模块参数，比如采集分辨率、滤镜参数和前后摄像头设置等，

3：在创建视频管线后使用已配置的参数创建模块

4：最后管线搭载模块，开启管线就可以实现这样简单的功能。

上图为整个功能实现的代码和结构图。

结合上述音视频框架，闲鱼实现了Flutter多媒体开源组件。

组要包含四个基本组件分别是：

1：视频图像拍摄组件

2：播放器组件

3：视频图像编辑组件

4：相册选择组件

现在这些组件正在走内部开源流程。预计9月份，相册和播放器会实现开源。

后续展望和规划

1：实现开头所说的从底层SDK到UI的全链路的跨端开发。目前底层框架层和模块层都是各个平台各自实现，反而是Flutter的UI端进行了跨平台的统一，所以后续会将底层也按照音视频常用做法把逻辑下沉到C++层，尽可能的实现全链路跨平台。

2：第二部分内容为开源共建，闲鱼开源的内容不仅包括拍摄、编辑组件，还包括了很多底层模块，希望有开发者在基于Flutter开发音视频应用时可以充分利用闲鱼开源出的音视频模块能力，搭建APP框架，开发者只要去负责实现特殊需求模块就可以，尽可能的减少重复劳动。

相关问答

Q1: 为什么除了Flutter之外，我们还需要另一个跨平台开发框架？

不久前，谷歌正式推出 Jetpack Compose 1.0 版本。近日，JetBrains 在此基础上发布了 Compose Multiplatform Alpha 版本，旨在将 Compose 扩展到桌面和 Web 端。

Compose Multiplatform 由 Compose for Desktop 和 Compose for Web 组成，通过 Kotlin Multiplatform 支持许多不同的平台。其中，Compose Desktop 采用 Google 的 Skia 图形库，来实现在 Windows、macOS 和 Linux 上的 UI 绘制，借此在所有支持的操作系统中提供统一的体验，类似于 Flutter 的做法。

根据 Kotlin 团队的说法，相比起 Electron 框架，Compose Multiplatform 在内存消耗、安装大小和 UI 渲染性能等方面将有更明显的优势。随着 Alpha 版本的发布，Compose Multiplatform 还收获了新的 Android Studio 插件，包括对在 IDE 中显示组件预览的支持以及许多附加功能。

我们希望通过本文帮助大家进一步了解 Compose 的跨平台能力，以及 JetBrains 将 Compose 从 Android 扩展到这些其他平台背后的主要驱动力是什么。

基于 Jetpack Compose 1.0

由谷歌打造的 Jetpack Compose 是一款用于在 Android 应用程序之内构建用户界面的官方框架，上周刚刚发布 1.0 版本。与此同时，Android Studio 代号“极狐”的首个稳定版 2020.3.1 也正式亮相。

尽管才刚迎来 1.0，但谷歌表示“目前 Play Store 中已经有超过 2000 款应用程序在使用 Compose——更重要的是，就连 Play Store 这款应用本身也在使用 Compose。”谷歌方面还表示，“我们一直在与一些顶级应用的开发人员进行合作，他们的反馈和支持帮助我们使 1.0 版本更加强大。”

Jetpack Compose for Android 迎来 1.0 版本

Compose 基于 Kotlin 开发，而 Kotlin 与 Android Studio（即官方指定的 Android IDE）均来自开发工具厂商 JetBrains。虽然 Jetpack Compose 专为 Android 打造（与谷歌的 Flutter 框架不同）， 但 JetBrains 公司坚信 Compose 完全能够获得跨平台能力 。

Compose for Desktop: 这只是开始

Compose Multiplatform 可以说是该框架面向 MacOS、Linux、Windows 以及 Web 开设的一个端口，目前刚刚发布 1.0 Alpha 版本。虽然尚处于早期开发阶段，但 JetBrains 表示，其已经“为开发人员带来能够基本安全使用的稳定 API”。

TheRegister 就此事询问了 JetBrains 公司 Compose 项目负责人 Nikolay Igotti，希望了解为什么该公司在拥有了已经广泛应用于 IntelliJ IDEA IDE 及多种丰富变体的桌面应用程序跨平台 Java 框架之外，还要费力开发 Compose for Desktop。Igotti 的回答是，“旧有 Java 框架基本上就是修改版的 Swing。Swing 属于默认 JDK UI 框架，Swing 和 AWT（Abstract Windows Toolkit，抽象窗口工具包）。Compose 则完全是另一码事，当然我们也在设计中考虑到了互操作性需求……Swing 这套框架太陈旧了，最早出现在上世纪九十年代末。多年来人们对于 UI 的设计思路已经天翻地覆，Swing 显然满足不了要求了。”

JetBrains IDE 中的 Compose for Desktop 项目

Compose 与 Swing 有一个比较大的共同点：与其他使用本机控件的跨平台框架，比如例如 Java 的 SWT（Standard Widget Toolkit）以及微软的 Xamarin 有所不同，它们选择自主绘制控件。Compose 使用的 Skia 开源图形库，也在谷歌 Chrome、Flutter 及其他众多框架当中得到广泛应用。那这是否意味着 Compose 应用程序将没有自己的原生外观？对此，Igotti 的回应是，“这取决于开发人员的选择，取决于他们如何为应用程序设置主题。在这方面，Compose 的情况与 Flutter 等其他框架没什么区别。”

那 Compose for Desktop 应用程序是否依赖于 JVM（Java Virtual Machine）运行？Igotti 表示，“我们也知道，JVM 应用程序的发布情况可能比较棘手。因此我们提供自己的 Gradle 插件，其使用 jpackage 与 Jlink 以 JVM 应用程序为基础制作原生应用程序。Mac 的.dmg、Windows 的 MSI、Linux 的 deb 包等均可实现，大家用不着担心 JVM。”

也就是说，开发成果将会是一款被精心包裹起来的 JVM 应用程序。JetBrains 还有一款用于解决这个问题的 Kotlin/Native 编译器，“预计将在未来发布，或者专门用于桌面开发。”

对应用程序的另一种思考方式

那 Web 应用程序方面呢？Igotti 回应称，“我们使用 Kotlin/JS 编译器。”Compose 的 Web 版本不如桌面版先进，说明文档中也警告称“API 尚未最终确定，预计会发生重大变化。”此外，虽然 Web 版本确实使用 Compose 模型，但 API 却完全不同，而且会使用 HTML 与 CSS。所以，Web 版与 Compose for Desktop 之间能够共享的代码应该比较少。

据 Igotti 介绍，“Compose 代表着一种不同的应用程序思考方式。状态即 UI 的真实来源，而 UI 本身是无状态的，其表达永远由状态计算得出。在这方面，Compose for Web 采用一组相同的原语，完全相同的状态管理思路。但是对于具体的小部件集合与排列方式，Web 版与桌面版之间确实无法互通。”

说到这里，为什么要把 Compose for Android 扩展到多种其他平台之上？“Compose 的目标受众主要分为三类。首先是使用 Kotlin 与 Compose 的 Android 开发人员，他们希望把自己的开发成果交付至其他平台；其二是纯 Kotlin 开发人员，他们希望以‘一次编写、随处运行’的方式开发新的应用程序；第三则是那些不太熟悉 Kotlin 或者 Compose，但又希望开发出精美 UI 的用户，我们希望能为他们提供实现目标的工具。”

Igotti 并没有给出具体的发布日期，但表示自己希望 Beta 版能在今年秋天发布，“我们也希望能在今年之内推出 1.0 版本。”项目本身是完全开源的，“二十一世纪了，框架在大多数人们心目中就不应该收费。我们只是想开发一款长期缺失的软件”，补足 JetBrains 当前商业模式中的工具链。

那么，JetBrains 会在自己的其他工具中使用 Compose 吗？事实上，他们的 JetBrains Toolbox（用于管理已安装的 IDE）已经在使用 Compose，但 Igotti 表示短时间内 Compose 还无法取代 IntelliJ IDEA 等现有框架。“编辑器是其中最复杂也最重要的组件，经历了 20 年的发展演进，我们几乎不可能在中途进行重写了。无论是 JetBrains 还是我个人，都不打算强迫每个人都转而使用 Compose。我们的目标是为原有框架选项满足不了的用户提供新的解决方案。”

写在最后

那么，为什么除了 Flutter 之外，我们还需要另一个跨平台框架？虽然谷歌的 Flutter 最开始主要面向移动设备，但现在也开始向桌面及 iOS 进军，甚至比 Compose 还抢先了一步。不过，根据 StackOverflow 的最新调查， Flutter 使用的语言为 Dart；尽管 Dart 语言的人气正在增长（正是受到 Flutter 的推动），但仍然无法与 Kotlin 相提并论。

Compose 代表着一种独特的 UI 构建方法，也许最期待 Compose 跨平台功能的受众，正是那些曾在 Android 上使用过它、又特别喜欢这种 UI 构建体验的开发者。

想要进一步了解 Compose，国内 Android 开发者可访问以下链接查看中文手册：

延伸阅读：

Q2: 新贵 Flutter （6）中 Material Design

大家都知道 google 推出 Material Design 让没有多少设计经验的开发者也可以设计出精美界面。而且对 material design google 也投入了很多，轻松找到许多 iso 或 android 端的组件。当然 Flutter 官方也提供许多支持 Material Design 的组件。

这些组件我们轻松地在 Flutter 官网提供 Material Component Widgets 找到。

创建课件数据类，用于持有数据，Tut 包含课件名称、说明和课时以及图片。

这里模拟数据集合，这一切都是为了演示做基础，为一些假数据。这里简单用 express 启动一个服务提供图片，供 flutter 对图片进行预览。

创建 ListView 的视图列表，调用其静态方法 builder 来构建 ListView，在 builder 方法传入 itemCount 也就是条目数，和 itemExtent 是列表条目的高度，itemBuilder 接受一个函数作为参数，函数会得到 context 和 index（位置信息）的参数来构建列表内容，返回 Widget 就是列表条目的内容。