打造你自己的動態化引擎

語言: CN / TW / HK
時間 2021-12-29 03:15:15

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背景

什麼是動態化

近年來，越來越多基於前端技術棧的動態化方案被引入到客户端開發中，大家有沒有想過平時開發寫代碼時，使用的客户端技術棧和前端技術棧有什麼不同呢？

簡單來説，無論是Android還是iOS應用，在發佈之前，都要經歷源碼編寫、打包編譯、發佈應用商店、用户升級安裝等過程。首先，編譯速度會隨着應用規模成正比增加，對於規模較大的應用，有時我們僅僅是修改一個控件的顏色，卻要等待幾分鐘來驗證結果，開發效率是非常低下的；其次，發佈應用商店、用户升級安裝，會極大的拉長應用發佈週期，延遲產品效果的驗證；最後，開發一個相同功能，至少需要雙端各一個工程師，寫兩份代碼，人力成本++。

我們再看看前端開發流程：由於是使用JavaScript腳本語言開發，並不需要提前編譯，在瀏覽器中可以直接預覽效果；新版本發佈後，也可以直接觸達到瀏覽器，用户無需額外操作；最重要的是，對於一個相同功能，只需要開發一次，即可在幾乎所有操作系統的瀏覽器上運行。

瞭解了兩種開發模式後，我們會自然而然的想到，為什麼不能把前端技術棧的開發流程，引入到客户端中，讓客户端應用也擁有前端的動態性和跨端性呢？

其實業界早已有各種各樣的解決方案，大家應該多多少少聽説或者接觸過React Native、Weex、微信小程序等。甚至某些特定場景下，客户端功能已經完全使用前端技術進行開發了，比如需要動態下發的運營活動、需要快速試錯的產品功能、小程序類的應用內生態建設等。

動態化引擎是動態化方案中最核心的模塊，有了動態化引擎，才能使開發者編寫的JS應用運行在客户端中，實現UI和邏輯的動態化。

Hello Hybrid World

其實動態化沒有想象中的困難，只要瞭解了其中原理，每個同學都能從0到1打造一個動態化引擎。更進一步，我們甚至可以用自己實現的動態化引擎，為它編寫一個如下的JS應用：

1 (1).jpg

從應用開發者的角度來看，要實現這樣一個界面，需要在JS代碼中創建縱向佈局、文本組件、圖片組件以及按鈕組件，且按鈕可以設置點擊事件。

這些就是我們動態化引擎需要支持的一部分能力，當然，還有更多底層的能力從開發者角度無法直觀感受，下一節會詳細介紹。

打造自己的動態化引擎Step by step

筆者是Android工程師，所以會使用Android及Java技術棧實現，iOS或其他端原理其實是類似的。

Step 1. 目標拆解

Question: 大家可以思考下，要實現一個基於前端技術棧的動態化引擎，都需要哪些模塊？

下圖展示了一個基礎的動態化引擎所需的模塊和組件：

從上到下依次是：

| 模塊 | 作用 | | --- | --- | | Business Code | JS應用的界面和邏輯代碼 | | JS Framework | 業務代碼之下的一層JS運行時封裝，提供了諸如生命週期回調、應用入口函數、VDom、Diff算法等基礎能力，直接與Native側進行通信 | | JS Engine | JS虛擬機，運行JS代碼的核心模塊，如V8、JavaScriptCore等 | | JS Bridge | JS和Native之間雙向通信的通道 | | ModuleManager | 通常是所有Native橋的集合，並提供橋的註冊、獲取等方法 | | RenderManager | 管理應用的渲染流程，比如解析JS Framework發來的VDom數據、渲染指令、構建Native側的Dom樹、View樹等 | | Debugging | 調試能力支持，主要是和CDP協議（Chrome DevTools Protocol）對接，可在Chrome DevTools上進行調試操作 | | Native Modules | Native側實現的橋，基本上是對Native API的二次封裝，供JS側調用 | | Native Components | Native側實現的控件，基本上是對Native View的二次封裝，供JS側調用 |

熟悉動態化引擎的重要模塊之後，我們就可以開始逐步實現啦。

Step 2. JS引擎

JS引擎是處理JavaScript腳本的虛擬機，是動態化的前提和基礎，有了它開發者才可以在客户端應用中運行JS代碼。

目前常見的JS引擎有V8和JavaScriptCore。

V8引擎是C++實現的，由於我們在Android中開發，所以需要使用J2V8。J2V8是V8引擎的Java封裝，提供了各種易用的接口。

J2V8：http://github.com/eclipsesource/J2V8

依賴

gradle dependencies { implementation 'com.eclipsesource.j2v8:j2v8:6.2.1@aar' }

創建V8引擎

java V8 runtime = V8.createV8Runtime();

Native執行JS腳本

執行一段JS邏輯：

java V8 runtime = V8.createV8Runtime(); int result = runtime.executeIntegerScript("var i = 0; i++; i"); System.out.println("result: " + result); // result: 1

Native執行JS方法

定義一個JS方法並執行：

java V8 runtime = V8.createV8Runtime(); runtime.executeVoidScript("function add(a, b) { return a + b }"); V8Array args = new V8Array(runtime).push(1).push(2); int result = runtime.executeIntegerFunction("add", args); System.out.println("result: " + result); // result: 3

封裝JS引擎

我們可以將引擎部分抽象成兩個模塊——JsBundle和JsContext。

JsBundle

JsBundle是JS應用的打包文件，包含了應用的所有源碼和資源，如本地圖片資源和應用信息清單。不過，我們只是實現一個簡單的動態化框架，暫時只包含JS源碼文件就OK，或者，直接把一個.js文件當作bundle也可以。

``` java public class JsBundle {

private String mAppJavaScript;

public String getAppJavaScript() {
    return mAppJavaScript;
}

public void setAppJavaScript(String appJavaScript) {
    this.mAppJavaScript = appJavaScript;
}

} ```

mAppJavaScript就是應用的JS代碼。

JsContext

JsContext是對V8引擎的二次封裝，用來描述一個JS引擎如何初始化和執行應用JS代碼：

``` java public class JsContext {

private V8 mEngine;

public JsContext() {
    init();
}

private void init() {
    mEngine = V8.createV8Runtime();
}

public V8 getEngine() {
    return mEngine;
}

public void runApplication(JsBundle jsBundle) {
    mEngine.executeStringScript(jsBundle.getAppJavaScript());
}

} ```

理論上來説，當我們運行下面代碼時，一個JS引擎就啟動起來了，並可以執行任意和Native無關的JS代碼了：

``` java JsBundle jsBundle = new JsBundle(); jsBundle.setAppJavaScript("var a = 1");

JsContext jsContext = new JsContext(); jsContext.runApplication(jsBundle); ```

Tips: 如果想使用Native的能力，還需要在引擎初始化之前，注入所謂的橋，用來完成JS到Native的通信

Step 3. 雙向通信——JS Bridge

上節中我們已經知道如何創建一個V8引擎並執行JS腳本了。但是想做到JS調用原生系統的能力、原生系統通知JS有事件發生，則需要一種通信機制，也就是我們常説的橋——JS Brdige。

JS Bridge作為一種雙向通信機制，保證了JS代碼可以使用原生系統能力（如拍照、訪問網絡、獲取設備信息等）；同時當原生系統有消息或事件發生時，也可以通知到JS側（如陀螺儀監聽、推送消息觸達、用户點擊事件等）。

JS執行Native方法

V8引擎提供了向JS注入Native方法的能力，比如前端中最常見的console.info函數，我們可以這樣實現：

java V8 runtime = V8.createV8Runtime(); V8Object console = new V8Object(runtime); console.registerJavaMethod((v8Object, params) -> { String msg = params.getString(0); Log.i(TAG, msg); return null; }, "info"); runtime.add("console", console);

javascript console.info("print some messages!")

然後在adb logcat中我們就會看到這樣一條日誌打出來。

Native執行JS函數

直接執行executeScript，調用一個已經定義好的JS函數：

javascript function sayHello() { return "Hello Hybrid World!" }

java V8 runtime = V8.createV8Runtime(); String result = runtime.executeStringScript("sayHello()"); // Hello Hybrid World!

JS可以傳遞一個V8Function到Native，比如實現一個監聽經緯度變化的回調：

java V8 runtime = V8.createV8Runtime(); V8Object device = new V8Object(runtime); console.registerJavaMethod((v8Object, params) -> { V8Function listener = (V8Function) params.getObject(0); V8Array locations = new V8Array(runtime).push(116.1234567).push(46.1234567); listener.call(v8Object, locations); return null; }, "onLocationChanged"); runtime.add("$device", device);

javascript $device.onLocationChanged(listener: function (x, y) { console.info(x); }) // 116.1234567

構建JS Bridge

我們已經學會了如何利用V8引擎的能力實現JS-Native雙向通信，現在我們將這些行為和信息進行抽象，從而更方便的對橋進行管理和註冊。

可以用JsModule代表一個Native橋的能力：

``` java public abstract class JsModule {

public abstract String getName();

public abstract List<String> getFunctionNames();

public abstract Object execute(String functionName, V8Array params);

}

// console.info方法的抽象 public class ConsoleModule extends JsModule {

@Override
public String getName() {
    return "console";
}

@Override
public List<String> getFunctionNames() {
    List<String> functions = new ArrayList<>();
    functions.add("info");
    return functions;
}

@Override
public Object execute(String functionName, V8Array params) {
    switch (functionName) {
        case "info":
            Log.i("Javascript Console", params.getString(0));
            break;
    }
    return null;
}

} ```

使用ModuleManager來管理和註冊所有的JsModule：

```java public class ModuleManager {

private ModuleManager() {
}

private static class Holder {
    private static final ModuleManager INSTANCE = new ModuleManager();
}

public static ModuleManager getInstance() {
    return Holder.INSTANCE;
}

private final List<JsModule> mModuleList = new ArrayList<>();
private JsContext mJsContext;

public void init(JsContext jsContext) {
    mJsContext = jsContext;
    mModuleList.add(new UiModule());
    mModuleList.add(new ConsoleModule());
    registerModules();
}

private void registerModules() {
    for (JsModule module : mModuleList) {
        V8Object moduleObj = new V8Object(mJsContext.getEngine());
        for (String functionName : module.getFunctionNames()) {
            moduleObj.registerJavaMethod((v8Object, params) -> {
                return module.execute(functionName, params);
            }, functionName);
        }
        mJsContext.getEngine().add(module.getName(), moduleObj);
    }
}

} ```

至此，我們的動態化框架已經支持了JS調用Native能力，大家可以繼承JsModule，編寫任意所需要的橋，實現各種各樣的能力。

相比於上一節，現在JS應用的代碼可以包含Native相關的方法了，不再侷限於最原始的JS環境。

Step 4. 渲染引擎

到這一步，我們已經可以實現邏輯動態化了，理論上所有不需要用户交互的邏輯行為，都可以放到JS中執行。

但一個現代化的應用，除了有後台邏輯，更重要的一部分是直接面向用户的UI界面，這意味着用户對應用的第一印象，所以這一節我們來看看如何實現UI動態化。

UI Framework

Android開發者都很熟悉XML，我們會在其中定義靜態頁面結構，比如：

```xml

<TextView
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="wrap_content"
    android:layout_marginTop="16dp"
    android:gravity="center"
    android:text="Hello Hybrid World!"
    android:textSize="24sp" />

<ImageView
    android:layout_width="wrap_content"
    android:layout_height="wrap_content"
    android:layout_gravity="center"
    android:layout_marginTop="24dp"
    android:src="@drawable/ic_launcher_background" />

<Button
    android:layout_width="wrap_content"
    android:layout_height="wrap_content"
    android:layout_gravity="center"
    android:layout_marginTop="32dp"
    android:text="BUTTON" />

```

Question: 大家可以思考下XML為什麼能轉換成屏幕上的UI組件？

簡單來説：Android UI框架會讀取並解析XML文件，然後將其構建成一個一個View和ViewGroup，形成一棵頁面的View樹，最後交由系統自頂向下進行渲染，顯示到屏幕上。所以XML是Android UI框架的一種DSL，View系統是Android UI框架的一種渲染引擎。

我們瞭解了UI框架核心的兩點：1. 面向開發者的DSL；2. 面向操作系統的渲染引擎。

React Native、Weex等原生渲染的動態化框架，其實改變的是DSL這一層，只是開發者書寫UI的方式變了，但界面依然是構建成View樹進行渲染。

然而，像Flutter、Jetpack Compose等UI框架，不僅改變了DSL，也使用了完全不同的渲染引擎（基於skia），實現了在Android設備上的UI繪製。

UI動態化

要實現UI動態化，核心原理就是使構建頁面的DSL支持動態下發，渲染引擎支持動態解析和創建視圖組件即可。

最簡單的DSL，可以用JSON結構表示界面元素及佈局。比如文章開頭我們期望實現的界面，可以這樣描述：

javascript const hello = "Hello "; const title = hello + "Hybrid World!" $view.render({ rootView: { type: "verticalLayout", children: [ { "type": "text", "text": title, "textSize": 24, "marginTop": 16 }, { "type": "image", "width": 72, "height": 72, "marginTop": 80, "url": "" }, { "type": "button", "text": "點擊打印日誌", "marginTop": 80, "marginLeft": 40, "marginRight": 40, "onClick": function () { console.info("success!") } } ] } })

我們定義了一個$view.render方法，作為界面繪製的入口函數，當JS執行到這個方法時，就會開始渲染；在這之前，大家可以寫任意界面無關的邏輯。

Tips: React和Vue都是前端的UI框架，它們擁有直觀的的DSL語法、強大的VDom機制以及各種語法糖，可以讓開發者很輕鬆的編寫UI界面，這也是UI DSL的目標之一。筆者使用JSON作為UI DSL，因為其數據結構最常見、也容易理解，不需要額外的語法解析器就能實現，真正業界的UI DSL要比這個複雜得多😊

既然$view.render是一個Native橋，那麼就用上一節定義的JsModule來實現吧：

```java public class UiModule extends JsModule { @Override public String getName() { return "$view"; }

@Override
public List<String> getFunctionNames() {
    List<String> functionNames = new ArrayList<>();
    functionNames.add("render");
    return functionNames;
}

@Override
public Object execute(String functionName, V8Array params) {
    switch (functionName) {
        case "render":
            V8Object param1 = params.getObject(0);
            V8Object rootViewObj = param1.getObject("rootView");
            RenderManager.getInstance().render(rootViewObj);
            break;
    }
    return null;
}

} ```

$view.render方法傳進來的是一個對象，其中rootView字段表明這個界面的根佈局；一般來説，一個界面只能有一個根節點，根節點下面會有很多子節點，最終形成一個樹狀結構。

rootView節點下有type字段，表示它是一個verticalLayout類型，即縱向佈局；以及children字段，表明了其子節點都有哪些。

children數組中的第一個子節點，是type為text的文本組件，它也有很多屬性，如文字大小、間距等；類似的，剩下的子節點分別是image圖片組件和button按鈕組件，也同樣有各自的屬性。

DomElement

JS傳遞過來的對象，會以V8Object的形式承載，不方便直接進行操作，我們可以將JS傳遞過來的V8Object抽象成DomElement，表示一個節點元素的屬性信息，也方便之後Native View使用這些屬性。

DomElement是數據類，直接對應JS側傳遞過來的視圖節點信息。

```java // 視圖元素可以有公用的屬性 public class DomElement {

public String type;
public int marginTop;
public int marginBottom;
public int marginLeft;
public int marginRight;
public V8Function onClick;

public void parse(V8Object v8Object) {
    for (String key : v8Object.getKeys()) {
        switch (key) {
            case "type":
                this.type = v8Object.getString("type");
                break;
            case "marginTop":
                this.marginTop = v8Object.getInteger("marginTop");
                break;
            case "marginBottom":
                this.marginBottom = v8Object.getInteger("marginBottom");
                break;
            case "marginLeft":
                this.marginLeft = v8Object.getInteger("marginLeft");
                break;
            case "marginRight":
                this.marginRight = v8Object.getInteger("marginRight");
                break;
            case "onClick":
                this.onClick = (V8Function) v8Object.get("onClick");
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}

}

// 每個具體的視圖元素也可以有自己獨有的屬性 public class DomText extends DomElement { public String text; public int textSize; public String textColor;

@Override
public void parse(V8Object v8Object) {
    super.parse(v8Object);
    for (String key : v8Object.getKeys()) {
        switch (key) {
            case "text":
                this.text = v8Object.getString("text");
                break;
            case "textSize":
                 int textSize = v8Object.getInteger("textSize");
                if (textSize == 0) {
                    textSize = 16;
                }
                this.textSize = textSize;
                break;
            case "textColor":
                String textColor = v8Object.getString("textColor");
                if (TextUtils.isEmpty(textColor)) {
                    textColor = "#000000";
                }
                this.textColor = textColor;
                break;
        }
    }
}

} ```

Question: 大家可以嘗試編寫剩下所需要的DomElement。如：DomButton、DomVerticalLayout等

我們還需要一個DomFactory，使用工廠模式來創建不同類型的DomElement：

```java public class DomFactory {

public static DomElement create(V8Object rootV8Obj) {
    String type = rootV8Obj.getString("type");
    switch (type) {
        case "text":
            DomText domText = new DomText();
            domText.parse(rootV8Obj);
            return domText;
        case "image":
            DomImage domImage = new DomImage();
            domImage.parse(rootV8Obj);
            return domImage;
        case "button":
            DomButton domButton = new DomButton();
            domButton.parse(rootV8Obj);
            return domButton;
        case "verticalLayout":
            DomVerticalLayout domVerticalLayout = new DomVerticalLayout();
            domVerticalLayout.parse(rootV8Obj);
            return domVerticalLayout;
    }
    return null;
}

} ```

Tips: 當然，工廠模式只是其中一種實現方式，大家可以有更多靈活的創建方法，比如利用註解記錄類型信息，反射生成對應的DomElement對象，好處是創建對象完全自動化了，當以後有幾十個UI控件時，不需要手動實例化。

然後就可以很容易的創建一顆JS側根佈局的DomElement樹：

java V8Object rootViewObj = ...; DomElement rootViewElement = DomFactory.create(rootViewObj);

JsView

我們已經可以在Native中隨意訪問節點元素數據了，目的是為了給即將被渲染出來的Native View使用，因為Native View需要知道自己應該如何展示、展示什麼文案、響應什麼點擊事件等等。

不過，直接在$view.render方法執行後實例化Native View、設置DomElement中的屬性、構建Native View樹，會使UiModule類過於臃腫，所以我們還需要一箇中間層抽象出Native View所對應的虛擬視圖——JsView。

JsView的作用是使元素節點更加內聚，只需要關注如何創建自己，JsView也和DomElement一樣會構建出一顆樹，用來表示界面結構；每個JsView都有createView方法，用來返回其真正對應的Native View實例：

```java public abstract class JsView {

protected D mDomElement;
protected V mNativeView;

public void setDomElement(DomElement domElement) {
    mDomElement = (D) domElement;
}

public abstract String getType();

public abstract V createViewInternal(Context context);

public V createView(Context context) {
    V view = createViewInternal(context);
    mNativeView = view;
    return view;
}

} ```

比如，文本組件需要繼承自JsView：

```java public class TextJsView extends JsView {

@Override
public String getType() {
    return "text";
}

@Override
public TextView createViewInternal(Context context) {
    TextView textView = new TextView(context);
    textView.setGravity(Gravity.CENTER);
    textView.setText(mDomElement.text);
    textView.setTextSize(mDomElement.textSize);
    textView.setTextColor(Color.parseColor(mDomElement.textColor));
    return textView;
}

} ```

Question: 大家可以嘗試編寫剩下的JsView。如：ButtonJsView、VerticalLayoutJsView等。
同樣的，我們仍然需要一個JsViewFactory來創建不同類型的JsView實例，如同DomElement一樣，這裏就不贅述了。

最後，我們可以使用RenderManager來管理DSL的解析、DomElement樹的創建、JsView樹的創建和Native View的渲染。同時，RenderManager也需要一個Native View容器，來承載JS渲染出來的根佈局：

```java public class RenderManager {

private RenderManager() {
}

private static class Holder {
    private static final RenderManager INSTANCE = new RenderManager();
}

public static RenderManager getInstance() {
    return Holder.INSTANCE;
}

private Context mContext;
private ViewGroup mContainerView;

public void init(Context context, ViewGroup containerView) {
    mContext = context;
    mContainerView = containerView;
}

public void render(V8Object rootViewObj) { DomElement rootDomElement = DomFactory.create(rootViewObj); JsView rootJsView = JsViewFactory.create(rootDomElement); if (rootJsView != null) { View rootView = rootJsView.createView(mContext); mContainerView.addView(rootView); } } } ```

Step 5. 整合動態化引擎

目前為止，我們幾乎完成了動態化引擎所需要的所有模塊，現在只剩下把它組裝起來了。

我們期望Native在創建動態化引擎時，可以很方便的使用，所以可將整個動態化容器對外抽象成一個JsApplication：

```java public class JsApplication { private JsContext mJsContext;

public static JsApplication init(Context context, ViewGroup containerView) {
    JsApplication jsApplication = new JsApplication();
    JsContext jsContext = new JsContext();
    jsApplication.mJsContext = jsContext;
    RenderManager.getInstance().init(context, containerView);
    ModuleManager.getInstance().init(jsContext);
    return jsApplication;
}

public void run(JsBundle jsBundle) {
    mJsContext.runApplication(jsBundle);
}

} ```

在MainActivity中，只需要初始化JsApplication並執行JsBundle即可：

```java FrameLayout containerView = findViewById(R.id.js_container_view);

JsBundle jsBundle = new JsBundle(); jsBundle.setAppJavaScript(JS_CODE);

JsApplication jsApplication = JsApplication.init(this, containerView); jsApplication.run(jsBundle); ```

一個基礎的動態化引擎已經完成了，沒想到實現起來如此簡單吧，只要我們理解了動態化引擎核心的原理和必要的模塊，最終的實現方法就多種多樣了，大家可以用自己熟悉、擅長的方式，改造這個引擎的各個模塊。

比如：將工廠模式創建JsView改造成註解自動實例化；或者將JSON DSL改造成類Vue的聲明式語法；再或者直接使用Lua替換JavaScript，替換應用開發語言。

下圖是使用VS Code編寫的JS應用，及實際運行在手機上的效果：

code (1).jpg

screen (1).jpg

三、總結

動態化引擎：http://github.com/kwai-ec/HybridDemo
筆者已將實現好的動態化引擎放到github上了，大家可以clone後按照自己的想法進行修改。

本文主要介紹了動態化引擎有哪些核心模塊，並將每個模塊的實現方法分步驟展開，希望大家能從手動實現的過程中，理解動態化引擎的原理，也瞭解前端技術棧和客户端的不同之處。

大家感興趣的話，可以再繼續完善這個動態化引擎，添加自己想要的能力，寫出更多有趣的JS應用～

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