Flutter動畫實現原理淺析

銅板街科技發表於2019-05-16
Flutter動畫

Flutter 動畫

本文主要介紹 Flutter 動畫相關的內容，對相關的知識點進行了梳理，並從實際例子出發，進一步分析了動畫是如果實現的。

一個簡單的動畫效果

這是一個簡單的 Flutter Logo 動畫

程式碼如下

class _LogoAppState extends State<LogoApp> with SingleTickerProviderStateMixin {
  Animation<double> animation;
  AnimationController controller;

  initState() {
    super.initState();
    controller = new AnimationController(
        duration: const Duration(milliseconds: 2000), vsync: this);
    animation = new Tween(begin: 0.0, end: 300.0).animate(controller)
      ..addListener(() {
        setState(() {
          // Animation 物件的值改變了
        });
      });
    controller.forward();
  }
  Widget build(BuildContext context) {
  
        // ....
        height: animation.value,
        width: animation.value,
        // ....
  }
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這部分原始碼錶示的就是在 2 秒內將 logo 圖片從 0x0 繪製為 300x300 大小的動畫。 類 _LogoAppState 是一個 StatusfulWidget的State，可以呼叫 setStatus() 方法進行更新 weight。 我們可以看到這個例子有兩個成員變數 Animation<double> animation 和 AnimationController controller， 這兩個物件是動畫能夠執行的關鍵。

我們看到在 animation 變數的 addListener() 回撥方法裡面呼叫了 State 的重繪方法 setState() ， 而在 State 的 build() 方法裡使用了 animation 物件的值作為 weight 的寬度和高度使用。 從這裡我們能夠推測出：animation 物件通過監聽器註冊將 animation 需要更新的變動通知給監聽器， 而監聽器又呼叫 setStatus() 方法讓 widget 去重新繪製， 而在繪製時，widget 又將 animation 的 value 值當作新繪製圖形的引數， 通過這樣的機制不斷地重繪這個 weight 實現了動畫的效果。

Animation

Animation 是 Flutter 動畫庫中的核心類，它會插入指導動畫生成的值。 Animation 物件知道一個動畫當前的狀態(例如開始、 停止、 播放、 回放)， 但它不知道螢幕上繪製的是什麼， 因為 Animation 物件只是提供一個值表示當前需要展示的動畫， UI 如何繪製出圖形完全取決於 UI 自身如何在渲染和 build() 方法裡處理這個值， 當然也可以不做處理。 Animation<double> 是一個比較常用的Animation類， 泛型也可以支援其它的型別，比如： Animation<Color> 或 Animation<Size>。 Animation 物件就是會在一段時間內依次生成一個區間之間值的類， 它的輸出可以是線性的、曲線的、一個步進函式或者任何其他可以設計的對映 比如：CurvedAnimation。

AnimationController

AnimationController 是一個動畫控制器， 它控制動畫的播放狀態， 如例子裡面的: controller.forward() 就是控制動畫"向前"播放。 所以構建 AnimationController 物件之後動畫並沒有立刻開始執行。 在預設情況下， AnimationController 會在給定的時間內線性地生成從 0.0 到 1.0 之間的數字。 AnimationController 是一種特殊的 Animation 物件了， 它父類其實是一個 Animation<double>， 當硬體準備好需要一個新的幀的時候它就會產生一個新的值。 由於 AnimationController 派生自 Animation <double>，因此可以在需要 Animation 物件的任何地方使用它。 但是 AnimationController 還有其他的方法來控制動畫的播放， 例如前面提到的 .forward() 方法啟動動畫。

AnimationController 生成的數字(預設是從 0.0 到 1.0) 是和螢幕重新整理有關， 前面也提到它會在硬體需要一個新幀的時候產生新值。 因為螢幕一般都是 60 幀/秒， 所以它也通常一秒內生成 60 個數字。 每個數字生成之後， 每個 Animation 物件都會呼叫繫結的監聽器物件。

Tween

Tween 本身表示的就是一個 Animation 物件的取值範圍， 只需要設定開始和結束的邊界值(值也支援泛型)。 它唯一的工作就是定義輸入範圍到輸出範圍的對映， 輸入一般是 AnimationController 給出的值 0.0~1.0。 看下面的例子， 我們就能知道 animation 的 value 是怎麼樣通過 AnimationController 生成的值對映到 Tween 定義的取值範圍裡面的。

1、 Tween.animation 通過傳入 aniamtionController 獲得一個_AnimatedEvaluation 型別的 animation 物件(基類為 Animation)， 並且將 aniamtionController 和 Tween 物件傳入了 _AnimatedEvaluation 物件。

  animation = new Tween(begin: 0.0, end: 300.0).animate(controller)
    ...
  Animation<T> animate(Animation<double> parent) {
    return _AnimatedEvaluation<T>(parent, this);
  }
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2、 animation.value 方法即是呼叫 _evaluatable.evaluate(parent) 方法， 而 _evaluatable 和 parent 分別為 Tween 物件和 AnimationController 物件。

  T get value => _evaluatable.evaluate(parent);
     ....
  class _AnimatedEvaluation<T> extends Animation<T> with AnimationWithParentMixin<double> {
     _AnimatedEvaluation(this.parent, this._evaluatable);
     ....
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3、 這裡的 animation 其實就是前面的 AnimationController 物件， transform 方法裡面的 animation.value 則就是 AnimationController 線性生成的 0.0~1.0 直接的值。 在 lerp 方法裡面我們可以看到這個 0.0~1.0 的值被對映到了 begin 和 end 範圍內了。

  T evaluate(Animation<double> animation) => transform(animation.value);

    T transform(double t) {
    if (t == 0.0)
      return begin;
    if (t == 1.0)
      return end;
    return lerp(t);
  }

    T lerp(double t) {
    assert(begin != null);
    assert(end != null);
    return begin + (end - begin) * t;
  }
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Flutter 的"時鐘"

那麼 Flutter 是怎麼樣讓這個動畫在規定時間不斷地繪製的呢？

首先看 Widget 引入的 SingleTickerProviderStateMixin 類。SingleTickerProviderStateMixin 是以 with 關鍵字引入的， 這是 dart 語言的 mixin 特性， 可以理解成"繼承"， 所以 widget 相當於是繼承了SingleTickerProviderStateMixin。 所以在 AnimationController 物件的構造方法引數 vsync: this， 我們看到了這個類的使用。 從 "vsync" 引數名意為"垂直幀同步"可以看出， 這個是繪製動畫幀的"節奏器"。

  AnimationController({
    double value,
    this.duration,
    this.debugLabel,
    this.lowerBound = 0.0,
    this.upperBound = 1.0,
    this.animationBehavior = AnimationBehavior.normal,
    @required TickerProvider vsync,
  }) : assert(lowerBound != null),
       assert(upperBound != null),
       assert(upperBound >= lowerBound),
       assert(vsync != null),
       _direction = _AnimationDirection.forward {
    _ticker = vsync.createTicker(_tick);
    _internalSetValue(value ?? lowerBound);
  }
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在 AnimationController 的構造方法中， SingleTickerProviderStateMixin 的父類 TickerProvider 會建立一個 Ticker， 並將_tick(TickerCallback 型別)回撥方法繫結到了 這個 Ticker， 這樣 AnimationController 就將回撥方法 _tick 和 Ticker 繫結了。

@protected
void scheduleTick({ bool rescheduling = false }) {
	assert(!scheduled);
	assert(shouldScheduleTick);
	_animationId = SchedulerBinding.instance.scheduleFrameCallback(_tick, rescheduling: rescheduling);
}
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而 Ticker 會在 start 函式內將_tick 被繫結到 SchedulerBinding 的幀回撥方法內。 返回的_animationId 是 SchedulerBinding 給定的下一個動作回撥的 ID， 可以根據_animationId 來取消 SchedulerBinding 上繫結的回撥。

SchedulerBinding 則是在構造方法中將自己的 _handleBeginFrame 函式和 window 的 onBeginFrame 繫結了回撥。 這個回撥會在螢幕需要準備顯示幀之前回撥。

再回到 AnimationController 看它是如何控制 Animation 的值的。

   void _tick(Duration elapsed) {
    _lastElapsedDuration = elapsed;
    final double elapsedInSeconds = elapsed.inMicroseconds.toDouble() / Duration.microsecondsPerSecond;
    assert(elapsedInSeconds >= 0.0);
    _value = _simulation.x(elapsedInSeconds).clamp(lowerBound, upperBound);
    if (_simulation.isDone(elapsedInSeconds)) {
      _status = (_direction == _AnimationDirection.forward) ?
        AnimationStatus.completed :
        AnimationStatus.dismissed;
      stop(canceled: false);
    }
    notifyListeners();
    _checkStatusChanged();
  }
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在 AnimationController 的回撥當中， 會有一個 Simulation 根據動畫執行了的時間(elapsed) 來計算當前的的_value 值， 而且這個值還需要處於 Animation 設定的區間之內。 除了計算_value 值之外， 該方法還會更新 Animation Status 的狀態， 判斷是否動畫已經結束。 最後通過 notifyListeners 和_checkStatusChanged 方法通知給監聽器 value 和 AnimationStatus 的變化。 監聽 AnimationStatus 值的變化有一個專門的註冊方法 addStatusListener。

通過監聽 AnimationStatus， 在動畫開始或者結束的時候反轉動畫， 就達到了動畫迴圈播放的效果。

   ...
   animation.addStatusListener((status) {
      if (status == AnimationStatus.completed) {
        controller.reverse();
      } else if (status == AnimationStatus.dismissed) {
        controller.forward();
      }
    });
    controller.forward();

    ...
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回顧一下這個動畫繪製呼叫的順序就是， window 呼叫 SchedulerBinding 的_handleBeginFrame 方法， SchedulerBinding 呼叫 Ticker 的_tick 方法， Ticker 呼叫 AnimationController 的_tick 的方法， AnimationContoller 通知監聽器， 而監聽器呼叫 widget 的 setStatus 方法來呼叫 build 更新， 最後 build 使用了 Animation 物件當前的值來繪製動畫幀。

看到這裡會有一個疑惑， 為什麼監聽器是註冊在 Animation 上的， 監聽通知反而由 AnimationController 傳送？

還是看原始碼吧。

  Animation<T> animate(Animation<double> parent) {
    return _AnimatedEvaluation<T>(parent, this);
  }

class _AnimatedEvaluation<T> extends Animation<T> with AnimationWithParentMixin<double> {
  _AnimatedEvaluation(this.parent, this._evaluatable);
}

mixin AnimationWithParentMixin<T> {
  Animation<T> get parent;
  /// Listeners can be removed with [removeListener].
  void addListener(VoidCallback listener) => parent.addListener(listener);
}

複製程式碼

首先 Animation 物件是由 Tween 的 animate 方法生成的， 它傳入了 AnimationController(Animation 的子類) 引數 作為 parent 引數， 然後我們發現返回的 _AnimatedEvaluation<T> 泛型物件 使用 mixin "繼承" 了 AnimationWithParentMixin<double>， 最後我們看到 Animation 作為 AnimationWithParentMixin 的"子類"實現的 addListener 方法其實是將監聽器註冊到 parent 物件上了， 也就是 AnimationController。

總結

本篇文章從簡單的例子出發， 並且結合了原始碼， 分析了 Flutter 動畫實現的原理。Flutter 以硬體裝置重新整理為驅動， 驅使 widget 依據給定的值生成新動畫幀， 從而實現了動畫效果。

作者簡介

瑞恩，銅板街客戶端開發工程師，2017年11月加入團隊，目前主要負責APP端專案開發。

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