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CustomPainter 的光栅化缓存：`shouldRepaint` 与 `isComplex` 对 Layer 树的影响

CustomPainter 的光栅化缓存：shouldRepaint 与 isComplex 对 Layer 树的影响

大家好，今天我们来深入探讨 Flutter 中 CustomPainter 的光栅化缓存机制，以及 shouldRepaint 和 isComplex 这两个属性如何影响 Layer 树的构建和渲染性能。理解这些概念对于构建高性能的 Flutter 应用至关重要。

1. Flutter 渲染模型概述

在深入了解 CustomPainter 之前，我们先简单回顾一下 Flutter 的渲染模型。Flutter 使用一套基于 Layer 树的渲染流程。

  1. Widget Tree: 这是我们编写 Flutter 代码时使用的抽象表示。

  2. Element Tree: Widget Tree 的一个实例，它负责管理 Widget 的生命周期。

  3. RenderObject Tree: Element Tree 将 Widget 转化为 RenderObject。RenderObject 负责布局和绘制。每个 RenderObject 都有一个对应的 Layer 对象。

  4. Layer Tree: RenderObject 对象生成 Layer 对象，组成 Layer 树。Layer 树是一个场景的结构化描述，用于进行光栅化。

  5. Rasterization: Layer 树被传递给 Skia 引擎进行光栅化，生成最终的像素数据，显示在屏幕上。

简而言之，Flutter 将 UI 组件分解为一个个 Layer，然后将这些 Layer 组合成树状结构，最后通过 Skia 引擎将 Layer 树光栅化成像素。

2. CustomPainter 的作用

CustomPainter 是 Flutter 中一个强大的工具，允许开发者直接控制绘制过程，实现高度定制化的 UI 效果。通过继承 CustomPainter 类，并实现 paint 方法，我们可以使用 Canvas 对象进行各种绘制操作，比如绘制图形、文本、图像等。

一个简单的例子：

import 'package:flutter/material.dart';

class MyPainter extends CustomPainter {
  @override
  void paint(Canvas canvas, Size size) {
    final paint = Paint()
      ..color = Colors.blue
      ..style = PaintingStyle.fill;

    final rect = Rect.fromLTWH(0, 0, size.width, size.height);
    canvas.drawRect(rect, paint);
  }

  @override
  bool shouldRepaint(covariant CustomPainter oldDelegate) {
    return false; // 默认不重绘
  }
}

class MyWidget extends StatelessWidget {
  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return CustomPaint(
      painter: MyPainter(),
      child: Container(
        width: 200,
        height: 100,
      ),
    );
  }
}

在这个例子中，MyPainter 绘制一个蓝色的矩形。CustomPaint Widget 使用 MyPainter 进行绘制。

3. 光栅化缓存与 Layer 的关系

光栅化是一个昂贵的操作，特别是对于复杂的 UI 场景。为了提高性能，Flutter 引入了光栅化缓存机制。这意味着，如果一个 Layer 在一段时间内没有发生变化，那么它的光栅化结果会被缓存起来，下次渲染时直接使用缓存，而不需要重新光栅化。

CustomPainter 的 shouldRepaint 和 isComplex 属性直接影响着光栅化缓存的行为，并间接影响 Layer 树的结构。

4. shouldRepaint 属性

shouldRepaint 方法决定了 CustomPainter 是否需要在每次 rebuild 时重新绘制。它的签名如下：

bool shouldRepaint(covariant CustomPainter oldDelegate);
  • oldDelegate：前一个 CustomPainter 实例。

如果 shouldRepaint 返回 true，Flutter 会认为 CustomPainter 的绘制结果发生了变化，需要重新绘制，并重新光栅化。如果返回 false，Flutter 会认为绘制结果没有变化，可以直接使用缓存的光栅化结果，避免重复绘制。

shouldRepaint 的影响：

  • 性能: 正确地实现 shouldRepaint 可以显著提高性能。如果绘制内容没有变化，返回 false 可以避免不必要的绘制和光栅化。

  • Layer 树: shouldRepaint 间接影响 Layer 树的结构。如果 shouldRepaint 总是返回 false，且 isComplex 为 false，那么 CustomPaint 对应的 RenderObject 可能会被合并到父 Layer 中，减少 Layer 的数量。

示例：

假设我们有一个绘制圆形的 CustomPainter，圆形的颜色由外部传入。

class CirclePainter extends CustomPainter {
  final Color color;

  CirclePainter({required this.color});

  @override
  void paint(Canvas canvas, Size size) {
    final paint = Paint()
      ..color = color
      ..style = PaintingStyle.fill;

    final center = Offset(size.width / 2, size.height / 2);
    final radius = size.width / 2;
    canvas.drawCircle(center, radius, paint);
  }

  @override
  bool shouldRepaint(covariant CirclePainter oldDelegate) {
    return oldDelegate.color != color;
  }
}

在这个例子中，shouldRepaint 检查新的颜色是否与旧的颜色相同。只有当颜色发生变化时，才会返回 true，触发重新绘制。

错误使用 shouldRepaint 的例子：

如果 shouldRepaint 总是返回 true，即使绘制内容没有变化，也会导致不必要的绘制和光栅化，降低性能。反之，如果 shouldRepaint 总是返回 false，即使绘制内容发生了变化，也不会更新 UI，导致显示错误。

5. isComplex 属性

isComplex 是一个只读属性，用于告知 Flutter 绘制操作是否复杂。它的默认值通常是 false。

isComplex 的作用：

isComplex 主要影响 Layer 树的构建和光栅化策略。当 isComplex 为 true 时，Flutter 会更倾向于将 CustomPaint 创建一个独立的 Layer。这可以提高某些复杂场景下的性能，但也可能增加 Layer 的数量。

isComplex 的影响：

  • Layer 创建: 当 isComplex 为 true 时，Flutter 更有可能为 CustomPaint 创建一个独立的 Layer。

  • 光栅化策略: 当 isComplex 为 true 时，Flutter 可能会采用不同的光栅化策略，例如，使用更精细的光栅化算法。

何时设置 isComplex 为 true？

通常，当 CustomPainter 执行以下操作时，应该将 isComplex 设置为 true：

  • 绘制大量的复杂图形，例如，复杂的路径或大量的文本。
  • 使用了复杂的 Shader 或 BlendMode。
  • 绘制操作依赖于外部资源，例如，从网络加载的图像。

示例：

假设我们有一个绘制复杂曲线的 CustomPainter：

class ComplexCurvePainter extends CustomPainter {
  @override
  void paint(Canvas canvas, Size size) {
    final path = Path();
    path.moveTo(0, size.height / 2);
    path.quadraticBezierTo(
        size.width / 4, size.height, size.width / 2, size.height / 2);
    path.quadraticBezierTo(
        size.width * 3 / 4, 0, size.width, size.height / 2);

    final paint = Paint()
      ..color = Colors.red
      ..style = PaintingStyle.stroke
      ..strokeWidth = 5;

    canvas.drawPath(path, paint);
  }

  @override
  bool shouldRepaint(covariant CustomPainter oldDelegate) {
    return false;
  }

  @override
  bool hitTest(Offset position) {
    // 可以实现 hitTest 方法来进行点击检测
    return true;
  }

  @override
  bool get isComplex => true; // 标记为复杂绘制
}

在这个例子中，我们将 isComplex 设置为 true，因为曲线的绘制相对复杂。

hitTest 方法:

上面的代码中也展示了 hitTest方法. 在 Flutter 中，hitTest 方法用于确定 RenderObject 是否包含给定的点。这个方法在处理触摸事件和点击事件时非常重要。如果你的 CustomPainter 需要响应用户的交互，那么你需要实现 hitTest 方法。

6. shouldRepaint 和 isComplex 的组合效果

shouldRepaint 和 isComplex 的组合使用会产生不同的效果，下面是一个表格总结：

shouldRepaint isComplex 效果 Layer 树的影响
true true 每次 rebuild 都会重新绘制，并可能创建一个独立的 Layer。 每次 rebuild 都会更新 Layer 树。通常会创建一个新的 Layer。
true false 每次 rebuild 都会重新绘制，但不太可能创建一个独立的 Layer。 每次 rebuild 都会更新 Layer 树。可能会合并到父 Layer 中，也可能创建一个新的 Layer。
false true 只有在第一次绘制时才会绘制，后续 rebuild 会使用缓存的光栅化结果。Flutter 倾向于为 CustomPaint 创建一个独立的 Layer。 第一次绘制时创建 Layer，后续 rebuild 不会更新 Layer 树。Layer 会被缓存起来，除非父 Widget 发生变化导致整个子树被重新构建。
false false 只有在第一次绘制时才会绘制，后续 rebuild 会使用缓存的光栅化结果。Flutter 可能会将 CustomPaint 合并到父 Layer 中。这是最理想的情况，可以最大限度地利用光栅化缓存，减少 Layer 的数量。 第一次绘制时创建 Layer，后续 rebuild 不会更新 Layer 树。Layer 会被缓存起来，除非父 Widget 发生变化导致整个子树被重新构建。更倾向于合并到父 Layer 中，减少 Layer 数量。

最佳实践：

  • 尽量让 shouldRepaint 返回 false，除非绘制内容确实发生了变化。
  • 只有在绘制操作确实复杂时，才将 isComplex 设置为 true。
  • 使用 Flutter DevTools 的 Layer 查看器，分析 Layer 树的结构，优化 shouldRepaint 和 isComplex 的设置。

7. 优化 CustomPainter 的一些技巧

除了 shouldRepaint 和 isComplex 之外，还有一些其他的技巧可以用来优化 CustomPainter 的性能：

  • 减少绘制操作: 尽量减少 paint 方法中的绘制操作。例如，可以使用缓存的图像或预先计算好的数据。
  • 避免不必要的计算: 避免在 paint 方法中进行复杂的计算。可以将计算结果缓存起来，下次直接使用。
  • 使用 Canvas 的 API: Canvas 提供了许多优化的 API，例如，drawRect、drawCircle 等。尽量使用这些 API，而不是自己实现绘制逻辑。
  • 使用 Clip: 使用 ClipRect、ClipRRect 等 Widget 可以裁剪绘制区域，减少绘制的像素数量。
  • 使用 Shader: 对于复杂的视觉效果，可以使用 Shader 来实现。Shader 可以利用 GPU 的并行计算能力，提高性能。
  • 分层绘制: 将复杂的 UI 分成多个 Layer 进行绘制，可以提高光栅化效率。

8. 代码示例：一个优化的 CustomPainter

下面是一个综合运用上述技巧的示例：

import 'package:flutter/material.dart';
import 'dart:ui' as ui;

class OptimizedPainter extends CustomPainter {
  final double progress;
  final ui.Image? image; // 缓存的图像

  OptimizedPainter({required this.progress, this.image});

  @override
  void paint(Canvas canvas, Size size) {
    // 1. 使用 Clip 裁剪绘制区域
    canvas.clipRect(Rect.fromLTWH(0, 0, size.width, size.height));

    // 2. 绘制背景
    final backgroundPaint = Paint()..color = Colors.grey[200]!;
    canvas.drawRect(Rect.fromLTWH(0, 0, size.width, size.height), backgroundPaint);

    // 3. 绘制进度条
    final progressPaint = Paint()..color = Colors.blue;
    final progressWidth = size.width * progress;
    canvas.drawRect(Rect.fromLTWH(0, 0, progressWidth, size.height), progressPaint);

    // 4. 绘制图像 (如果已加载)
    if (image != null) {
      canvas.drawImage(image!, Offset.zero, Paint());
    }
  }

  @override
  bool shouldRepaint(covariant OptimizedPainter oldDelegate) {
    return oldDelegate.progress != progress || oldDelegate.image != image;
  }
}

class OptimizedWidget extends StatefulWidget {
  @override
  _OptimizedWidgetState createState() => _OptimizedWidgetState();
}

class _OptimizedWidgetState extends State<OptimizedWidget> {
  double _progress = 0.0;
  ui.Image? _image;

  @override
  void initState() {
    super.initState();
    _loadImage();
  }

  Future<void> _loadImage() async {
    // 模拟从网络加载图像
    final image = await _loadImageFromAsset('assets/example.png'); // 替换为你的图像路径
    setState(() {
      _image = image;
    });
  }

  Future<ui.Image> _loadImageFromAsset(String asset) async {
    final ByteData data = await rootBundle.load(asset);
    final Completer<ui.Image> completer = Completer<ui.Image>();
    ui.decodeImageFromList(data.buffer.asUint8List(), (ui.Image img) {
      return completer.complete(img);
    });
    return completer.future;
  }

  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return Scaffold(
      appBar: AppBar(title: Text('Optimized CustomPainter')),
      body: Center(
        child: Column(
          mainAxisAlignment: MainAxisAlignment.center,
          children: [
            CustomPaint(
              painter: OptimizedPainter(progress: _progress, image: _image),
              size: Size(200, 100),
            ),
            Slider(
              value: _progress,
              onChanged: (value) {
                setState(() {
                  _progress = value;
                });
              },
            ),
          ],
        ),
      ),
    );
  }
}

在这个例子中，我们：

  1. 使用 ClipRect 裁剪绘制区域。
  2. 缓存了图像，避免每次都重新加载。
  3. 在 shouldRepaint 方法中，只在 progress 或 image 发生变化时才返回 true。

这个示例展示了如何综合运用各种技巧来优化 CustomPainter 的性能。

9. 总结

理解 CustomPainter 的光栅化缓存机制，以及 shouldRepaint 和 isComplex 属性的作用，对于构建高性能的 Flutter 应用至关重要。通过合理地使用这些工具，我们可以避免不必要的绘制和光栅化，从而提高应用的性能和响应速度。
掌握这些，提升绘图性能。
希望今天的分享对大家有所帮助。 谢谢!

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