Flutter 在 WebAssembly (WasmGC) 上的运行机制：GC 集成与 JS 互操作

Flutter 在 WebAssembly (WasmGC) 上的运行机制：GC 集成与 JS 互操作

大家好，今天我们来深入探讨 Flutter 在 WebAssembly (WasmGC) 上的运行机制，重点关注垃圾回收 (GC) 集成和 JavaScript (JS) 互操作这两个关键方面。 Flutter Web 一直是 Flutter 生态系统的重要组成部分，而 WasmGC 的引入为 Flutter Web 带来了性能和内存管理方面的显著提升。我们将分析 Flutter 编译到 WasmGC 的过程，探讨其内部的 GC 如何与 WasmGC 协同工作，以及 Flutter 如何通过 JS 互操作与浏览器环境进行交互。

1. WasmGC 简介与 Flutter 的选择

WebAssembly (Wasm) 是一种为在现代 Web 浏览器中运行客户端脚本而设计的新型二进制指令集。它提供了一种接近原生性能的方式来运行代码，并且具有安全性和可移植性。 最初的 Wasm 版本只支持数值和线性内存，对于复杂应用程序来说，需要手动管理内存，这给开发者带来了很大的负担。

WasmGC 是 WebAssembly 的一项扩展，它增加了对垃圾回收 (GC) 的支持。这意味着 Wasm 模块可以创建和管理对象，而无需手动进行内存分配和释放。这简化了开发过程，并减少了内存泄漏的风险。

Flutter 选择 WasmGC 的原因主要有以下几点：

• 性能提升： WasmGC 允许 Flutter 运行时直接利用浏览器的 GC，避免了手动内存管理的开销，从而提高了性能。
• 简化开发： 开发者无需手动管理内存，可以专注于业务逻辑的实现。
• 更好的互操作性： WasmGC 使得 Flutter 与 JavaScript 的互操作更加容易，因为两者都可以使用相同的 GC。
• 减少包大小： 通过利用浏览器的GC，可以减少Flutter引擎本身所需的内存管理代码，从而减小包大小。

2. Flutter 编译到 WasmGC 的过程

Flutter 编译到 WasmGC 的过程涉及多个步骤，包括 Dart 代码的编译、Wasm 模块的生成以及 JavaScript 胶水代码的生成。

1. Dart 代码编译： Flutter 应用的 Dart 代码首先通过 Dart 编译器编译成中间表示 (IR)。
2. Wasm 模块生成： 然后，IR 被进一步编译成 Wasm 字节码。 在这个过程中，Dart 的对象模型被转换为 WasmGC 的对象模型。 Dart 对象的分配和回收由 WasmGC 的垃圾回收器负责。
3. JavaScript 胶水代码生成： 为了使 Wasm 模块能够在浏览器中运行，需要生成一些 JavaScript 胶水代码。 这些代码负责加载 Wasm 模块、初始化 Flutter 运行时以及处理与浏览器的交互。
4. 资源打包: 最后，Wasm 模块、JavaScript 胶水代码以及其他资源（例如字体和图片）被打包成一个 Web 应用。

下面是一个简化的流程图：

+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+     +---------------------+
| Dart 代码       | --> | Dart 编译器     | --> | Wasm 编译器     | --> | Wasm 模块 (.wasm)  |
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+     +---------------------+
                                                                       |
                                                                       |     +---------------------+
                                                                       | --> | JavaScript 胶水代码  |
                                                                             +---------------------+

3. WasmGC 的 GC 集成

Flutter 的 WasmGC 实现依赖于浏览器的垃圾回收器。 当 Dart 代码创建对象时，实际上是在 Wasm 堆上分配内存。 这些对象由浏览器的 GC 管理，GC 会定期扫描堆，并回收不再使用的对象。

Flutter 运行时与 WasmGC 的垃圾回收器之间的交互主要通过以下机制实现：

• 对象分配： 当 Dart 代码需要创建新对象时，它会调用 Wasm 运行时提供的分配函数。 该函数会在 Wasm 堆上分配内存，并返回一个指向该内存的指针。
• 根集管理： GC 需要知道哪些对象是根对象，即从这些对象开始可以访问到所有其他活动对象。 Flutter 运行时负责维护根集，并定期将根集信息传递给 GC。
• GC 触发： GC 可以由浏览器自动触发，也可以由 Flutter 运行时手动触发。 手动触发 GC 通常在内存使用量较高或者需要释放大量内存时进行。

以下代码片段展示了 Dart 中对象分配的示例，以及 WasmGC 如何处理：

class MyObject {
  int value;

  MyObject(this.value);
}

void main() {
  // 创建一个 MyObject 实例
  var obj = MyObject(10);

  // obj 变量现在持有对 MyObject 实例的引用
  // WasmGC 会跟踪这个引用，并确保 MyObject 实例在不再使用时被回收
  print(obj.value);
}

在编译为 WasmGC 后，上述 Dart 代码会被转换为 Wasm 字节码，其中对象分配操作会调用 WasmGC 提供的内存分配函数。 WasmGC 会跟踪变量 obj 对 MyObject 实例的引用。 当 obj 不再被引用时，垃圾回收器会回收 MyObject 实例所占用的内存。

4. JavaScript 互操作

Flutter Web 应用程序经常需要与 JavaScript 代码进行交互，例如访问浏览器的 API、调用 JavaScript 库或者与现有的 Web 应用集成。 Flutter 提供了多种方式来实现 JavaScript 互操作。

1. dart:js 库： dart:js 库提供了一组 API，允许 Dart 代码调用 JavaScript 函数和访问 JavaScript 对象。

   import 'dart:js' as js;
   
   void main() {
     // 调用 JavaScript 的 alert 函数
     js.context.callMethod('alert', ['Hello from Flutter!']);
   
     // 访问 JavaScript 的 window 对象
     var window = js.context['window'];
     var screenWidth = window['screen']['width'];
     print('Screen width: $screenWidth');
   }

2. package:js 包： package:js 包提供了一种更类型安全的方式来进行 JavaScript 互操作。 它允许开发者定义 Dart 类和函数，并将其导出到 JavaScript 环境中。

   @JS()
   library my_library;
   
   import 'package:js/js.dart';
   
   @JS('greet')
   external String greet(String name);
   
   void main() {
     // 调用 JavaScript 的 greet 函数
     var greeting = greet('Flutter');
     print(greeting);
   }

   在 JavaScript 中，你可以这样调用 Dart 代码：

   // 假设 Dart 代码被编译成 my_library.js
   import * as myLibrary from './my_library.js';
   
   // 调用 Dart 的 greet 函数
   const greeting = myLibrary.greet('JavaScript');
   console.log(greeting);

3. html 包： html 包允许直接操作 HTML DOM，这对于与现有的 Web 应用集成非常有用。

   import 'dart:html' as html;
   
   void main() {
     // 获取 document 对象
     var document = html.document;
   
     // 创建一个 div 元素
     var div = document.createElement('div');
     div.text = 'Hello from Flutter!';
   
     // 将 div 元素添加到 body 中
     document.body?.children.add(div);
   }

这些互操作机制在 WasmGC 环境下仍然有效。 关键在于，Flutter 运行时需要确保 Dart 对象和 JavaScript 对象之间的引用被正确地管理，以便垃圾回收器能够正确地回收内存。

5. WasmGC 带来的优势与挑战

WasmGC 的引入为 Flutter Web 带来了诸多优势：

• 更快的启动速度： 由于不需要进行复杂的内存管理，WasmGC 可以更快地启动 Flutter Web 应用程序。
• 更高的运行时性能： WasmGC 允许 Flutter 运行时直接利用浏览器的 GC，避免了手动内存管理的开销，从而提高了运行时性能。
• 更小的包大小： 通过利用浏览器的GC，可以减少Flutter引擎本身所需的内存管理代码，从而减小包大小。
• 更好的互操作性： WasmGC 使得 Flutter 与 JavaScript 的互操作更加容易，因为两者都可以使用相同的 GC。

然而，WasmGC 也带来了一些挑战：

• GC 的不确定性： 垃圾回收器的工作方式是不确定的，这可能会导致应用程序出现短暂的卡顿。
• 调试难度增加： 由于内存管理由 GC 负责，因此调试内存泄漏和内存相关的问题可能会更加困难。
• 兼容性问题： 并非所有浏览器都支持 WasmGC。 因此，需要确保 Flutter Web 应用程序在不支持 WasmGC 的浏览器中也能正常运行。

为了应对这些挑战，Flutter 团队正在不断改进 WasmGC 的实现，并提供更多的工具和技术来帮助开发者调试和优化应用程序。

6. 一个完整的示例：Flutter Web 与 JavaScript 交互

下面是一个完整的示例，展示了如何在 Flutter Web 应用程序中使用 dart:js 库与 JavaScript 代码进行交互。

1. Flutter 代码 (main.dart):

import 'dart:html' as html;
import 'dart:js' as js;

void main() {
  // 创建一个按钮，点击后调用 JavaScript 函数
  var button = html.ButtonElement();
  button.text = 'Click me!';
  button.onClick.listen((_) {
    // 调用 JavaScript 的 alert 函数
    js.context.callMethod('alert', ['Hello from Flutter!']);
  });

  // 将按钮添加到 body 中
  html.document.body?.children.add(button);

  // 获取 JavaScript 的 console 对象
  var console = js.context['console'];

  // 在控制台中打印消息
  console.callMethod('log', ['Flutter app started!']);

  // 调用JavaScript定义函数
  js.context.callMethod('callJsFunction', ['Message from Flutter']);
}

2. HTML 文件 (index.html):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Flutter Web with JavaScript Interop</title>
  <script>
    function callJsFunction(message) {
      console.log('JavaScript function called with message: ' + message);
      alert('JavaScript received: ' + message);
    }
  </script>
</head>
<body>
  <script src="main.dart.js"></script>
</body>
</html>

在这个示例中，Flutter 代码创建了一个按钮，当点击按钮时，会调用 JavaScript 的 alert 函数。 Flutter 代码还获取了 JavaScript 的 console 对象，并在控制台中打印了一条消息。另外，Flutter 代码调用了在HTML中定义的 callJsFunction。

这个示例演示了如何使用 dart:js 库来调用 JavaScript 函数和访问 JavaScript 对象。 开发者可以根据自己的需要，使用类似的技术来实现更复杂的 JavaScript 互操作。

7. 最佳实践与性能优化

在使用 WasmGC 和 JavaScript 互操作时，以下是一些最佳实践和性能优化建议：

• 避免不必要的对象创建： 频繁地创建和销毁对象会增加 GC 的负担，从而影响性能。 尽可能重用对象，或者使用对象池来管理对象。
• 减少 JavaScript 互操作的次数： JavaScript 互操作的开销相对较高。 尽可能减少 JavaScript 互操作的次数，或者使用批量操作来提高效率。
• 使用类型安全的互操作方式： package:js 包提供了一种更类型安全的方式来进行 JavaScript 互操作，可以减少类型错误和运行时异常。
• 使用 DevTools 进行性能分析： Flutter DevTools 提供了强大的性能分析工具，可以帮助开发者识别性能瓶颈，并进行优化。
• 了解 GC 的工作原理： 理解 GC 的工作原理可以帮助开发者编写更高效的代码，并避免内存泄漏。

以下是一个表格，总结了上述最佳实践：

最佳实践	说明
避免不必要的对象创建	尽可能重用对象或使用对象池，减少 GC 负担。
减少 JavaScript 互操作次数	JavaScript 互操作开销较高，尽量减少调用次数，考虑批量操作。
使用类型安全的互操作	使用 package:js 包提供类型安全互操作，减少类型错误。
使用 DevTools 分析性能	利用 Flutter DevTools 识别性能瓶颈并进行优化。
了解 GC 工作原理	理解 GC 原理，编写高效代码，避免内存泄漏。

Flutter Web 的未来

Flutter Web 正在不断发展，WasmGC 是其中的一个重要里程碑。 未来，我们可以期待 Flutter Web 在性能、内存管理和互操作性方面取得更大的进步。 Flutter 团队也在积极探索新的技术，例如 WebGPU 和 WebAssembly 组件模型，这些技术将进一步提升 Flutter Web 的能力。

总结

WasmGC 的引入为 Flutter Web 带来了显著的性能提升和开发效率的提高。通过与 JavaScript 的互操作，Flutter Web 应用程序可以充分利用浏览器环境的优势。 了解 WasmGC 的工作原理、JavaScript 互操作的方式以及最佳实践，可以帮助开发者构建更高效、更强大的 Flutter Web 应用程序。