Flutter 沙龙回顾 | 跨平台技术趋势及字节跳动 Flutter 架构实践

11 月 23 日, 字节跳动技术沙龙 | Flutter 技术专场  在北京后山艺术空间圆满结束。我们邀请到字节跳动移动平台部 Flutter 架构师袁辉辉,Google Flutter 团队工程师 Justin McCandless,字节跳动移动平台部 Flutter 资深工程师李梦阿里巴巴高级技术专家王树彬和大家进行分享交流。

以下是 字节跳动移动平台部 Flutter 架构师 袁辉辉 的分享主题沉淀,《跨平台技术趋势及字节跳动 Flutter 架构实践》。

演讲内容大纲:

  1. 移动跨平台技术趋势

  2. 解读 Flutter 引擎原理

  3. 字节跳动在 Flutter 架构实践

自我介绍

大家下午好!今天跟大家分享的主题是《 跨平台技术趋势及字节跳动 Flutter 架构实践 》。

我是今年加入字节跳动,目前在移动平台部负责 Flutter 架构优化工作,在此之前我在小米做了 3 年安卓手机系统的底层优化与研发工作。平时工作之余喜欢写写博客,从 16 年开始,坚持写了 4 年,产生 200 余篇原创技术篇章,与此期间也受邀出席业界的一些安卓相关的技术大会。

面对层出不穷的新技术

在正式分享之前问大家一个问题: 面对层出不穷的新技术,你是选择继续深耕原有技术,还是会尝试新技术? 大家不要思考,你直观印象会选择什么?

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但其实面对这个问题的时候,很多人想的是:我是不是要尝试新技术了?就像上面这个例子,很多人会想到,我如果不断换新技术,是不是最终一无所获?我如果坚持一个方向,最终我能获得我想要的东西、能够有所成果,我就不要去尝试新技术了。但其实这里面有个误区:

第一,如果你在一个领域做得足够长时间,3 年、5 年、10 年,那么你有可能会有所收获,这时候你就会进入技术疲惫期,有可能就不愿意再去挑战新的东西了,有可能觉得成长空间受到限制,这个时候如果你愿意跳出技术舒适区,去看一看周边新的技术,会拓宽你的知识面。以我个人为例,我在此前做过安卓手机驱动层的开发,我又做过上面安卓 Framework 层,来到字节跳动又开始做 Flutter,在我不断选择新方向时,这何尝不是一种深耕呢?把你的技术栈打通。

第二,如果你选择学习更多新技术时,可以看到下面有很多钻石,你要选择找到一颗最大的钻石,怎么找?要看趋势,一个好的趋势不一定帮你找到最大钻石,但是一定可以帮你更高概率找到更大的钻石。

第三,如何找到一个新的想法,是不是每次工作时都像左边那个人从头开始?其实这也是一个误区。有经验的人都知道,你在一个领域深耕时,再学习一个新的领域绝非从零开始,到一定程度你会横向发展、横向打通,而不是回到零点,你的学习成本时间不会那么长,因为技术是相通的。

所以我们在追求技术过程中,如何找到更大的钻石?就是看技术趋势。如何收获更多钻石?不要拘泥于一个方向,当然,也不建议大家频繁的切换,但可以在多个领域收获。如何更高效的找到钻石?我们的技术是相通的,当你在学习新技术时,要你把原有的技术联通、打通,融通你的的任督六脉。

为了解决这几个问题,我们以移动跨平台为例。 首先,我们先看看移动端技术发展趋势; 再则看看 Flutter 引擎到底有哪些核心技术,如何跟原有技术相通的; 最后介绍一下字节跳动在 Flutter 新技术领域有哪些技术进展与落地实践,看看在新领域是如何做到快速深耕。

一、移动跨平台技术趋势

我们为什么做移动跨平台技术?

  • 移动互联网发展 10 多年来,由之前传统 PC 端时代到移动时代,在移动时代竞争激烈,各大移动互联网公司都在争相抢夺市场,如何提高研发效率,产品快速迭代、快速试错成为非常重要的因素。

  • 与此同时,还要看在关注研发效率的同时能否做出一个性能比较高的应用,往往我们的研发效率和性能是天平两端,性能好了开发效率可能就差了,开发效率好了性能可能就差了,这就需要思考如何把开发效率和性能这两者做到更好的平衡。

  • 再者,面对这么多跨平台技术,能否用一种语言开发出应用在多端体验是一致的?UI 小姐姐设计这版小龙女,研发小哥哥开发出另一款小龙女,到安卓平台变成各种各样的小龙女,发现 UI 长得都不一样。我们能否实现高效的多端一致性体验?

  • 再者,能否突破渠道去快速更新我的应用?这个不光是跨平台技术,Native 技术本身也是同样关注这个问题。

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以上,是跨平台技术方案优劣最为关注的几个因素。

跨端技术这几年是怎么发展的?

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我们在 2011 年时,以 WebView 技术做跨端,这个跨端有比较大的局限性,性能很差、功能受限,不能做复杂场景。到了 2015Facebook 出了 React Native,它是以 JS 语言,通过中间层转换,最终渲染调到 Native 层,性能相对更好一些。接下来阿里推出了 Weex,也是通过 JS 语言调到原生渲染。2018 年 Google 出了 Flutter,它有自自己的引擎、自渲染机制,它的性能比较好。这就是大概的演进。

跨端技术类型

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跨端技术分为几类:

  • 原生渲染:通过各种技术调中间层转换,最终渲染,安卓还是调安卓的,iOS 的还是调 iOS 的。

  • WebView:通过调 WebView 的技术去渲染,我们的小程序也是基于这一块。

  • 自渲染:可以不借助系统的,自己写一套自渲染技术,这就是今天要讲的重点——Flutter。

不管跨端技术怎么演变,主要就是分这三大类。

Flutter 有什么技术优势?

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  1. 高效率:跨平台,用 Dart 语言跑,同时可以跑在多端上,毋庸置疑有高效率。

  2. 高性能:自渲染,不靠系统原生渲染,用自己的。

  3. 高一致性:一套代码写完,它在多端表现是一致的。

  4. 动态化:这个东西不适合去过多讲,其实引擎本身就有尝试原生引擎。

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我们来看高一致性,上面是 Flutter 写的一个 Demo,在安卓和 iOS 几乎一样。UI 小姐姐设计 UI 时往往希望多端体验一致,它可以做到高度一致。

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我们再讲讲它的高性能,为什么常说它是高性能?以安卓为例,安卓原生框架 APP 调到大家熟悉的安卓 Framework,Flutter 再调到 Skia,Skia 再最终渲染调到 GPU。

右边一般常规框架原生渲染怎么做的?它有一个转换层,通过转换,最终安卓调安卓渲染,iOS 调 iOS 渲染机制,中间多了一个层。

对于 Flutter 中间调的是一个 Dart Framework,再调到 Skia,用 Flutter 平台和原生很接近,Flutter 是上限很高的技术,如果你优化足够好,它可以媲美原生。当然,现在 Flutter 作为一个新生婴儿可能有些方面有所不足,但是不断发展,它终究可以做得更好。

业界公司可以直接做 Flutter,BAT、字节跳动等或多或少在它们业务上有落地,这是一个趋势。

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除此之外,Google 还有一个内部做的系统叫 Fusicha,它最上层也是用的 Flutter 和 Dart,这个系统未来如何?在 5G 和 IoT 市场不断发展,很有可能这个系统也做得不错,如果它有不错的效果,你提前入局 Flutter,可能多了一次弯道超车的机会。

二、解读 Flutter 引擎原理

Flutter 技术架构

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我们来看看 Flutter 技术栈。上面是用 Dart 写的 APP,下面有 DartFramework,Framework 里有安卓和 iOS 的主体,里面有很多动画等等。再往下会调到引擎,引擎里有消息、PlatformChannel、Dart VM 等,引擎层再到平台,我们看的是平台、安卓还是 Web,这是我们常规的一个架构。

引擎创世纪

但是我们看待一个系统一定要从动态视角去看待,什么叫动态视角?这个 Flutter 是如何创立的?它的生命周期看它最终是怎么起来的?

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上图依然是以安卓为例,安卓有 Application 和 Activity,用 Dart 写的 APP 终究也要这样去跟原生连接起来,Flutter 有 Flutter 的 Application 和 Flutter 的 Activity。在 Flutter Application 中就会把 Dart 写的代码生成一个产物,把它加载起来,我们的 Flutter Activity 过程中会拉起我们的引擎。

到了引擎层这块,Flutter 里四个核心线程:平台线程、UI 线程、GPU 线程、UI 线程,它们各有分工:这个平台线程对于安卓和 iOS 来说就是常说的主线程,这里的 UI 线程面对安卓本身的主线程,就是一个独立的线程;GPU 线程指的是跑在 CPU 上的线程,它做的主要是 Skia 相关工作。IO 线程比如图片解码、编解码,主要做 IO 相关的工作。这里既然有几个线程,肯定涉及线程之间的通信,就回到技术的相通,如果你熟悉安卓、iOS 就知道线程怎么通信,一会儿看看它们两个的区别。

右边有一个 Dart 虚拟机,这里有一个 Isolate 的概念,这是 Flutter 里才有的概念,从名字也可以看出来,“孤立的”,孤立的是什么意思?两个内存之间不会孤立、不会不共享。再看右上角,就到了 Dart 层,会有 UI 绘制。

接下来依次讲一下这四块。

Flutter 编译产物

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第一个图,先看看 Flutter 用 Dart 写的代码最终编译的东西长什么样,最开始 Dart 代码最马上用前端编译器编译,左边绿色的是安卓,右边蓝色的是 iOS,根据不同的平台会产生不同的产物。左边组成了一个 APK,右边在我们的 iOS 上是 Runner APP。最下面引擎代码通过编译产生在安卓和 iOS 有所不同,两部分拼凑起来成为相应不同平台的 APK。发现用 Dart 写的代码在不同平台会编译成适应不同平台的应用,这是最终编译出来的产物。Flutter 能够把这个产物加载起来运行。

线程通信

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第二个图,说到线程通信,依然以安卓为例,大家非常熟悉安卓,我们是怎么通信的呢?这里面有很多消息,简单来说是把一个消息放到消息队列里去了,这是一个安卓的技术。我们来看一下右边 Flutter,会发现非常神奇,技术就是这样的相通。Flutter 依然有一个 Looper 线程,对于主线程复用了原来的 Native 的,对于另外三个线程创建一个独立的 Looper,不同的是它有两个消息队列,依然是跑消息的方式,通过 Task Runner 就好比安卓的 Handle,通过 PostTask 就好比把一个消息放在一个消息队列里去。同样在 Dart 里经常用 Furture 和异步的方法,核心还是用我们的 Task Runner 发一个消息。

我们要看到技术的相通,也要看到技术的不同,这里面不同的是什么?不同的是在于我们这里有一个 MessageQueue,这里有两个队列,它怎么处理呢?先处理微型任务,微型任务处理完了再处理普通任务,所以在 Flutter 里叫 Task,在安卓里叫 Message,技术神奇的相似。大家不用担心,学习新技术成本非常高,把技术掌握透了,学习新技术会发现成本很低,很好去理解。

Dart 虚拟机

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再看看 Isolate,同一个进程里可以有很多 Isolate,两个 Isolate 的堆是不能共享的,但它们也要交互。怎么交互?在 Dart 虚拟机里面也有一个特殊 Isolate,是运行在 UI 线程中,和 Root Isolate 是运行在一个线程的。当两个 Isolate 要通信,会找一个共同的可访问的内存,安卓听到非常多的概念是“进程间通信”,它最终怎么通信?用户态进程不能共享,但是内核态可以共享,这就找到一个可以共享的地方,把通信数据在内核态放进对方的队列里,另外一边就可以拿到了。

同样,Isolate 也是类似的逻辑,Isolate1 和 Isolate2 怎么通信?在 Isolate2 里创一个 ReceivePort,在 Isolate1 中调用其对应的 SendPort 的 send 方法,在引擎 PortMap 里面有映射表,每一个 port 端口对应一个相应 Isolate 的 MessageHandler,该 Handler 里面有两个队列,一个是普通的消息队列,一个是 OOB 高优先级消息,根据优先级把它放到相应消息队列。再把这个事件封装成一个 MessageTask,抛到另外一个 Isolate 里去,我们一般创建一个 Isolate,它里面是一个 worker 线程,worker 线程放入一个新的 Task,它就会最终去执行这个 Task,最终会解析出这个消息,你会发现技术再一次相通了。

Widget

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我们再往上走,到了 UI 层是 Widget,在整个 Flutter 里有很多 Widget。Widget 可以是一行文本、一张图片、一个颜色,所有都是 Widget。最大有两类,一个是无状态的 Widget,一个是有状态的。无状态顾名思义是一类 StatelessWidget,一旦创建状态是不可改变的;第二类 StatefulWidget 是状态可以改变的。这涉及状态是跟安卓不同的地方,既然有了状态,应用越写越复杂时就涉及状态管理,如何去管理状态。

渲染原理

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对应 Widget 创建 Widget 树,它是 Element 的配置,如果两个 Widget 之间做了变化它会做差分,比较一下到底哪部分做了变化,只把变化更新到 Element 里去,以最小粒度做更新。到了 Element 里构建渲染过程中会创建 Render 对象,创建渲染的过程。

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渲染来了一个信号,UI 线程更新动画,动画完了做一个建立,建立过程中生成 Render,再往下布局、绘制大小等工作。这个完成以后会生成一个 Layer Tree,也跨两个线程,UI 和 GPU 线程。到了 GPU 线程之后会调用 Skia 做渲染。

Platform Channels

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为什么用平台的 Channel?大家常说,Flutter 是一个漂亮的 UI 工具,有时真的需要 Native 能力怎么办?比如调用相机的特性需要写 Native 代码,所以 Flutter 提供一套 Channel 机制,橙色部分代码,写相应平台安卓或者 iOS 定制代码,中间有一套机制帮你实现封装好,你写 Dart 代码直接可以调到安卓或者 iOS 代码,这个过程是异步的。

大家大概看了 Flutter 引擎核心的技术,不光是 UI 层的,以及引擎层的机制。我过程中多次提到一点,技术是相通的,你在一个领域深耕,新的领域依然可以做到继续深耕。

三、字节跳动在 Flutter 架构实践

字节跳动有超过 20 个应用在用 Flutter,头条、西瓜视频等都在用 Flutter,内部很多应用都已经采用 Flutter 落地了,这不是纸上工程,在很多业务上都已经落地了。

Flutter 架构实践

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我们移动平台部在 Flutter 上做了哪些工作?

上层为了支撑我们这些应用,首先在应用框架层在工程化做了很多努力,用容器化思想,如何让业务接起来更快;有混合工程的知识,让业务快速接入 Flutter;我们的状态管理,在状态混了的情况下如何高效的接入;也为了我们业务更好的接入,我们有很多技术组件的开发,提供了很多丰富的库。

除此之外,为了监控 Flutter,有很多性能高可用平台,有稳定性测试等等。

引擎层也做了大量优化,虽然号称 Flutter 高性能,但是业务使用中还是要做到优化。首先,我们很多工程师刚开始写 Dart 不知道如何写出更高效率的 Flutter 代码,所以业务可以优化,其次,引擎可以做很多优化,以及多端一体化的尝试,以及编译、黑科技的,我们在每个领域都花了很多投入。

Flutter 容器化架构

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简单看看我们的容器化,为业务支撑,有很多 APP,提供容器化扩展接口。比如要调图片,图片调到我们的协议层,会调一个图片的协议,里面有一个默认的适配,还有一个用户可以自定义的,可以不做任何定制,我们会帮你提供常用技术组建。下面跟安卓、iOS 的交互都可以忽略,写代码很方便,很多库都有,这就是容器化的思想,帮你封闭了底层差异性,让你接入起来更加快捷。

监控体系

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再说说监控体系,看过我们 Flutter 发现引擎本身有我们的监控,上面是 GPU 线程,下面是 UI 线程,这是一个比较粗糙的性能统计方法。为什么粗糙?有几点做不到位的地方:第一,把性能分成 UI 和 GPU 线程,显然我们看参数时希望看一个参数, 第二,它的算法很粗糙,它统计每一帧耗时,做物理平均,最后再将平均耗时根据 16.6ms 对应 60fps,来归一化处理。

业界不少公司做了改进,都怎么改进的?通常的方法在框架层去统计出 UI 线程的耗时时间,看它跨了多长时间,看它有多少帧是丢帧的,这个方案有什么缺陷?我们可以看这个图,理解这个渲染的过程,来了一个信号,你把这个消息 post 到 UI,里面再做 Handle,再把这个事情 Post 到我们的 GPU 线程。这个方案的缺陷是:第一,线程 Post 到 UI 线程中间有一个消息传递过程,有可能在 Post 过程中要等待的这段时间没有考虑进去。第二,如果你只统计 UI 线程有什么缺陷?我们举个例子,UI 线程非常快,但是 GPU 线程非常慢,UI 线程每次可能一两毫秒就完成了,但是 GPU 线程每次要一两百毫秒,虽然看到性能非常好,但是真实体验发现卡爆了,几乎刷不动,为什么?因为 UI 线程向 GPU 线程跑消息时最多 Post 两个消息,这时候 GPU 线程依然处理不过来,UI 线程就不会 Post 消息,但是 UI 线程体现不出来,所以这也是业界方案的缺陷。

我们做了高精度无侵入性能监控方案:

  • 首先,要知道绘制多少帧,所以我们会统计你发了多少信号,统计 GPU 线程,最终真正绘出来多少帧,这是真正的体验。我们是在引擎层提供了一套。

  • 第二,为什么叫无侵入?常常的性能监控会在我们开始滚动时调一个开始,结束时调一个 End,我们不需要做这个动作,接入框架系统会自动识别场景,自动判断什么时候开始,什么时候结束,所以是高精度无侵入的性能监控。

多端一体化实践

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在多端一体化也做过尝试,内部写一个应用可以同时运行在 iOS、安卓端、Web,把一些内部组件串起来,做一个多端一体化的尝试。多端一体化的核心就在于常规有一个 Flutter 引擎,右边多一个 Flutter Web,调用 Dart2JS,这样就把我们 Web 包容进来了。

Flutter Turbo

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Flutter Turbo,做了性能提升的方案,如何在有限资源情况下把我们的性能发挥到极致?这个核心思想就是我要找到核心场景做有效的资源调度,比如用户在界面滑动这个场景非常重要,你能否把一些资源有效控制?比如消息调度能否优先调度响应我的首次,这时候我在用户非常重要的场景能否把 GC 抑制了,关闭可以关闭的特效,有一系列手段,为了提高我们的性能,内部有一个 Benchmark 跑分,这些方案都能够带来提升。

图片透传优化方案

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现有图片怎么传?常规 Dart 里要上网络中去下载一张图片会调 Image.network,然后把这张图片加载之后,要把数据传到 Dart 层,可以传一个路径等等之类的,Dart 层会再调用引擎层解码。外界纹理也很不错,但它有一些问题,没有在这个基础上改造,而是做了自己的一套透存的方案。

图中右边是我们在 Dart 层调引擎的示意,引擎加载图片时我们调到里面加载,它生成一个 Bitmap,虽然引擎是 Dart 虚拟机,但两者之间我们做了一个 Bitmap 的共享,你不需要把数据传过来,我们是共享的方式,我们再转成 Pixel buffer,对性能同样会大大提升。

启动速度优化

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启动速度优化我们做得比较早,刚开始它启动速度也很慢,我们在引擎层里也做了很多修改,发现它的启动速度几乎提升了 1 倍。

包体积优化

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包体积是大家非常关注的一个点,为什么关注包体积?会决定用户愿意不愿意去下载这个应用,所以我们在包体积方面做了很多工作,做了很大努力。

  • 做了编译优化,如何采用更高效率的编译,iOS 上用了 O 编译,发现包体积进一步压缩。

  • Flutter 产物有数据端和代码端,我们把数据端进一步压缩,包体积会减少。

  • 在 Skia 我们做了裁剪,把不太需要的功能以及不那么必要的东西裁剪了。

  • 引擎层我们也做了一些功能三方库的裁剪。

  • 在指令这端发现用 Flutter 写的指令会比我们用 OC 代码指令更长一些。这块我们跟 Google 做了积极的沟通反馈问题,Google 花了很多精力,我们也跟进推进 Google 做这件事情。

一系列方案下来,我们的包体积会接近 50%的优化。

以上是我们字节跳动在 Flutter 里做了众多实践中的部分重点工作。

四、总结

第一,分享了 Flutter 的技术趋势,Flutter 是大家争相追寻的技术。

第二,跟大家介绍了 Flutter 引擎,发现里面的技术是相通的,消息通信跟安卓的 Handle 机制几乎一样;但是它也有它的差异,技术也有不同之处。

第三,字节跳动布了一个新的领域,发现我们做了很多技术深耕。回到最开始问的问题,面对一个新技术,你是愿意继续选择深耕老的技术,还是愿意尝试新的技术?发现在做新技术时并没有大家想象的那么难,而且在过程中你会收获很多。

第四,既然选趋势,你怎么知道你选择的就是那颗最大的钻石?最后有一句话送给大家:

有时候你选择一个方向,不是说它一定成为未来,而是它有可能成为不一样的未来。

谢谢大家!

Q&A

提问 我是一位安卓开发者,自己经常了解 Flutter,很有疑问是关于代码迁移,很多应用开发很多年了,代码量是很大的,迁到 Flutter 上,您这边在项目上有什么经验呢?或者有什么建议呢?就是在代码量很大的这种场景下。

回答:这是一个很好的问题。Flutter 有两块,第一,新业务是一个比较好的选择,直接从零开始。第二,已有业务如何改造?建议刚开始先尝试选择页面相对简单的页面,只能逐步切,先找相对轻量的页面尝试把路跑通,各方面数据指标都能达标,再尝试更多,循序渐进把更多切进去。不要想到工程这么大一次全部规划好全切过去,这个风险非常高,不光是技术问题,还涉及到商业问题。

提问: Native 和引擎之间 Bitmap 如何做共享的?

回答: 很简单,它们都在一个进程里,为什么不能通信呢?不是物理隔离,而是逻辑隔离,什么叫逻辑隔离?写代码我们在引擎层,引擎很多东西都可以直接去把地址传过来,如果你在应用层可能做不到,但是 Flutter 可以理解为一个小型系统,比如就像你可以改安卓的 Framework 和底层的东西,那么什么东西改不了呢?

提问: 我们现在一个项目两个平台,您是怎么解决作为项目当中的一个 Model,但是 Flutter 引用在原生当中,怎么解决两个平台的嵌入问题、接入问题?

回答: 你问的其实是混合工程的问题。对于老业务改造一定离不开混合工程。混合工程问题,我们也有工具叫 FlutterW,把混合工程一键化快速接入,比如我刚才提的容器化都是让混合工程快速接入的过程。

提问: 我有一个比较有意思的问题,我看到 PPT 里有说你们用了 Web 的东西。我比较好奇的是,这个东西处于一个 Build 的阶段,之前说这个东西比较倾向做手机端的应用,因为它是比较倾向于做跟移动端一样的体验,所以我想知道你们对于用 FlutterWseb 是什么规划?比如是做成 H5 降级方案吗?

回答: 这个问题问得很好,首先 Flutter for Web 是一个预览状态,字节跳动即便是预览版,也会跟进。刚才展示的是技术跟进,除此之外内地也有一些内部项目落地 Flutter for Web,这是一个技术尝试。也可以用 Flutter for Web 作为 Fallback 方案,也是一种不错的备选方案。随着 Flutter 的发展,相信明年 for W e b 会更好。 现在主要是安卓、iOS,Web 这个版也要补齐,现在它确实不够成熟,从内部数据来看现在 Flutter for Web 的性能补 H5 还会差,虽然有一些优化,但还比 H5 差。 如果真正用到线上大型应用的话,建议你们观察一段时间,如果你们团队人力比较多的话,也可以现在接入去做相应改造。

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