深入理解Flutter Platform Channel

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作者:闲鱼技术-皓黯

​ 相信读者们在阅读了我们之前的文章后,对Platform Channel有了一定的理解和认识。但是由于篇幅有限,上文并未对Platform Channel的工作原理进行详细的讲解。Platform Channel如何工作,消息如何从Flutter端传递到Platform端,消息如何编解码,Platform Channel工作在什么线程上,是否线程安全,Platform Channel能否传递大内存数据块?本文试图结合官方例子,对上述问题进行详细的讲解。

1. 理解Platform Channel工作原理

Flutter定义了三种不同类型的Channel,它们分别是

  • BasicMessageChannel:用于传递字符串和半结构化的信息。
  • MethodChannel:用于传递方法调用(method invocation)。
  • EventChannel: 用于数据流(event streams)的通信。

三种Channel之间互相独立,各有用途,但它们在设计上却非常相近。每种Channel均有三个重要成员变量:

  • name: String类型,代表Channel的名字,也是其唯一标识符。
  • messager:BinaryMessenger类型,代表消息信使,是消息的发送与接收的工具。
  • codec: MessageCodec类型或MethodCodec类型,代表消息的编解码器。

1.1. Channel name

​ 一个Flutter应用中可能存在多个Channel,每个Channel在创建时必须指定一个独一无二的name,Channel之间使用name来区分彼此。当有消息从Flutter端发送到Platform端时,会根据其传递过来的channel name找到该Channel对应的Handler(消息处理器)。

1.2. 消息信使:BinaryMessenger

binaryMessager

​ 虽然三种Channel各有用途,但是他们与Flutter通信的工具却是相同的,均为BinaryMessager。

​ BinaryMessenger是Platform端与Flutter端通信的工具,其通信使用的消息格式为二进制格式数据。当我们初始化一个Channel,并向该Channel注册处理消息的Handler时,实际上会生成一个与之对应的BinaryMessageHandler,并以channel name为key,注册到BinaryMessenger中。当Flutter端发送消息到BinaryMessenger时,BinaryMessenger会根据其入参channel找到对应的BinaryMessageHandler,并交由其处理。

​ Binarymessenger在Android端是一个接口,其具体实现为FlutterNativeView。而其在iOS端是一个协议,名称为FlutterBinaryMessenger,FlutterViewController遵循了它。

​ Binarymessenger并不知道Channel的存在,它只和BinaryMessageHandler打交道。而Channel和BinaryMessageHandler则是一一对应的。由于Channel从BinaryMessageHandler接收到的消息是二进制格式数据,无法直接使用,故Channel会将该二进制消息通过Codec(消息编解码器)解码为能识别的消息并传递给Handler进行处理。

​ 当Handler处理完消息之后,会通过回调函数返回result,并将result通过编解码器编码为二进制格式数据,通过BinaryMessenger发送回Flutter端。

1.3. 消息编解码器:Codec

binaryMessager

​ 消息编解码器Codec主要用于将二进制格式的数据转化为Handler能够识别的数据,Flutter定义了两种Codec:MessageCodec和MethodCodec。

1.3.1. MessageCodec

​ MessageCodec用于二进制格式数据与基础数据之间的编解码。BasicMessageChannel所使用的编解码器就是MessageCodec。

​ Android中,MessageCodec是一个接口,定义了两个方法:encodeMessage接收一个特定的数据类型T,并将其编码为二进制数据ByteBuffer,而decodeMessage则接收二进制数据ByteBuffer,将其解码为特定数据类型T。iOS中,其名称为FlutterMessageCodec,是一个协议,定义了两个方法:encode接收一个类型为id的消息,将其编码为NSData类型,而decode接收NSData类型消息,将其解码为id类型数据。

​ MessageCodec有多种不同的实现:

  • BinaryCodec

    BinaryCodec是最为简单的一种Codec,因为其返回值类型和入参的类型相同,均为二进制格式(Android中为ByteBuffer,iOS中为NSData)。实际上,BinaryCodec在编解码过程中什么都没做,只是原封不动将二进制数据消息返回而已。或许你会因此觉得BinaryCodec没有意义,但是在某些情况下它非常有用,比如使用BinaryCodec可以使传递内存数据块时在编解码阶段免于内存拷贝。

  • StringCodec

    StringCodec用于字符串与二进制数据之间的编解码,其编码格式为UTF-8。

  • JSONMessageCodec

    JSONMessageCodec用于基础数据与二进制数据之间的编解码,其支持基础数据类型以及列表、字典。其在iOS端使用了NSJSONSerialization作为序列化的工具,而在Android端则使用了其自定义的JSONUtil与StringCodec作为序列化工具。

  • StandardMessageCodec

    StandardMessageCodec是BasicMessageChannel的默认编解码器,其支持基础数据类型、二进制数据、列表、字典,其工作原理会在下文中详细介绍。

1.3.2. MethodCodec

​ MethodCodec用于二进制数据与方法调用(MethodCall)和返回结果之间的编解码。MethodChannel和EventChannel所使用的编解码器均为MethodCodec。

​ 与MessageCodec不同的是,MethodCodec用于MethodCall对象的编解码,一个MethodCall对象代表一次从Flutter端发起的方法调用。MethodCall有2个成员变量:String类型的method代表需要调用的方法名称,通用类型(Android中为Object,iOS中为id)的arguments代表需要调用的方法入参。

​ 由于处理的是方法调用,故相比于MessageCodec,MethodCodec多了对调用结果的处理。当方法调用成功时,使用encodeSuccessEnvelope将result编码为二进制数据,而当方法调用失败时,则使用encodeErrorEnvelope将error的code、message、detail编码为二进制数据。

​ MethodCodec有两种实现:

  • JSONMethodCodec

    JSONMethodCodec的编解码依赖于JSONMessageCodec,当其在编码MethodCall时,会先将MethodCall转化为字典{"method":method,"args":args}。其在编码调用结果时,会将其转化为一个数组,调用成功为[result],调用失败为[code,message,detail]。再使用JSONMessageCodec将字典或数组转化为二进制数据。

  • StandardMethodCodec

    MethodCodec的默认实现,StandardMethodCodec的编解码依赖于StandardMessageCodec,当其编码MethodCall时,会将method和args依次使用StandardMessageCodec编码,写入二进制数据容器。其在编码方法的调用结果时,若调用成功,会先向二进制数据容器写入数值0(代表调用成功),再写入StandardMessageCodec编码后的result。而调用失败,则先向容器写入数据1(代表调用失败),再依次写入StandardMessageCodec编码后的code,message和detail。

1.4. 消息处理器:Handler

​ 当我们接收二进制格式消息并使用Codec将其解码为Handler能处理的消息后,就该Handler上场了。Flutter定义了三种类型的Handler,与Channel类型一一对应。我们向Channel注册一个Handler时,实际上就是向BinaryMessager注册一个与之对应的BinaryMessageHandler。当消息派分到BinaryMessageHandler后,Channel会通过Codec将消息解码,并传递给Handler处理。

1.4.1. MessageHandler

​ MessageHandler用户处理字符串或者半结构化的消息,其onMessage方法接收一个T类型的消息,并异步返回一个相同类型result。MessageHandler的功能比较基础,使用场景较少,但是其配合BinaryCodec使用时,能够方便传递二进制数据消息。

1.4.2. MethodHandler

​ MethodHandler用于处理方法的调用,其onMessage方法接收一个MethodCall类型消息,并根据MethodCall的成员变量method去调用对应的API,当处理完成后,根据方法调用成功或失败,返回对应的结果。

1.4.3. StreamHandler

binaryMessager

​ StreamHandler与前两者稍显不同,用于事件流的通信,最为常见的用途就是Platform端向Flutter端发送事件消息。当我们实现一个StreamHandler时,需要实现其onListenonCancel方法。而在onListen方法的入参中,有一个EventSink(其在Android是一个对象,iOS端则是一个block)。我们持有EventSink后,即可通过EventSink向Flutter端发送事件消息。

​ 实际上,StreamHandler工作原理并不复杂。当我们注册了一个StreamHandler后,实际上会注册一个对应的BinaryMessageHandler到BinaryMessager。而当Flutter端开始监听事件时,会发送一个二进制消息到Platform端。Platform端用MethodCodec将该消息解码为MethodCall,如果MethodCall的method的值为"listen",则调用StreamHandler的onListen方法,传递给StreamHandler一个EventSink。而通过EventSink向Flutter端发送消息时,实际上就是通过BinaryMessager的send方法将消息传递过去。

2. 理解消息编解码过程

​ 在官方文档《Writing custom platform-specific code with platform channels》中的获取设备电量的例子中我们发现,Android端的返回值是java.lang.Integer类型的,而iOS端返回值则是一个NSNumber类型的(通过NSNumber numberWithInt:获取)。而到了Flutter端时,这个返回值自动"变成"了dart语言的int类型。那么这中间发生了什么呢?

​ Flutter官方文档表示,standard platform channels使用standard messsage codecmessageresponse进行序列化和反序列化,messageresponse可以是booleans, numbers, Strings, byte buffers,List, Maps等等,而序列化后得到的则是二进制格式的数据。

​ 所以在上文提到的例子中,java.lang.IntegerNSNumber类型的返回值先是被序列化成了一段二进制格式的数据,然后该数据传递到传递到flutter侧后,被反序列化成了dart语言中的int类型的数据。

​ Flutter默认的消息编解码器是StandardMessageCodec,其支持的数据类型如下:

binaryMessager

​ 当message或response需要被编码为二进制数据时,会调用StandardMessageCodec的writeValue方法,该方法接收一个名为value的参数,并根据其类型,向二进制数据容器(NSMutableData或ByteArrayOutputStream)写入该类型对应的type值,再将该数据转化为二进制表示,并写入二进制数据容器。

​ 而message或者response需要被解码时,使用的是StandardMessageCodec的readValue方法,该方法接收到二进制格式数据后,会先读取一个byte表示其type,再根据其type将二进制数据转化为对应的数据类型。

​ 在获取设备电量的例子中,假设设备的电量为100,当这个值被转化为二进制数据时,会先向二进制数据容器写入int类型对应的type值:3,再写入由电量值100转化而得的4个byte。而当Flutter端接收到该二进制数据时,先读取第一个byte值,并根据其值得出该数据为int类型,接着,读取紧跟其后的4个byte,并将其转化为dart类型的int。

binaryMessager

​ 对于字符串、列表、字典的编码会稍微复杂一些。字符串使用UTF-8编码得到的二进制数据是长度不定的,因此会在写入type后,先写入一个代表二进制数据长度的size,再写入数据。列表和字典则是写入type后,先写入一个代表列表或字典中元素个数的size,再递归调用writeValue方法将其元素依次写入。

3. 理解消息传递过程

​ 消息是如何从Flutter端传递到Platform端的呢?接下来我们以一次MethodChannel的调用为例,去理解消息的传递过程。

3.1. 消息传递:从Flutter到Platform

3.1.1. Dart层

​ 当我们在Flutter端使用MethodChannel的invokeMethod方法发起一次方法调用时,就开始了我们的消息传递之旅。invokeMethod方法会将其入参messagearguments封装成一个MethodCall对象,并使用MethodCodec将其编码为二进制格式数据,再通过BinaryMessages将消息发出。(注意,此处提到的类名与方法名均为dart层的实现)

​ 上述过程最终会调用到ui.Window的_sendPlatformMessage方法,该方法是一个native方法,其实现在native层,这与Java的JNI技术非常类似。我们向native层发送了三个参数:

  • name,String类型,代表Channel名称
  • data,ByteData类型,即之前封装的二进制数据
  • callback,Function类型,用于结果回调

3.1.2. Native层

​ 到native层后,window.cc的SendPlatformMessage方法接受了来自dart层的三个参数,并对它们做了一定的处理:dart层的回调callback封装为native层的PlatformMessageResponseDart类型的response;dart层的二进制数据data转化为std::vector<uint8_t>类型数据data;根据response,data以及Channel名称name创建一个PlatformMessage对象,并通过dart_state->window()->client()->HandlePlatformMessage方法处理PlatformMessage对象。

dart_state->window()->client()是一个WindowClient,而其具体的实现为RuntimeController,RuntimeController会将消息交给其代理RuntimeDelegate处理。

​ RuntimeDelegate的实现为Engine,Engine在处理Message时,会判断该消息是否是为了获取资源(channel等于"flutter/assets"),如果是,则走获取资源逻辑,否则调用Engine::Delegate的OnEngineHandlePlatformMessage方法。

​ Engine::Delegate的具体实现为Shell,其OnEngineHandlePlatformMessage接收到消息后,会向PlatformTaskRunner添加一个Task,该Task会调用PlatformView的HandlePlatformMessage方法。值得注意的是,Task中的代码执行在Platform Task Runner中,而之前的代码均执行在UI Task Runner中。

binaryMessager

3.2. 消息处理

​ PlatformView的HandlePlatformMessage方法在不同平台有不同的实现,但是其基本原理是相同的。

3.2.1. PlatformViewAndroid

​ PlatformViewAndroid的是Platformview的子类,也是其在Android端的具体实现。当PlatformViewAndroid接收到PlatformMessage类型的消息时,如果消息中有response(类型为PlatformMessageResponseDart),则生成一个自增长的response_id,并以response_id为key,response为value存入字典pending_responses_中。接着,将channeldata均转化为Java可识别的数据,通过JNI向Java层发起调用,将response_idchanneldata传递过去。

​ Java层中,被调用的代码为FlutterNativeView (BinaryMessager的具体实现)的handlePlatformMessage,该方法会根据channel找到对应的BinaryMessageHandler并将消息传递给它处理。其具体处理过程我们已经在上文中详细分析过了,此处不再赘述。

​ BinaryMessageHandler处理完成后,FlutterNativeView会通过JNI调用native的方法,将response_dataresponse_id传递到native层。

​ native层,PlatformViewAndroid的InvokePlatformMessageResponseCallback接收到了respond_idresponse_data。其先将response_data转化为二进制结果,并根据response_id,从panding_responses_中找到对应的PlatformMessageResponseDart对象,调用其Complete方法将二进制结果返回。

binaryMessager

3.2.2. PlatformViewIOS

​ PlatformViewIOS是PlatformView的子类,也是其在iOS端的具体实现,当PlatformViewIOS接收到message时会交给PlatformMessageRouter处理。

​ PlatformMessageRouter通过PlatformMessage中的channel找到对应的FlutterBinaryMessageHandler,并将二进制消息其处理,消息处理完成后,直接调用PlatformMessage对象中的PlatformMessageResponseDart对象的Complete方法将二进制结果返回。

3.3. 结果回传:从Platform到Flutter

​ PlatformMessageResponseDart的Complete方法向UI Task Runner添加了一个新的Task,这个Task的作用是将二进制结果从native的二进制数据类型转化为Dart的二进制数据类型response,并调用dart的callback将response传递到Dart层。

​ Dart层接收到二进制数据后,使用MethodCodec将数据解码,并返回给业务层。至此,一次从Flutter发起的方法调用就完整结束了。

4. 问题解析

4.1. Platform Channel的代码运行在什么线程

​ 在文章《深入理解Flutter引擎线程模型》中提及,Flutter Engine自己不创建线程,其线程的创建于管理是由enbedder提供的,并且Flutter Engine要求Embedder提供四个Task Runner,分别是Platform Task Runner,UI Task Runner,GPU Task Runner和IO Task Runner。

​ 实际上,在Platform侧执行的代码运行在Platform Task Runner中,而在Flutter app侧的代码则运行在UI Task Runner中。在Android和iOS平台上,Platform Task Runner跑在主线程上。因此,不应该在Platform端的Handler中处理耗时操作。

4.2. Platform Channel是否线程安全

​ Platform Channel并非是线程安全的,这一点在官方的文档也有提及。Flutter Engine中多个组件是非线程安全的,故跟Flutter Engine的所有交互(接口调用)必须发生在Platform Thread。故我们在将Platform端的消息处理结果回传到Flutter端时,需要确保回调函数是在Platform Thread(也就是Android和iOS的主线程)中执行的。

4.3. 是否支持大内存数据块的传递

​ Platform Channel实际上是支持大内存数据块的传递,当需要传递大内存数据块时,需要使用BasicMessageChannel以及BinaryCodec。而整个数据传递的过程中,唯一可能出现数据拷贝的位置为native二进制数据转化为Dart语言二进制数据。若二进制数据大于阈值时(目前阈值为1000byte)则不会拷贝数据,直接转化,否则拷贝一份再转化。

4.4. 如何将Platform Channel原理应用到开发工作中

​ 实际上Platform Channel的应用场景非常多,我们这里举一个例子:

​ 在平常的业务开发中,我们需要使用到一些本地图片资源,但是Flutter端是无法使用Platform端已存在的图片资源的。当Flutter端需要使用一个Platform端已有的图片资源时,只有将该图片资源拷贝一份到Flutter的Assert目录下才能使用。实际上,让Flutter端使用Platform端的资源并不是一件难事。

​ 我们可以使用BasicMessageChannel来完成这个工作。Flutter端将图片资源名name传递给Platform端,Native端使用Platform端接收到name后,根据name定位到图片资源,并将该图片资源以二进制数据格式,通过BasicMessageChannel,传递回Flutter端。

总结

​ 在Flutter与Native混合开发的模式下,Platform Channel的应用场景非常多,理解Platform Channel的工作原理,有助于我们在从事这方面开发时能做到得心应手。

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参考

https://flutter.io/platform-channels/

https://github.com/flutter/flutter

https://github.com/flutter/engine

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