HDC技術分論壇：HarmonyOS新一代UI框架的全面解讀
作者：yuzhiqiang，UI編程框架首席技術專家
在Harmony 3.0.0開發者預覽版中，包含了新一代的聲明式UI框架ArkUI 3.0、多語言跨平台編譯器ArkCompiler 3.0、跨端開發工具DevEco Studio3.0，以及基於TS/JS語言的API 7，全面提升開發者體驗。
本期，我們要為大家重點介紹HarmonyOS新一代聲明式UI框架ArkUI 3.0。
一、UI編程框架
在介紹ArkUI 3.0之前，我們先來簡要了解一下什麼是UI編程框架。
UI編程框架，是為應用開發者提供的開發UI的基礎設施，主要包括UI控制項（按鈕/列表等），視圖布局（擺放/排列相應的UI控制項），動畫機制（動畫設計以及效果呈現），交互事件處理（點擊/滑動等），以及相應的程式語言和編程模型等。從系統運行的維度來看，UI編程框架也包括一個運行時，負責應用在系統中執行時所需的資源載入、UI渲染和事件響應等。
總體而言，UI編程框架提供了開發以及運行UI介面所需要的框架能力，主要架構如下圖所示：
圖1 UI編程框架
- 開發模型：對開發者提供開發範式、UI控制項/布局/動效/交互、程式語言等。它體現的是開發效率與難易程度。
- 運行框架：UI介面渲染及交互的基礎能力框架，包括相應的布局引擎、控制項機制、動效引擎、事件機制、渲染管線等，並結合語言虛擬機和圖形引擎，將開發者的程式運行在具體系統平台上。它體現的是應用運行的性能體驗。
- 平台適配：承載框架的具體作業系統或平台適配層。
UI編程框架的關鍵需求，主要有以下兩類：
- 開發效率：包括程式碼量、學習曲線、工具、社區、三方庫完備度等。
- 性能體驗：包括啟動速度、幀率、響應時延、酷炫效果、資源佔用等。
另外，隨著智慧設備的急劇增長，UI編程框架還需要考慮如何更好地適配不同設備的差異性，包括設備形態差異（比如螢幕形狀、尺寸、解析度、交互模式等），以及設備能力差異（比如記憶體、CPU、GPU等）。
二、ArkUI框架的演進
為了更好地滿足開發效率和性能體驗等相關的需求， ArkUI 3.0綜合考慮了UI渲染以及語言和運行時，圍繞著極簡開發、高性能、跨設備跨平台進一步演進。下圖描述了ArkUI整體架構的演進：
圖2 ArkUI框架演進
圖的左側是2020年發布的JS UI框架的架構示意圖。它主要支援類Web的前端開發範式，通過DSL（domain-specific language，領域特定語言）轉換層，跨語言對接到聲明式UI後端引擎，並結合JS引擎完成整體UI渲染。
圖的右側是新的ArkUI 3.0框架，主要有以下幾個關鍵的變化：
（1）引入了新一代的聲明式UI開發範式，實現極簡的UI描述語法。
（2）設計了統一的前後端扁平化渲染機制，進一步提升UI渲染的性能並降低記憶體消耗。
（3）深度結合ArkCompiler 3.0的方舟編譯器和方舟運行時，提升語言的執行性能和跨語言通訊能力。
（4）在工具方面，針對新一代的聲明式UI開發範式構建了新的編譯工具鏈和預覽引擎，提供了所見即所得的實時預覽機制。
另外，在ArkUI 3.0框架中，類Web範式會繼續保留，即類Web範式和新一代的聲明式UI範式都可以支援，可以各自獨立使用，但不能混用。
三、ArkUI 3.0的關鍵特性
接下來我們展開詳細介紹一下ArkUI 3.0的關鍵特性。
1. 新一代的聲明式UI開發範式
具體而言，ArkUI 3.0中的新一代聲明式UI開發範式，主要特徵如下：
（1）基於TypeScript擴展的聲明式UI描述語法，提供了類自然語言的UI描述和組合。
（2）開箱即用的多態組件。多態是指UI描述是統一的，UI呈現在不同類型設備上會有所不同。比如Button組件在手機和手錶會有不同的樣式和交互方式。
（3）多維度的狀態管理機制，支援靈活的數據驅動的UI變更。
下面我們以一個具體的示例來說明新一代聲明式UI開發範式的基本組成。如圖3所示的程式碼示例，UI介面會顯示一個「Hello World」的文本和一個「Click me」按鈕。當用戶點擊「Click me」按鈕時，字元串變數myText的值會從「World」變為「ACE」，文本最終顯示為「Hello ACE」。
圖3 聲明式UI開發範式的基本概念
以上示例中所包含的，聲明式UI開發範式的基本組成說明如下：
- 裝飾器：用來裝飾類、結構體、方法以及變數，賦予其特殊的含義，如上述示例中@Entry、@Component、@State都是裝飾器。@Component表示這是個自定義組件；@Entry則表示這是個入口組件；@State表示組件中的狀態變數，這個狀態變化會引起UI變更。
- 自定義組件：可復用的UI單元，可組合其它組件，如上述被@Component裝飾的struct Hello。
- UI描述：聲明式的方式來描述UI的結構，如上述build()方法內部的程式碼塊。
- 內置組件：框架中默認內置的基礎和布局組件，可直接被開發者調用，比如示例中的Column、Text、Divider、Button。
- 事件方法：用於添加組件對事件的響應邏輯，統一通過事件方法進行設置，如跟隨在Button後面的onClick()。
- 屬性方法：用於組件屬性的配置，統一通過屬性方法進行設置，如fontSize()、width()、height()、color()等，可通過鏈式調用的方式設置多項屬性。
上述示例中，用@State裝飾過的變數myText，包含了一個基礎的狀態管理機制，即myText的值的變化，會引起相應的UI變更（Text組件）。ArkUI 3.0還提供多維度的狀態管理機制。和UI相關聯的數據，不僅僅在組件內使用，還可以在不同組件層級間傳遞，比如父子組件之間，爺孫組件之間，也可以是全局範圍內的傳遞，還可以是跨設備傳遞。另外，從數據的傳遞形式來看，可以分為只讀的單向傳遞和可變更的雙向傳遞。開發者可以靈活的利用這些能力來實現數據和UI的聯動。
ArkUI採用嵌入式領域特定語言（embedded Domain Specific Language， eDSL）的形式，結合宿主語言能力實現UI開發。通過eDSL，結合語法糖或者語言原生的元編程能力，設計了統一的UI開發範式，並能夠結合不同語言來實現應用的邏輯處理部分。
2. 關鍵渲染性能
下面通過一個簡單的示例程式碼，為大家講述從程式碼到UI顯示的整體渲染流程。如圖4所示，此示例會在UI介面顯示一個「Click me」按鈕，按鈕下面同步顯示按鈕的點擊次數。當用戶點擊按鈕時，下面的點擊次數會相應增加。
圖4 整體渲染流程
整個渲染過程分為兩個階段：
（1）初始顯示流程（步驟①~⑤）
① 源程式碼通過相應的工具鏈，編譯為帶有類型標誌的目標文件，同時也包含了如何創建UI結構資訊的指令流。
② 通過跨語言調用並生成了C++層Component樹（UI描述層）。
③ 通過Component樹進一步生成Element樹。Element是Component的實例，表示一個具體的組件節點，它形成的Element樹負責維持介面在整個運行時的樹形結構，方便計算更新時的局部更新演算法等。
④ 對於每個可顯示的Element都會為其創建對應的RenderNode。RenderNode負責一個節點的顯示資訊，它形成的Render樹維護著整個介面渲染需要用到的資訊，包括位置、大小、繪製命令等。後續的布局、繪製都是在Render樹上進行的。
⑤ 實現真正的渲染並顯示繪製結果。
（2）按鈕被點擊後的顯示流程（步驟⑥~⑪）
⑥ 點擊事件傳遞到組件，組件的onClick事件方法被觸發執行。
⑦ 由於onClick事件方法中@State註解過的變數改變了，相應getter/setter函數會被觸發。
⑧ 狀態管理模組定位出關聯的UI組件。
⑨ 狀態管理模組更新相應的Element樹的資訊。
⑩ 更新相應的UI組件的渲染資訊。
⑪ 介面顯示，與⑤類似。
整個渲染過程中所需的關鍵能力，除了極簡的開發範式本身，主要包含以下三個部分：
- 編譯優化以及跨語言調用。結合目標文件中的類型資訊標誌，ArkCompiler會實現相應的程式碼優化。另外，ArkCompiler也提供了高效的JS/TS -> C++跨語言調用機制。
- 扁平化渲染機制以及小對象組合機制。組件資訊的結構在前後端有基本一致的表示，進一步減少了轉換開銷，實現了扁平化的渲染。同時，UI組件內部都是通過輕量化對象來按需組合，記憶體消耗也進一步降低。
- 狀態管理機制。通過監聽變數的存取操作，實現數據變化的自動化感知並計算出相應的最小化UI組件更新範圍，實現高效的UI變更。
除此之外，長列表渲染是一種典型的應用場景，裡面可能會涉及到大量的數據，如果處理不當，會引起極大影響性能以及資源佔用。ArkUI 3.0針對這類常用的場景，提供了一種LazyForEach懶載入機制，會自動根據具體情況計算出合適的渲染數據，實現數據的按需載入，從而提升UI刷新效率。LazyForEach可以結合常用的列表類組件（比如List、Grid等）靈活配合使用。
3. 高級UI組件庫
高級的UI組件庫可以進一步助力高效的應用開發。HarmonyOS的歐洲研發團隊基於ArkUI 3.0，構建了一些高階組件示例，比如：常用的圖表類組件、瀑布流布局組件等。開發者可以通過幾行程式碼就可以實現複雜酷炫的UI效果，比如自適應的圖片增刪、行列變化，以及相應的酷炫動效效果。
示例如下：
圖5 圖表組件
圖6 瀑布流布局組件
4. 多設備開發
除了UI開發套件，ArkUI 3.0圍繞著多設備開發，還提供了多維度的方案，進一步簡化開發：
（1）基礎能力層：包括基礎的分層參數配置（比如色彩、字型大小、圓角、間距等），柵格系統，原子化布局能力（比如拉伸、折行、隱藏等）。
（2）零部件組件層：包括多態控制項，統一交互能力，以及在此基礎上的組件組合。
（3）面向典型場景：提供分類的頁面組合模板以及示例程式碼。
關於多設備開發，後面我們會有更詳細的文章介紹，請大家持續關注。
5. 實時預覽機制
整個開發流程中還有一個很重要的方面——預覽能力，即可以在PC上通過IDE（集成開發環境）就可以實時看到應用的渲染效果，而無需通過具體設備來部署運行。預覽的關鍵需求主要包括：
（1）一致性渲染：和目標設備一致的UI呈現效果。
（2）實時預覽&雙向預覽：改動相應的程式碼，實時呈現出相應UI效果。另外，程式碼能夠和UI雙向聯動，程式碼改動的同時UI也實時變更，UI改動的同時程式碼也相應地變更。
（3）多維度預覽：頁面級預覽、組件級預覽、多設備預覽。
以上這些能力都需要UI編程框架具備相應的基礎設施才能達成。ArkUI 3.0的預覽器的整體架構如下圖所示：
圖7 ArkUI 3.0的預覽器架構
ArkUI 3.0基於底層的畫布通過自繪製實現了不同平台上一致化的渲染體驗，並通過渲染側的跨平台對接層完成了整體渲染效果。另外，ArkUI 3.0通過實時程式碼變化檢測和增量編譯機制，再配合前面所提到的高效渲染性能，實現了實時編寫預覽。
通過ArkUI 3.0的基礎設施，結合IDE可視化工具（即預覽器前端），就實現了上面的實時預覽、雙向預覽等能力，進一步提升了開發者的開發效率。
四、結束語
總體而言，UI編程框架在應用開發中起了至關重要的作用。
目前，擁有全新開發範式的新一代的UI框架——ArkUI 3.0走出了堅實的第一步，並已開始支撐更多的關鍵應用。接下來，除了基礎設施的持續完善，我們會重點支援生態擴展，主要包括高級UI能力的提升，比如三方地圖，遊戲的融合，以及Web能力增強等。同時，我們也會圍繞跨設備、性能體驗持續地創新。
歡迎廣大的開發者加入進來，一起探索，一起改進，共建萬物互聯的應用生態！未來，有跡可循！
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