Flutter动画的实现原理浅析

Flutter 动画

本文主要介绍 Flutter 动画相关的内容，对相关的知识点进行了梳理，并从实际例子出发，进一步分析了动画是如果实现的。

一个简单的动画效果

这是一个简单的 Flutter Logo 动画

代码如下

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 对象的值改变了
        });
      });
    controller.forward();
  }
  Widget build(BuildContext context) {

        // ....
        height: animation.value,
        width: animation.value,
        // ....
  }

这部分源码表示的就是在 2 秒内将 logo 图片从 0x0 绘制为 300x300 大小的动画。 类 _LogoAppState 是一个 StatusfulWidget的State，可以调用 setStatus() 方法进行更新 weight。 我们可以看到这个例子有两个成员变量 Animation<double> animation 和 AnimationController controller ， 这两个对象是动画能够运行的关键。

我们看到在 animation 变量的 addListener() 回调方法里面调用了 State 的重绘方法 setState() ， 而在 State 的 build() 方法里使用了 animation 对象的值作为 weight 的宽度和高度使用。 从这里我们能够推测出：animation 对象通过监听器注册将 animation 需要更新的变动通知给监听器， 而监听器又调用 setStatus() 方法让 widget 去重新绘制， 而在绘制时，widget 又将 animation 的 value 值当作新绘制图形的参数， 通过这样的机制不断地重绘这个 weight 实现了动画的效果。

Animation

Animation 是 Flutter 动画库中的核心类，它会插入指导动画生成的值。 Animation 对象知道一个动画当前的状态(例如开始、 停止、 播放、 回放)， 但它不知道屏幕上绘制的是什么， 因为 Animation 对象只是提供一个值表示当前需要展示的动画， UI 如何绘制出图形完全取决于 UI 自身如何在渲染和 build() 方法里处理这个值， 当然也可以不做处理。 Animation<double> 是一个比较常用的Animation类， 泛型也可以支持其它的类型，比如： Animation<Color> 或 Animation<Size> 。  Animation 对象就是会在一段时间内依次生成一个区间之间值的类， 它的输出可以是线性的、曲线的、一个步进函数或者任何其他可以设计的映射 比如：CurvedAnimation。

AnimationController

AnimationController 是一个动画控制器， 它控制动画的播放状态， 如例子里面的: controller.forward() 就是控制动画"向前"播放。 所以构建 AnimationController 对象之后动画并没有立刻开始执行。 在默认情况下， AnimationController 会在给定的时间内线性地生成从 0.0 到 1.0 之间的数字。 AnimationController 是一种特殊的 Animation 对象了， 它父类其实是一个 Animation<double> ， 当硬件准备好需要一个新的帧的时候它就会产生一个新的值。 由于 AnimationController 派生自 Animation <double> ，因此可以在需要 Animation 对象的任何地方使用它。 但是 AnimationController 还有其他的方法来控制动画的播放， 例如前面提到的 .forward() 方法启动动画。

AnimationController 生成的数字(默认是从 0.0 到 1.0) 是和屏幕刷新有关， 前面也提到它会在硬件需要一个新帧的时候产生新值。 因为屏幕一般都是 60 帧/秒， 所以它也通常一秒内生成 60 个数字。 每个数字生成之后， 每个 Animation 对象都会调用绑定的监听器对象。

Tween

Tween 本身表示的就是一个 Animation 对象的取值范围， 只需要设置开始和结束的边界值(值也支持泛型)。 它唯一的工作就是定义输入范围到输出范围的映射， 输入一般是 AnimationController 给出的值 0.0~1.0。 看下面的例子， 我们就能知道 animation 的 value 是怎么样通过 AnimationController 生成的值映射到 Tween 定义的取值范围里面的。

1、 Tween.animation 通过传入 aniamtionController 获得一个_AnimatedEvaluation 类型的 animation 对象(基类为 Animation)， 并且将 aniamtionController 和 Tween 对象传入了 _AnimatedEvaluation 对象。

  animation = new Tween(begin: 0.0, end: 300.0).animate(controller)
    ...
  Animation<T> animate(Animation<double> parent) {
    return _AnimatedEvaluation<T>(parent, this);
  }

2、 animation.value 方法即是调用 _evaluatable.evaluate(parent) 方法， 而 _evaluatable 和 parent 分别为 Tween 对象和 AnimationController 对象。

  T get value => _evaluatable.evaluate(parent);
     ....
  class _AnimatedEvaluation<T> extends Animation<T> with AnimationWithParentMixin<double> {
     _AnimatedEvaluation(this.parent, this._evaluatable);
     ....

3、 这里的 animation 其实就是前面的 AnimationController 对象， transform 方法里面的 animation.value 则就是 AnimationController 线性生成的 0.0~1.0 直接的值。 在 lerp 方法里面我们可以看到这个 0.0~1.0 的值被映射到了 begin 和 end 范围内了。

  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;
  }

Flutter 的"时钟"

那么 Flutter 是怎么样让这个动画在规定时间不断地绘制的呢？

首先看 Widget 引入的 SingleTickerProviderStateMixin 类。SingleTickerProviderStateMixin 是以 with 关键字引入的， 这是 dart 语言的 mixin 特性， 可以理解成"继承"， 所以 widget 相当于是继承了SingleTickerProviderStateMixin。 所以在 AnimationController 对象的构造方法参数 vsync: this ， 我们看到了这个类的使用。 从 "vsync" 参数名意为"垂直帧同步"可以看出， 这个是绘制动画帧的"节奏器"。

  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);
  }

在 AnimationController 的构造方法中， SingleTickerProviderStateMixin 的父类 TickerProvider 会创建一个 Ticker， 并将_tick(TickerCallback 类型)回调方法绑定到了 这个 Ticker， 这样 AnimationController 就将回调方法 _tick 和 Ticker 绑定了。

@protected
void scheduleTick({ bool rescheduling = false }) {
    assert(!scheduled);
    assert(shouldScheduleTick);
    _animationId = SchedulerBinding.instance.scheduleFrameCallback(_tick, rescheduling: rescheduling);
}

而 Ticker 会在 start 函数内将_tick 被绑定到 SchedulerBinding 的帧回调方法内。 返回的_animationId 是 SchedulerBinding 给定的下一个动作回调的 ID， 可以根据_animationId 来取消 SchedulerBinding 上绑定的回调。

SchedulerBinding 则是在构造方法中将自己的 _handleBeginFrame 函数和 window 的 onBeginFrame 绑定了回调。 这个回调会在屏幕需要准备显示帧之前回调。

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();
  }

在 AnimationController 的回调当中， 会有一个 Simulation 根据动画运行了的时间(elapsed) 来计算当前的的_value 值， 而且这个值还需要处于 Animation 设置的区间之内。 除了计算_value 值之外， 该方法还会更新 Animation Status 的状态， 判断是否动画已经结束。 最后通过 notifyListeners 和_checkStatusChanged 方法通知给监听器 value 和 AnimationStatus 的变化。 监听 AnimationStatus 值的变化有一个专门的注册方法 addStatusListener。

通过监听 AnimationStatus， 在动画开始或者结束的时候反转动画， 就达到了动画循环播放的效果。

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

    ...

回顾一下这个动画绘制调用的顺序就是， window 调用 SchedulerBinding 的_handleBeginFrame 方法， SchedulerBinding 调用 Ticker 的_tick 方法， Ticker 调用 AnimationController 的_tick 的方法， AnimationContoller 通知监听器， 而监听器调用 widget 的 setStatus 方法来调用 build 更新， 最后 build 使用了 Animation 对象当前的值来绘制动画帧。

看到这里会有一个疑惑， 为什么监听器是注册在 Animation 上的， 监听通知反而由 AnimationController 发送？

还是看源码吧。

  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);
}

首先 Animation 对象是由 Tween 的 animate 方法生成的， 它传入了 AnimationController(Animation 的子类) 参数 作为 parent 参数， 然后我们发现返回的 _AnimatedEvaluation<T> 泛型对象 使用 mixin "继承" 了 AnimationWithParentMixin<double> ， 最后我们看到 Animation 作为 AnimationWithParentMixin 的"子类"实现的 addListener 方法其实是将监听器注册到 parent 对象上了， 也就是 AnimationController。

总结

本篇文章从简单的例子出发， 并且结合了源码， 分析了 Flutter 动画实现的原理。Flutter 以硬件设备刷新为驱动， 驱使 widget 依据给定的值生成新动画帧， 从而实现了动画效果。