HDC技术分论坛：HarmonyOS新一代UI框架的全面解读

关注

原创 2023-04-20 16:29:29 1.9k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

第二章 OpenHarmony工程介绍 Ability译为能力，一个OpenHarmony应用包含N个能力（Ability），它们是系统调用应用的最小单元。应用程序开发其实本质上就是开发Ability。自己试试对应用进行拆分，你会发现它们具备很多小能力。把这些小能力组合起来就变成了一个应用。方舟开发框架（简称：ArkUI），是一套UI开发框架，提供开发者进行应用UI开发时所必需的能力。阅读详情

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：