Flutter 新一代图形渲染器 Impeller

Flutter在2022年的Roadmap中提出需要重新考虑着色器的使用方式，计划重写图像渲染后端。最近该渲染后端 Impeller（叶轮）初见端倪，本文将介绍 Impeller 解决的问题、目标、架构和渲染细节。

背景

Flutter在过去一年多时间解决了很多Jank问题，但着色器编译导致的Jank问题一直没有彻底解决。这里我们先了解下什么着色器编译Jank。Flutter底层使用了skia做为2D图形渲染库，而skia内部定义了一套SkSL（Skia shading language），SkSL 属于 GLSL 变体。在Flutter的光栅化阶段，当第一次使用着色器时Skia会根据绘图命令和设备参数生成 SkSL，然后再将 SkSL 转换为特定后端（GLSL、GLSL ES 或 Metal SL）着色器，并在设备上编译为着色器程序。而编译着色器可能花费几百毫秒，导致数十帧的丢失。定位着色器编译Jank问题可以查看trace信息是否有 GrGLProgramBuilder::finalize 调用。

Flutter为了解决该问题，在Flutter 1.20 版本中为GL后端实现了SkSL预热机制，支持离线收集应用程序中使用的 SkSL 着色器并保存为json文件，然后把该文件打包到应用程序中，最终用户首次打开应用程序时预编译 SkSL着色器，从而减少着色器编译 jank。随后，在 Flutter 2.5中支持了 iOS metal 着色器的预编译。

Flutter gallery应用预热前后，在Moto G4上从~90ms减少到~40ms，在iPhone 4s上从~300ms减少到~80ms，性能提升很明显。

在Flutter官方提供了SkSL着色器预热后，社区经常提到的一些高频问题收集如下：

Q1. 为什么不预编译用到的所有着色器？

为了获得最佳性能，Skia GPU backend在运行时会根据一些参数（如绘图命令，设备型号等）动态生成着色器。这些参数的组合会生成大量的着色器，无法在应用程序中预编译和内置。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

Q2. 不同设备上捕获的 SkSL shader 通用吗？

理论上，没有机制保证在一台设备上捕获的 SkSL shader 在其他设备上也有效。实际上，（有限的）测试表明 SkSL shader 能表现的较好，即使在iOS上捕获的 SkSL 应用到Android设备，或者模拟器上捕获的SkSL应用到真机上。

Q3. 为什么不创建一个超级着色器并仅编译一次？

这样的着色器会非常大，本质上是重新实现 Skia GPU 功能。大shader需要更长的编译时间，从而引入更多的 Jank。

但SkSL着色器预热也存在自身的缺点和局限性：

应用包体积变大
应用启动时间变长，因为需要预编译 SkSL shader
开发体验不友好
SkSL shader 的通用性无保证且不可预测

以下时间线列举了Flutter在解决Jank问题上的努力和进展：

对于着色器编译Jank问题，官方经过多次尝试依然无法彻底解决，因此在2022年的roadmap中请明确提出要重新考虑使用着色器的方式，计划重写图像渲染后端。在2022年计划在iOS上将 Flutter 迁移到新架构上，然后根据经验将该解决方案移植到其他平台上。最近，该图形渲染后端 impeller（叶轮）初见端倪，接下来让我们看看 impeller有什么独特之处。

Impeller架构

Impeller是为flutter量身定做的渲染器，目前处于早起原型阶段，仅实现了metal后端，支持iOS和Mac系统。工程方面，他依赖了 flutter fml 和 display list，并实现了display list dispatcher 接口，可以容易的替换skia。Impeller被flutter flow子系统所使用，因此得名。

Impeller核心目标：

可预测的性能：在编译时离线编译所有着色器，并根据着色器预先构建 pipeline state objects。
可检测：所有的图形资源（textures、buffers、pipeline state对象等）都被追踪和标记。动画可以被捕获并持久化到磁盘而不影响渲染性能。
可移植：没有与特定的渲染API相绑定，着色器编写一次并在需要时转换。
使用现代图形API：大量使用（但不依赖）现代图形API（如Metal和Vulkan）的特性。
有效利用并发性：可以在多线程上分发单帧工作负载。

impeller软件架构

impeller大致可以分为Compiler、Renderer，Entity、Aiks以及基础库Geomety和Base等几个模块。

Compiler: host端工具，包含着色器 Compiler 和 Reflector。Compiler用于把 GLSL 4.60 着色器源码离线编译为特定后端的着色器（如MSL）。Reflector 根据着色器离线生成 C++ shader bindings，以在运行时快速构建pipeline state objects (PSO)
Renderer: 用于创建buffer、从shader bindings生成pipeline state objects、设置RenderPass、管理uniform-buffers、细分曲面、执行渲染任务等
Entity: 用于构建2D渲染器，包含了着色器，shader bindings和pipeline state objects
Aiks: 封装 Entity 以提供类 Skia API，临时存在，便于对接到 flutter flow

Impeller着色器离线编译

impeller compiler模块是解决着色器编译Jank的关键所在。在编译阶段，首先把compiler相关源码编译为host工具impellerc binary。然后开始着色器的第一编译阶段，利用impellerc compiler 把//impeller/entity/shaders/目录下所有着色器源码（包括顶点着色器和片段着色）编译为着色器中间语言 SPIR-V。再开始着色的第二个编译阶段，把 SPIR-V 转换为特定后端的高级着色器语言（如Metal SL），随后（iOS上利用Metal Binary Archives）把特定后端的着色器源码（Metal着色器）编译为 shader library。同时，另外一条路径中利用impellerc reflector处理SPIR-V生成 C++ shader binding，用于在运行时快速创建pipeline state objecs（PSO）。Shader binding生成的头文件中包括了一些结构体（有适当的填充和对齐），使得可以将uniform data和vertex数据直接指定给着色器，而无需处理绑定和顶点描述符。最后把shader library和binding sources编译进flutter engine中。

这样所有着色器在离线时被编译为shader library，在运行时不需要执行任何编译操作，从而提升首帧渲染性能，也彻底解决了着色器编译带来的jank问题。

Shader Bindings

impeller中的着色器仅需要基于 GLSL 4.60 语法编写一次，编译时转换为特定后端的着色器和binding。比如 solid_fill.vert 顶点着色器经过离线编译后生成了solid_fill.vert.metal，solid_fill.vert.h和solid_fill.vert.mm文件。

solid_fill.vert：

uniform FrameInfo {    mat4 mvp;    vec4 color;} frame_info;
in vec2 vertices;
out vec4 color;
void main() {    gl_Position = frame_info.mvp * vec4(vertices, 0.0, 1.0);    color = frame_info.color;}

solid_fill.vert.metal：

using namespace metal;struct FrameInfo{    float4x4 mvp;    float4 color;};
struct solid_fill_vertex_main_out{    float4 color [[user(locn0)]];    float4 gl_Position [[position]];};
struct solid_fill_vertex_main_in{    float2 vertices [[attribute(0)]];};
vertex solid_fill_vertex_main_out solid_fill_vertex_main(    solid_fill_vertex_main_in in [[stage_in]],    constant FrameInfo& frame_info [[buffer(0)]]){    solid_fill_vertex_main_out out = {};    out.gl_Position = frame_info.mvp * float4(in.vertices, 0.0, 1.0);    out.color = frame_info.color;    return out;}

solid_fill.vert.h：

struct SolidFillVertexShader {  // ===========================================================================  // Stage Info ================================================================  // ===========================================================================  static constexpr std::string_view kLabel = "SolidFill";  static constexpr std::string_view kEntrypointName = "solid_fill_vertex_main";  static constexpr ShaderStage kShaderStage = ShaderStage::kVertex;  // ===========================================================================  // Struct Definitions ========================================================  // ===========================================================================
  struct PerVertexData {    Point vertices; // (offset 0, size 8)  }; // struct PerVertexData (size 8)
  struct FrameInfo {    Matrix mvp; // (offset 0, size 64)    Vector4 color; // (offset 64, size 16)    Padding<48> _PADDING_; // (offset 80, size 48)  }; // struct FrameInfo (size 128)
  // ===========================================================================  // Stage Uniform & Storage Buffers ===========================================  // ===========================================================================
  static constexpr auto kResourceFrameInfo = ShaderUniformSlot<FrameInfo> { // FrameInfo    "FrameInfo",     // name    0u, // binding  };
  // ===========================================================================  // Stage Inputs ==============================================================  // ===========================================================================
  static constexpr auto kInputVertices = ShaderStageIOSlot { // vertices    "vertices",             // name    0u,          // attribute location    0u,    // attribute set    0u,           // attribute binding    ShaderType::kFloat,     // type    32u,    // bit width of type    2u,     // vec size    1u       // number of columns  };
  static constexpr std::array<const ShaderStageIOSlot*, 1> kAllShaderStageInputs = {    &kInputVertices, // vertices  };
  // ===========================================================================  // Stage Outputs =============================================================  // ===========================================================================  static constexpr auto kOutputColor = ShaderStageIOSlot { // color    "color",             // name    0u,          // attribute location    0u,    // attribute set    0u,           // attribute binding    ShaderType::kFloat,     // type    32u,    // bit width of type    4u,     // vec size    1u       // number of columns  };  static constexpr std::array<const ShaderStageIOSlot*, 1> kAllShaderStageOutputs = {    &kOutputColor, // color  };
  // ===========================================================================  // Resource Binding Utilities ================================================  // ===========================================================================
  /// Bind uniform buffer for resource named FrameInfo.  static bool BindFrameInfo(Command& command, BufferView view) {    return command.BindResource(ShaderStage::kVertex, kResourceFrameInfo, std::move(view));  }

};  // struct SolidFillVertexShader

solid_fill.vert.mm 文件仅对相应结构体进行填充和对齐校验，无实际功能。

对于solid_fill.frag 同样的处理逻辑，生成了solid_fill.frag.metal，solid_fill.frag.h和solid_fill.frag.mm文件。

Shader binding文件包含了着色器所有描述信息，如入口点，输入/输出结构，以及对应的buffer slot。运行时根据shader binding可以快速生成为pipeline state objects。另外，bindings中输入/输出结构是有填充和对齐的，所以顶点和uniform数据可以直接内存映射。

Impeller渲染流程

impeller通过分别继承了IOSContext、IOSSurface和flow Surface，实现了IOSContextMetalImpeller、IOSSurfaceMetalImpeller和GPUSurfaceMetalImpeller结构对接到了flutter flow子系统中。在光栅化阶段，通过 DisplayListCanvasRecorder（继承自SkNoDrawCanvas并实现了所有SkCanvas的函数）合成 Layer Tree，把所有layer中的绘图命令转换为一个个的DLOps，并存储到DisplayList结构。DLOps中存储了绘图的所有数据信息，如常见的AnitiAliasOp，SetColorOp，DrawRectOp等，共有73种Ops。

如下为drawRect的DrawRectOp的结构：

struct DrawRectOp final : DLOp {    static const auto kType = DisplayListOpType::kDrawRect;
    explicit DrawRectOp(SkRect rect) : rect(rect) {}
    const SkRect rect;
    void dispatch(Dispatcher& dispatcher) const {        dispatcher.drawRect(rect);    }};

接下来进入impeller的渲染流程，使用DisplayListDispatcher执行DisplayList中所有Ops，在Op的dispatch()函数中调用DisplayListDispatcher的相应函数，把绘图信息转换为EntityPass结构。如果有saveLayer操作，则创建子EntityPass，形成EntityPass树形结构。同时把多个相关联的Ops转换为Entity存储到EntityPass中。每个Entity会对应一种Contents，表示一种绘图操作（如drawRect/clipPath等），共有11种Contents（参见第五小节附录impeller类图）。可见，DisplayList记录了细粒度的Op信息，结构扁平，无层次关系；转换为EntityPass后，对Ops进行了组装，根据savaLayer操作生成了有层次结构EntityPass tree，更便于后续的渲染。

随后，使用RenderPass从Root EntityPass开始遍历，把EntityPass中每个Entity转换为Command结构，即从Shader Bindings生成GPU Pipeline，把Polygon转换为顶点数据，设置片段着色器的颜色或纹理数据，再把顶点数据和颜色或纹理数据转换为GPU buffer设置到GPU Pipeline中。遍历完成所有的Entity Passes后，所有Command都存储到了RenderPass中。

然后，开始渲染指令编码阶段，根据MTLCommandBuffer生成MTLRenderCommandEncoder，遍历所有的Commands，把每个Command中的PipelineState，Vertext Buffer，Fragment Buffer设置MTLRenderCommandEncoder中，最后。结束编码并提交command buffer。

如下为Entity Passes的结构图：

Canvas#saveLayer()操作会创建子EntityPass，用于离屏渲染；常见的需要离屏渲染的操作有：alpha blending，gradient，gaussian blur和expensive clips
EntityPass包含一系列Entity，每个Entity是一个绘图操作，对应于Canvas#drawXXX()
每个Entity对应一个Contents，表示一种绘图类型，共11种Contents
每种Contents在渲染时生成对应的Command，包含了顶点数据、片段着色器数据和GPU rendering pipeline信息

GPU绘图过程顶点数据至关重要，需要根据绘制的形状生成顶点数据，再生成vertext buffer object（VBO）关联到渲染管线上，如下为impeller中对顶点的处理过程：

以Rect类型为例，在生成EntityPass阶段会把Rect转换为Path结构，然后在创建Command阶段利用Tessellator（曲面细分器）根据Path生成顶点数据，存储到主存HostBuffer上，并把offset和length保存为BufferView关联到顶点或片段着色器的PSO上。在Encode Commands阶段把整个HostBuffer上传到GPU buffer，把该次绘制的Vertext/Fragment Buffer、offset和length信息设置到对应的GPU pipeline上。

附录：Impeller类图

总结

以上我们介绍了impeller要解决的问题、他的目标、架构和渲染细节。目前该项目的现状如下：

impeller离线编译shader为shader library，可有效提升首帧性能，避免着色器编译带来的jank问题
目前仅实现了 Metal backend，支持iOS和Mac
支持了73种Ops，11种Contents
代码量 18774 行，目前仍依赖了一些Skia数据结构，如SkNoDrawCanvas，SkPaint，SkRect, SkPicture等
项目处于早期原型阶段，一些功能还不支持，如stroke、color filter、image filter、path effect、mask filter、gradient，以及drawArc、drawPoints、drawImage、drawShadow等等。issue #95434 中记录了进展和计划。
整体工作量较大，相当于重写了 Skia GPU功能

由此可见，flutter为了解决jank问题、提升渲染性能不惜重写图像渲染后端，决心可见一斑。期待impeller能使flutter的渲染性能更上一层楼。

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作者|谷鸣

编辑|橙子君