HDC技术分论坛:HarmonyOS新一代UI框架的全面解读

2021-11-25

作者:yuzhiqiang,UI编程框架首席技术专家

 

在Harmony 3.0.0开发者预览版中,包含了新一代的声明式UI框架ArkUI 3.0、多语言跨平台编译器ArkCompiler 3.0、跨端开发工具DevEco Studio3.0,以及基于TS/JS语言的API 7,全面提升开发者体验。

 

本期,我们要为大家重点介绍HarmonyOS新一代声明式UI框架ArkUI 3.0。

 

一、UI编程框架


在介绍ArkUI 3.0之前,我们先来简要了解一下什么是UI编程框架。

 

UI编程框架,是为应用开发者提供的开发UI的基础设施,主要包括UI控件(按钮/列表等),视图布局(摆放/排列相应的UI控件),动画机制(动画设计以及效果呈现),交互事件处理(点击/滑动等),以及相应的编程语言和编程模型等。从系统运行的维度来看,UI编程框架也包括一个运行时,负责应用在系统中执行时所需的资源加载、UI渲染和事件响应等。

 

总体而言,UI编程框架提供了开发以及运行UI界面所需要的框架能力,主要架构如下图所示:

图1 UI编程框架

 

  • 开发模型:对开发者提供开发范式、UI控件/布局/动效/交互、编程语言等。它体现的是开发效率与难易程度。
  • 运行框架:UI界面渲染及交互的基础能力框架,包括相应的布局引擎、控件机制、动效引擎、事件机制、渲染管线等,并结合语言虚拟机和图形引擎,将开发者的程序运行在具体系统平台上。它体现的是应用运行的性能体验。
  • 平台适配:承载框架的具体操作系统或平台适配层。


UI编程框架的关键需求,主要有以下两类:

  • 开发效率:包括代码量、学习曲线、工具、社区、三方库完备度等。
  • 性能体验:包括启动速度、帧率、响应时延、酷炫效果、资源占用等。

 

另外,随着智能设备的急剧增长,UI编程框架还需要考虑如何更好地适配不同设备的差异性,包括设备形态差异(比如屏幕形状、尺寸、分辨率、交互模式等),以及设备能力差异(比如内存、CPU、GPU等)。 

 

二、ArkUI框架的演进


为了更好地满足开发效率和性能体验等相关的需求, ArkUI 3.0综合考虑了UI渲染以及语言和运行时,围绕着极简开发、高性能、跨设备跨平台进一步演进。下图描述了ArkUI整体架构的演进:

图2 ArkUI框架演进

 

图的左侧是2020年发布的JS UI框架的架构示意图。它主要支持类Web的前端开发范式,通过DSL(domain-specific language,领域特定语言)转换层,跨语言对接到声明式UI后端引擎,并结合JS引擎完成整体UI渲染。

图的右侧是新的ArkUI 3.0框架,主要有以下几个关键的变化:

(1)引入了新一代的声明式UI开发范式,实现极简的UI描述语法。

(2)设计了统一的前后端扁平化渲染机制,进一步提升UI渲染的性能并降低内存消耗。

(3)深度结合ArkCompiler 3.0的方舟编译器和方舟运行时,提升语言的执行性能和跨语言通信能力。

(4)在工具方面,针对新一代的声明式UI开发范式构建了新的编译工具链和预览引擎,提供了所见即所得的实时预览机制。

 

另外,在ArkUI 3.0框架中,类Web范式会继续保留,即类Web范式和新一代的声明式UI范式都可以支持,可以各自独立使用,但不能混用。

 

三、ArkUI 3.0的关键特性


接下来我们展开详细介绍一下ArkUI 3.0的关键特性。

 

1. 新一代的声明式UI开发范式

 

具体而言,ArkUI 3.0中的新一代声明式UI开发范式,主要特征如下:

(1)基于TypeScript扩展的声明式UI描述语法,提供了类自然语言的UI描述和组合。

(2)开箱即用的多态组件。多态是指UI描述是统一的,UI呈现在不同类型设备上会有所不同。比如Button组件在手机和手表会有不同的样式和交互方式。

(3)多维度的状态管理机制,支持灵活的数据驱动的UI变更。

 

 下面我们以一个具体的示例来说明新一代声明式UI开发范式的基本组成。如图3所示的代码示例,UI界面会显示一个“Hello World”的文本和一个“Click me”按钮。当用户点击“Click me”按钮时,字符串变量myText的值会从“World”变为“ACE”,文本最终显示为“Hello ACE”。

图3 声明式UI开发范式的基本概念

 

以上示例中所包含的,声明式UI开发范式的基本组成说明如下:

  • 装饰器:用来装饰类、结构体、方法以及变量,赋予其特殊的含义,如上述示例中@Entry、@Component、@State都是装饰器。@Component表示这是个自定义组件;@Entry则表示这是个入口组件;@State表示组件中的状态变量,这个状态变化会引起UI变更。
  • 自定义组件:可复用的UI单元,可组合其它组件,如上述被@Component装饰的struct Hello。
  • UI描述:声明式的方式来描述UI的结构,如上述build()方法内部的代码块。
  • 内置组件:框架中默认内置的基础和布局组件,可直接被开发者调用,比如示例中的Column、Text、Divider、Button。
  • 事件方法:用于添加组件对事件的响应逻辑,统一通过事件方法进行设置,如跟随在Button后面的onClick()。
  • 属性方法:用于组件属性的配置,统一通过属性方法进行设置,如fontSize()、width()、height()、color()等,可通过链式调用的方式设置多项属性。

 

上述示例中,用@State装饰过的变量myText,包含了一个基础的状态管理机制,即myText的值的变化,会引起相应的UI变更(Text组件)。ArkUI 3.0还提供多维度的状态管理机制。和UI相关联的数据,不仅仅在组件内使用,还可以在不同组件层级间传递,比如父子组件之间,爷孙组件之间,也可以是全局范围内的传递,还可以是跨设备传递。另外,从数据的传递形式来看,可以分为只读的单向传递和可变更的双向传递。开发者可以灵活的利用这些能力来实现数据和UI的联动。

 

ArkUI采用嵌入式领域特定语言(embedded Domain Specific Language, eDSL)的形式,结合宿主语言能力实现UI开发。通过eDSL,结合语法糖或者语言原生的元编程能力,设计了统一的UI开发范式,并能够结合不同语言来实现应用的逻辑处理部分。

 

2. 关键渲染性能

 

下面通过一个简单的示例代码,为大家讲述从代码到UI显示的整体渲染流程。如图4所示,此示例会在UI界面显示一个“Click me”按钮,按钮下面同步显示按钮的点击次数。当用户点击按钮时,下面的点击次数会相应增加。

图4 整体渲染流程

 

整个渲染过程分为两个阶段:

(1)初始显示流程(步骤①~⑤)

① 源代码通过相应的工具链,编译为带有类型标志的目标文件,同时也包含了如何创建UI结构信息的指令流。

② 通过跨语言调用并生成了C++层Component树(UI描述层)。

③ 通过Component树进一步生成Element树。Element是Component的实例,表示一个具体的组件节点,它形成的Element树负责维持界面在整个运行时的树形结构,方便计算更新时的局部更新算法等。

④ 对于每个可显示的Element都会为其创建对应的RenderNode。RenderNode负责一个节点的显示信息,它形成的Render树维护着整个界面渲染需要用到的信息,包括位置、大小、绘制命令等。后续的布局、绘制都是在Render树上进行的。

⑤ 实现真正的渲染并显示绘制结果。

 

(2)按钮被点击后的显示流程(步骤⑥~⑪)

⑥ 点击事件传递到组件,组件的onClick事件方法被触发执行。

⑦ 由于onClick事件方法中@State注解过的变量改变了,相应getter/setter函数会被触发。

⑧ 状态管理模块定位出关联的UI组件。

⑨ 状态管理模块更新相应的Element树的信息。

⑩ 更新相应的UI组件的渲染信息。

⑪ 界面显示,与⑤类似。

 

整个渲染过程中所需的关键能力,除了极简的开发范式本身,主要包含以下三个部分:

  • 编译优化以及跨语言调用。结合目标文件中的类型信息标志,ArkCompiler会实现相应的代码优化。另外,ArkCompiler也提供了高效的JS/TS -> C++跨语言调用机制。
  • 扁平化渲染机制以及小对象组合机制。组件信息的结构在前后端有基本一致的表示,进一步减少了转换开销,实现了扁平化的渲染。同时,UI组件内部都是通过轻量化对象来按需组合,内存消耗也进一步降低。
  • 状态管理机制。通过监听变量的存取操作,实现数据变化的自动化感知并计算出相应的最小化UI组件更新范围,实现高效的UI变更。


除此之外,长列表渲染是一种典型的应用场景,里面可能会涉及到大量的数据,如果处理不当,会引起极大影响性能以及资源占用。ArkUI 3.0针对这类常用的场景,提供了一种LazyForEach懒加载机制,会自动根据具体情况计算出合适的渲染数据,实现数据的按需加载,从而提升UI刷新效率。LazyForEach可以结合常用的列表类组件(比如List、Grid等)灵活配合使用。

 

3. 高级UI组件库

 

高级的UI组件库可以进一步助力高效的应用开发。HarmonyOS的欧洲研发团队基于ArkUI 3.0,构建了一些高阶组件示例,比如:常用的图表类组件、瀑布流布局组件等。开发者可以通过几行代码就可以实现复杂酷炫的UI效果,比如自适应的图片增删、行列变化,以及相应的酷炫动效效果。

 

示例如下:

图5 图表组件

图6 瀑布流布局组件

 

4. 多设备开发

 

除了UI开发套件,ArkUI 3.0围绕着多设备开发,还提供了多维度的方案,进一步简化开发:

(1)基础能力层:包括基础的分层参数配置(比如色彩、字号、圆角、间距等),栅格系统,原子化布局能力(比如拉伸、折行、隐藏等)。

(2)零部件组件层:包括多态控件,统一交互能力,以及在此基础上的组件组合。

(3)面向典型场景:提供分类的页面组合模板以及示例代码。

 

关于多设备开发,后面我们会有更详细的文章介绍,请大家持续关注。

 

5. 实时预览机制

 

整个开发流程中还有一个很重要的方面——预览能力,即可以在PC上通过IDE(集成开发环境)就可以实时看到应用的渲染效果,而无需通过具体设备来部署运行。预览的关键需求主要包括:

(1)一致性渲染:和目标设备一致的UI呈现效果。

(2)实时预览&双向预览:改动相应的代码,实时呈现出相应UI效果。另外,代码能够和UI双向联动,代码改动的同时UI也实时变更,UI改动的同时代码也相应地变更。

(3)多维度预览:页面级预览、组件级预览、多设备预览。

 

以上这些能力都需要UI编程框架具备相应的基础设施才能达成。ArkUI 3.0的预览器的整体架构如下图所示:

图7 ArkUI 3.0的预览器架构

 

ArkUI 3.0基于底层的画布通过自绘制实现了不同平台上一致化的渲染体验,并通过渲染侧的跨平台对接层完成了整体渲染效果。另外,ArkUI 3.0通过实时代码变化检测和增量编译机制,再配合前面所提到的高效渲染性能,实现了实时编写预览。

 

通过ArkUI 3.0的基础设施,结合IDE可视化工具(即预览器前端),就实现了上面的实时预览、双向预览等能力,进一步提升了开发者的开发效率。

 

四、结束语


总体而言,UI编程框架在应用开发中起了至关重要的作用。

 

目前,拥有全新开发范式的新一代的UI框架——ArkUI 3.0走出了坚实的第一步,并已开始支撑更多的关键应用。接下来,除了基础设施的持续完善,我们会重点支持生态扩展,主要包括高级UI能力的提升,比如三方地图,游戏的融合,以及Web能力增强等。同时,我们也会围绕跨设备、性能体验持续地创新。

 

欢迎广大的开发者加入进来,一起探索,一起改进,共建万物互联的应用生态!未来,有迹可循!

 

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