HarmonyOS學(xué)習(xí)之JS GUI技術(shù)棧

眾所周知，剛剛開(kāi)源的「鴻蒙 2.0」以 JavaScript 作為 IoT 應(yīng)用開(kāi)發(fā)的框架語(yǔ)言。這標(biāo)志著繼 SpaceX 上天之后，JavaScript 再一次蹭到了新聞聯(lián)播級(jí)的熱點(diǎn)。這么好的機(jī)會(huì)，只拿來(lái)陰陽(yáng)怪氣實(shí)在太可惜了。作為科普，這篇文章不會(huì)拿著放大鏡找出代碼中的槽點(diǎn)來(lái)吹毛求疵，而是希望通俗地講清楚它所支持的 GUI 到底是怎么一回事。只要對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)有個(gè)大概的了解，應(yīng)該就不會(huì)對(duì)本文有閱讀上的障礙。
我們已經(jīng)知道在「鴻蒙 2.0」上，開(kāi)發(fā)者只需編寫(xiě)形如 Vue 組件式的 JavaScript 業(yè)務(wù)邏輯，即可將其渲染為智能手表等嵌入式硬件上的 UI 界面。這個(gè)過(guò)程中需要涉及哪些核心的模塊呢？這些模塊中又有哪些屬于自研，哪些使用了現(xiàn)成的開(kāi)源項(xiàng)目呢？這里將其分為自上而下的三個(gè)抽象層來(lái)介紹：
JS 框架層，可理解為一個(gè)大幅簡(jiǎn)化的 Vue 式 JavaScript 框架
JS 引擎與運(yùn)行時(shí)層，可理解為一個(gè)大幅簡(jiǎn)化的 WebKit 式運(yùn)行時(shí)
圖形渲染層，可理解為一個(gè)大幅簡(jiǎn)化的 Skia 式圖形繪制庫(kù)
這三個(gè)抽象層，整體構(gòu)成了一套面向嵌入式硬件的 GUI 技術(shù)棧。不同于許多高呼「不明覺(jué)厲 / 深不可測(cè)」的輿論，個(gè)人認(rèn)為至少對(duì)于 GUI 部分，國(guó)內(nèi)凡是接觸過(guò)目前主流 Hybrid 式跨端方案或 JS 運(yùn)行時(shí)研發(fā)的一線開(kāi)發(fā)者，都很容易從源碼出發(fā)來(lái)理解它。下面逐層對(duì)其做一些解讀和分析。
JS 框架層
從最頂層的視角出發(fā)，要想用「鴻蒙 2.0」渲染出一段動(dòng)態(tài)的文本，你只需要編寫(xiě)如下的 HML（類 XML）格式代碼：
{{hello}}
然后在同級(jí)目錄編寫(xiě)這樣的 JavaScript：
// hello.js
export default {
data: {
hello: 'PPT'
},
boil() {
this.hello = '核武器';
這樣只要點(diǎn)擊文本，就會(huì)調(diào)用boil方法，讓PPT變成核武器。
這背后發(fā)生了什么呢？熟悉 Vue 2.0 的同學(xué)應(yīng)該會(huì)立刻聯(lián)想到下面這幾件事：
需要對(duì) XML 的預(yù)處理機(jī)制，將其轉(zhuǎn)換為 JS 中的嵌套函數(shù)結(jié)構(gòu)。這樣只需在運(yùn)行時(shí)做一次簡(jiǎn)單 eval ，即可用 JS 生成符合 XML 結(jié)構(gòu)的 UI。
需要事件機(jī)制，使得觸發(fā)onclick事件時(shí)能執(zhí)行相應(yīng)回調(diào)。
需要數(shù)據(jù)劫持機(jī)制，使得對(duì)this.hello賦值時(shí)能執(zhí)行相應(yīng)回調(diào)。
需要能在回調(diào)中更新 UI 對(duì)象控件。
這幾件事分別是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)是這樣的：
XML 預(yù)處理依賴現(xiàn)成的 NPM 開(kāi)源包，從而把 XML 中的onclick屬性轉(zhuǎn)換為 JS 對(duì)象的屬性字段。
事件的注冊(cè)和觸發(fā)都直接由 C++++ 實(shí)現(xiàn)。如上一步所獲得的 JS 對(duì)象onclick屬性會(huì)在 C++ 中被檢查和注冊(cè)，相當(dāng)于全部組件均為原生。
數(shù)據(jù)劫持機(jī)制用 JS 實(shí)現(xiàn)，是個(gè)基于Object.defineProperty的（幾百行量級(jí)的）ViewModel。
UI 控件的更新，會(huì)在 ViewModel 自動(dòng)執(zhí)行的 JS 回調(diào)中，調(diào)用 C++ 的原生方法實(shí)現(xiàn)。這部分完全隱式完成，并未開(kāi)放document.createElement式的標(biāo)準(zhǔn)化 API。
由于大量常見(jiàn) JS 框架中的能力都直接做進(jìn)了 C++，所以整套 GUI 技術(shù)棧里用純 JavaScript 所實(shí)現(xiàn)的東西（主要見(jiàn)ace_lite_jsfwk倉(cāng)庫(kù)下的core/index.js、observer.js和subject.js），相當(dāng)于有且只有這么一個(gè)功能：
一個(gè)可以 watch 的 ViewModel。
至于純 JS 框架部分的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和質(zhì)量，客觀地說(shuō)如果是個(gè)人業(yè)余作品，可以當(dāng)作校招面試中不錯(cuò)的加分項(xiàng)。
JS 引擎與運(yùn)行時(shí)層
理解了 JS 框架層之后，我們既可以認(rèn)為「鴻蒙 2.0」選擇把高度簡(jiǎn)化后的 Vue 深度定制進(jìn)了 C++ 里，也可以認(rèn)為它緊密圍繞著高度簡(jiǎn)化（且私有）的 DOM 實(shí)現(xiàn)了配套的前端框架。因此要想繼續(xù)探索這套 GUI 的原理，我們就必須進(jìn)入其 C++ 部分，了解其 JS 引擎與運(yùn)行時(shí)層的實(shí)現(xiàn)。
JS 引擎和運(yùn)行時(shí)之間，有什么區(qū)別與聯(lián)系呢？JS 引擎一般只需符合 ECMA-262 規(guī)范，其中沒(méi)有對(duì)任何帶「副作用」的平臺(tái) API 的定義。從setTimeout到document.getElementById到console.log再到fs.readFile，這些能執(zhí)行實(shí)際 IO 操作的功能，都需要由「將引擎 API 和平臺(tái) API 膠合到一起」的運(yùn)行時(shí)提供。運(yùn)行時(shí)本身的原理并不復(fù)雜，譬如在個(gè)人的文章《從 JS 引擎到 JS 運(yùn)行時(shí)》中，你就可以看到如何借助現(xiàn)成的 QuickJS 引擎，自己搭建一個(gè)運(yùn)行時(shí)。
那么在「鴻蒙 2.0」中，JS 運(yùn)行時(shí)是如何搭建出來(lái)的呢？有這么幾條重點(diǎn)：
JS 引擎選擇了 JerryScript，這是一款由三星開(kāi)發(fā)的嵌入式 JS 引擎。
每種形如和
除 UI 原生對(duì)象外，還有一系列在 JS 中以@system為前綴的 built-in 模塊，它們提供了 JS 中可用的 Router / Audio / File 等平臺(tái)能力（參見(jiàn)ohos_module_config.h）。
這里特別值得一提的是 Router。它和 vue-router 等常見(jiàn) Web 平臺(tái)路由的實(shí)現(xiàn)原理有很大區(qū)別，是專門在運(yùn)行時(shí)內(nèi)深度定制的（參見(jiàn)router_module.cpp、js_router.cpp和js_page_state_machine.cpp）。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)這個(gè)「路由」是這樣實(shí)現(xiàn)的：
在 JS 中調(diào)用切換頁(yè)面的router.replace原生方法，走進(jìn) C++。
在新?tīng)顟B(tài)機(jī)的 Init 過(guò)程中，調(diào)用 JS 引擎去 eval 新頁(yè)面的 JS 代碼，獲得新頁(yè)面的 ViewModel。
將路由參數(shù)附加到 ViewModel 上，銷毀舊狀態(tài)機(jī)及其上的 JS 對(duì)象。
所以我們可以發(fā)現(xiàn)，這里所謂的「切換路由」，其實(shí)更接近 Web 瀏覽器的「刷新頁(yè)面」。那么我們可以認(rèn)為這個(gè) JS 運(yùn)行時(shí)的能力，已經(jīng)可以對(duì)標(biāo) WebKit 級(jí)的瀏覽器內(nèi)核了嗎？
當(dāng)然還差得很遠(yuǎn)。與 WebKit 相比，它并未支持對(duì) HTML 和 CSS 的解析（二者都會(huì)在開(kāi)發(fā)階段被解析轉(zhuǎn)換成同等執(zhí)行效果的 JS），也沒(méi)有瀏覽器中持續(xù)動(dòng)態(tài)加載、解析與執(zhí)行資源的挑戰(zhàn)（小程序不外乎是幾個(gè)本地的靜態(tài) JS 文件）。至于排版布局和渲染方面自然也有很大差距，這點(diǎn)會(huì)在最后一節(jié)提及。
另外，相信很多同學(xué)都會(huì)對(duì) JerryScript 引擎感到好奇。本部分最后分享一些個(gè)人對(duì)此所掌握的消息。
JerryScript 引擎是一款專為嵌入式硬件實(shí)現(xiàn)的 JS 解釋器，只支持到 ES5.1 標(biāo)準(zhǔn)。在 QuickJS Benchmark 中，可以查看到它們的性能對(duì)比結(jié)果：

可以看到論性能，JerryScript 在無(wú) JIT 的引擎中大幅弱于 QuickJS 和 Hermes。如果和開(kāi)啟了 JIT 的 V8 相比，甚至?xí)鰞蓚€(gè)數(shù)量級(jí)。因此這是非常特定于低端設(shè)備的引擎，如果需要支持React 和 Vue 這類中大型前端項(xiàng)目中標(biāo)配的基礎(chǔ)庫(kù)（甚至其相應(yīng)全家桶），仍然可能需要使用更強(qiáng)大的引擎。
對(duì)于 JerryScript 的使用，有同場(chǎng)景重度應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的當(dāng)屬RT-Thread創(chuàng)始人
@午夜熊
，他們和某國(guó)內(nèi)一線廠商合作研發(fā)的智能手表就用 JerryScript 實(shí)現(xiàn)了 UI，目前產(chǎn)品馬上就要上市了。他們團(tuán)隊(duì)對(duì) JerryScript 的一些使用反饋也吻合上述評(píng)價(jià)，概括說(shuō)來(lái)是這樣的：
JerryScript 在體積和內(nèi)存占用上，相比 QuickJS 有更好的表現(xiàn)。
JerryScript 的穩(wěn)定性弱于 QuickJS，有一些難以繞過(guò)的問(wèn)題。
JerryScript 面對(duì)稍大（1M 以上）的 JS 代碼庫(kù)，就有些力不從心了。
那么師出名門的 QuickJS 和 Facebook 的 Hermes，是否就是無(wú) JIT 式 JS 引擎的下一代標(biāo)桿了嗎？倒也未必如此。這方面可以參考個(gè)人的知乎回答：隨著 TypeScript 繼續(xù)普及，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)直接跑 TypeScript 的運(yùn)行時(shí)？這里提到的微軟為教育項(xiàng)目 MakeCode 研發(fā)的 Static TypeScript，就相當(dāng)有潛力成為下一代的高性能 JS 系語(yǔ)言環(huán)境。通過(guò)限定 TypeScript 的靜態(tài)強(qiáng)類型子集并為其搭建工具鏈，STS 可以做到無(wú)需 JIT 也能接近 V8 的性能水平，同時(shí)內(nèi)存占用比 V8 少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得 STS 不光能用于開(kāi)發(fā)普通 app 這類 IO 密集的應(yīng)用，還能順利在嵌入式硬件上開(kāi)發(fā)小游戲這類更偏計(jì)算密集（需逐幀更新渲染）的應(yīng)用，在工程能力上是一項(xiàng)很大的突破。
所以說(shuō)，當(dāng)「鴻蒙 2.0」還需要熟練開(kāi)發(fā)者勉強(qiáng)搭建出環(huán)境跑通 Hello World 時(shí)，微軟已經(jīng)讓上百萬(wàn)小朋友都能用 TypeScript 在網(wǎng)頁(yè)里給教學(xué)用的掌上游戲機(jī)寫(xiě)小游戲入門編程了。這里沒(méi)什么唱反調(diào)的意思，只希望提醒一下我們?cè)跒閲?guó)產(chǎn)「里程碑」歡呼時(shí)，也要清醒地看到業(yè)界前沿的動(dòng)向，僅此而已。
圖形繪制層
理解 JS 運(yùn)行時(shí)之后，還剩最后一個(gè)問(wèn)題，即 JS 運(yùn)行時(shí)中的各種 Component 對(duì)象，是如何被繪制為手表等設(shè)備上的像素的呢？
這就涉及「鴻蒙 2.0」中的另一個(gè)graphic_lite倉(cāng)庫(kù)了?？梢哉J(rèn)為，這里才是真正執(zhí)行實(shí)際繪制的 GUI。像之前的TextComponent等原生組件，都會(huì)對(duì)應(yīng)到這里的某種圖形庫(kù) View。它以一種相當(dāng)經(jīng)典的方式，在 C++ 層實(shí)現(xiàn)并提供了「Canvas 風(fēng)格的立即模式 GUI」和「DOM 風(fēng)格的保留模式 GUI」兩套 API 體系（對(duì)于立即模式和保留模式 GUI 的區(qū)別與聯(lián)系，可參見(jiàn)個(gè)人這篇 IMGUI 科普回答）。概括說(shuō)來(lái)，這個(gè)圖形子系統(tǒng)的要點(diǎn)大致如下：
圖形庫(kù)提供了UIView這個(gè) C++ 控件基類，其中有一系列形如OnClick/OnLongPress/OnDrag的虛函數(shù)?；久糠N JS 中可用的原生 Component 類，都對(duì)應(yīng)于一種 UIView 的子類。
除了各種定制化 View 之外，它還開(kāi)放了一系列形如DrawLine/DrawCurve/DrawText等命令式的繪制方法。
這個(gè)圖形庫(kù)具備名為 GFX 的 GPU 加速模塊，但它目前似乎只有象征性的FillArea矩形單色填充能力。
在基礎(chǔ) UI 控件方面，不難找到一些值得一提的自研模塊特性：
支持了簡(jiǎn)易的 RecycleView 長(zhǎng)列表。
支持了簡(jiǎn)易的 Flex 布局。
支持了內(nèi)部的 Invalidate 臟標(biāo)記更新機(jī)制。
至于 2D UI 渲染中的幾項(xiàng)關(guān)鍵能力，則基本可分為路徑、位圖和文字三類。這個(gè)圖形庫(kù)在這幾個(gè)方面都有涉及，最后簡(jiǎn)單介紹一下。
首先對(duì)于位圖，這個(gè)圖形庫(kù)依賴了libpng和libjpeg做圖像解碼，然后即可使用內(nèi)存中的 bitmap 圖像做繪制。
然后對(duì)于路徑，這個(gè)圖形庫(kù)自己實(shí)現(xiàn)了各種 CPU 中的像素繪制方法，典型的例子就是這個(gè)貝塞爾曲線的繪制源碼：
void DrawCurve::DrawCubicBezier(const Point& start, const Point& control1, const Point& control2, const Point& end,
const Rect& mask, int16_t width, const ColorType& color, OpacityType opacity)
if (width == 0 || opacity == OPA_TRANSPARENT) {
return;
Point prePoint = start;
for (int16_t t = 1; t <= INTERPOLATION_RANGE; t++) {
Point point;
point.x = Interpolation::GetBezierInterpolation(t, start.x, control1.x, control2.x, end.x);
point.y = Interpolation::GetBezierInterpolation(t, start.y, control1.y, control2.y, end.y);
if (prePoint.x == point.x && prePoint.y == point.y) {
continue;
DrawLine::Draw(prePoint, point, mask, width, color, opacity);
prePoint = point;
基于高中的數(shù)學(xué)知識(shí)，我們不難明白這種曲線是如何繪制出來(lái)的：取足夠多的點(diǎn)（也就是那個(gè)默認(rèn) 1000 的INTERPOLATION_RANGE）作為插值輸入，逐點(diǎn)計(jì)算出曲線表達(dá)式的 XY 坐標(biāo)，然后直接修改像素位置所在的 framebuffer 內(nèi)存即可。這種教科書(shū)式的實(shí)現(xiàn)是最經(jīng)典的，不過(guò)如果要拿它對(duì)標(biāo) Skia 里的黑魔法，還是不要勉為其難了吧。
最后對(duì)于文字的繪制，會(huì)涉及一些字體解析、定位、RTL和折行等方面的處理。這部分實(shí)際上也是組合使用了一些業(yè)界通用的開(kāi)源基礎(chǔ)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。比如對(duì)于「牢」這個(gè)字，就可以找到圖形庫(kù)的這么幾個(gè)開(kāi)源依賴，它們各自扮演不同的角色：
harfbuzz- 用來(lái)告訴調(diào)用者，應(yīng)該把「牢」的 glyph 字形放在哪里。
freetype- 從宋體、黑體等字體文件中解碼出「牢」的 glyph 字形，將其光柵化為像素。
icu- 處理 Unicode 中許多奇葩的特殊情況，這塊個(gè)人不了解，略過(guò)。
到這里，我們就可以理出一個(gè)非常概括性的渲染流程了：
JS 中執(zhí)行this.hello = 'PPT'之類的代碼，觸發(fā)依賴追蹤。
JS 依賴追蹤回調(diào)觸發(fā)原生函數(shù)，更新 C++ 的 Component 組件狀態(tài)。
Component 更新其綁定的 UIView 子類狀態(tài)，觸發(fā)圖形庫(kù)更新。
圖形庫(kù)更新內(nèi)存中的像素狀態(tài)，完成繪制。
這就是個(gè)人對(duì)「鴻蒙 2.0」這套 GUI 技術(shù)棧的解讀了。時(shí)間有限并未進(jìn)一步深挖，歡迎（文明的）批評(píng)指正。
總結(jié)
特別聲明：本部分主觀評(píng)論僅針對(duì)「鴻蒙 2.0」當(dāng)前的 GUI 框架部分，請(qǐng)勿隨意曲解。
對(duì)于「鴻蒙 2.0」在 GUI 部分的亮點(diǎn)，個(gè)人能想到這些：
確實(shí)有務(wù)實(shí)（但和當(dāng)年 PPT 介紹完全兩碼事）的代碼。
不是 WebView 套殼，布局和繪制是自己做的。
無(wú)需超過(guò)大學(xué)本科水平的計(jì)算機(jī)知識(shí)，也能順利閱讀理解。
而至于明顯（不只是某幾行代碼寫(xiě)得丑）的缺失或問(wèn)題，目前看來(lái)則有這么一些：
JS 框架層
沒(méi)有基本的組件間通信（如 props / emit 等）能力
沒(méi)有基本的自定義組件能力
沒(méi)有除基礎(chǔ)依賴追蹤以外的狀態(tài)管理能力
JS 引擎與運(yùn)行時(shí)層
標(biāo)準(zhǔn)支持過(guò)低，無(wú)法運(yùn)行 Vue 3.0 這類需 Proxy 的下一代前端框架
性能水平弱，難以支持中大型 JS 應(yīng)用
沒(méi)有開(kāi)放 DOM 式的對(duì)象模型 API，不利于上層抹平差異
圖形渲染層
沒(méi)有實(shí)質(zhì)可用的 GPU 加速
沒(méi)有 SVG 和富文本等高級(jí)渲染能力
Canvas 完成度低，缺狀態(tài)棧和很多 API
看起來(lái)槽點(diǎn)很多，但是你會(huì)指責(zé)汽車沒(méi)有噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？對(duì)于不同復(fù)雜度的場(chǎng)景，自然存在著不同的最優(yōu)架構(gòu)設(shè)計(jì)。目前看來(lái)，這套設(shè)計(jì)確實(shí)很適合嵌入式硬件和簡(jiǎn)易「小程序」的場(chǎng)景。但如果按照所謂「分布式全場(chǎng)景跨平臺(tái)」的要求來(lái)審視，那么不管比起現(xiàn)代的 Web 瀏覽器還是 iOS 和安卓的 GUI，這套架構(gòu)的復(fù)雜度都是完全無(wú)法相提并論的。如果想在手機(jī)上實(shí)裝，幾乎必定還需要追加大量復(fù)雜模塊，進(jìn)行大幅的架構(gòu)演化與重新設(shè)計(jì)。