Cube 技术解读 | Cube 小程序技术详解

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作者:曾维宏(恒实)

本文为《Cube 技术解读》系列第三篇文章,之前上线的 《支付宝新一代动态化技术架构与选型综述》 《Cube卡片技术栈解读》欢迎大家回顾。

小程序作为动态化或者跨端开发的一种技术栈,在业界成为事实标准。Cube 作为一种轻量级小程序技术栈,具有体积小、启动快、内存占用低等特点,也比较适合“即用即走”的小程序场景。以下将重点介绍 Cube 小程序技术栈与技术演进实践(若无特殊说明,所有的数据和图表都是针对小程序)。

Cube 渲染小程序

模块组成

小程序视角,Cube 渲染引擎主要由以下模块组成:

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  • Components:主要是小程序规范里的组件;
  • Layout:支持 Inline,Block,Flex,Inline-Block,Inline-Flex 等多种布局方式,还包括文本分词,断行等计算;
  • Style:支持样式解析,样式匹配,样式继承,伪类和伪元素等多种选择器;
  • Rendering:管理渲染相关 Render Tree,图片资源请求调度等;
  • Animation: JS 和 CSS 动画实现;
  • JS Bridge:和 JS 引擎桥接;
  • JS Engine:目前支持 V8,JSC,QuickJS;其中 Android 下支持 V8,QuickJS;
  • Compositor:用于动画和图层的合成器(开发中)。

线程模型

Cube 小程序技术栈内部有这么几个线程:Bridge,Layout,Render,Paint,UI 等。

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  • Bridge 线程:执行 JS;与 AppX 桥接的类 DOM 的 JSAPI;处理 JS 相关事件;
  • Layout 线程:布局计算;样式计算与匹配;维护 Layout Tree;
  • Render 线程:维护 Render Tree;绑定数据;分层;
  • Paint 线程:生成绘制命令;
  • UI 线程:平台事件分发;UI 布局。

小结

  • 并行布局,异步绘制:这里的并行是指 JS 执行,Layout 布局 以及 Render 三者完全并行处理。由于 Layout 和 Render,Paint 等不在一个线程,因此是异步绘制;
  • 多个线程协同工作,有点像 CPU 的 5 级流水线。

值得注意得是:Web 渲染引擎有个特点就是和 Node 相关的 DOM 操作必须和 JS 在一个线程。这就导致解析 HTML,布局,样式计算,DOM,JS (包括垃圾回收)都在一个线程里。带来的后果就是只有解析完文档才能看到 UI 效果,这也是 Web 渲染小程序白屏时间较长的一个原因。

Cube小程序技术栈,将“DOM操作” 和 JS 执行解耦。因此 JS 的 GC 不会影响 UI 呈现。这种实现对于加快小程序启动非常有帮助。由于布局计算和 JS 执行也解开耦合,因此一般不会由于 JS 执行阻塞 UI 交互。

Cube 小程序技术栈的特点

  • 体积小,启动快:主 so 只有 2.8 MB(如果包括 Ariver,AppX,InsideSDK,整体小程序技术栈最小是 5.7MB)。另外可以享受到 OS 的红利(包括 UI 的初始化和缓存);
  • 高性能:接近于原生体验;
  • 内存占用小:小程序技术栈初始化后(包括 Inside SDK,Cube,AppX),大约只需要 7.5 MB;
  • 支持 Android,iOS 双端。

与 Web 引擎对比

下面仅仅针对小程序场景与 Web 引擎对比:

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技术演进

让小程序业务低成本适配 Cube 渲染小程序,需要做三方面的工作:

  • 拥抱 Web 技术,补齐前端开发常用的能力:包括 CSS,小程序组件等;
  • 完善相关工具:包括开发,调试,Profile,发布,打包等;
  • 针对 Cube 的架构特点,深入优化,并拉开和 Web 渲染的差异。提供更好的用户体验。

新的流式布局(Flow Layout)

最初 Cube 小程序使用只支持 Flex 布局 Yoga 用于布局计算。后面升级成支持 Block,Flex,Inline-Block等多种布局方式的 Flow Layout。从而解决开发者只能使用 Flex 布局的困扰。目前两个布局引擎 Cube 内部都支持。其中 Flow Layout 主要用在小程序,Yoga 用在卡片。两者能力差异如下:

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支持 CSS 样式表

老版本的 Cube 只支持内联样式和简单的 CSS 选择器;然而小程序并没有约束 CSS,因此 Cube 扩充支持 CSS 样式表,样式继承,多种选择器等。从而使得 Web 渲染切换到 Cube 渲染,适配成本大大降低。甚至部分小程序可以做到在小程序 IDE 里基于 Web 渲染开发,然后打包成 Cube 渲染产物在真机上预览。前端同学无需进行过多的修改和适配。

新老 Cube 版本,选择器支持上的差异如下:

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注:

  • [1] 老版本 Cube 是指:钱包 10.2.0 以前版本;
  • 新样式能力基本上对标 Web 引擎的样式能力;
  • 新样式能力支持像这种复杂选择器。
div > div.jartto p span.yellow a#t1 {}
.pixel-ratio-2 .web1px::before {}
div:nth-child(2n+1) {}
input[type="button"] {}
#blue,div > div.jartto p span.yellow a#t1 {}

支持自动分词,断行(Inline Text)

最初 Cube 用的是 Android 和 iOS 提供的文本计算和绘制能力。这种技术方案(以下称为平台层 Text)存在3个问题:

  1. 性能问题:特别是 Android 下,利用 Android 平台层的接口实现文本布局计算,导致在文本较多的情况下,布局耗时在渲染整体耗时里占比较高;
  2. 富文本特性:富文本以及许多文本特性支持较麻烦;
  3. 各平台上实现文本效果存在细节差异或者兼容性问题。

针对上述问题,在 Flow Layout 基础上增强支持 Inline Text 布局计算文本。基于 Inline Text 可以较轻松实现以下富文本,图文混排,分词,自动换行等。

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1.富文本

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2.自动换行和分词

Inline Text 实现前后的文本样式对比如下:

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  • 假设原有 Cube 采用平台层接口实现的文本特性称为:平台层 Text
  • 表示实现细节上不完善或者不完全支持;
  • 在 Inline Text 基础上可以实现功能丰富的富文本组件;
  • 值得一提的是:该实现非常精巧,对于 Cube 包体积只增加了 170KB。具体细节后续文章详细探讨。

文本布局计算耗时对比(文本节点较多场景):

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采用 QuickJS 替代 V8

V8 虽然是性能最高的 JS 引擎,但是存在内存占用大,初始化较慢等不足。在 IoT 或者低端设备上这些不足会被放大。因此在这些设备上,Cube 采用 QuickJS 取代 V8。一方面降低内存占用,另外一方面提升初始化性能。

Cube 内部目前适配了多个 JS 引擎,具体如下:

  • 在 Android 移动端上使用 V8 和 JSI
  • iOS 上使用 JSC
  • IoT 等低端设备上使用 QuickJS

另外我们在开源 QuickJS 基础上做了些优化工作。优化的结果大致如下(后续文章将详细介绍):

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支持动画和多媒体组件

除了上述基础组件和能力之外,动画和多媒体也是部分小程序不可缺少的。因此我们扩展支持了 VideoCanvasLottieLive Player 等组件支持。并应用于 TV 大屏小程序、小游戏以及直播场景上。

在低端设备上,如何提高动画帧率并且降低内存占用也做了深度的优化。以下是 Video 和 Canvas 组件在小程序中的效果图:

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支持多种模式的小程序产物

目前 Cube 支持多种模式的小程序产物:NativeCubeShared

  • Native 模式:对应的是旧的 Cube 渲染小程序模式,不支持 CSS 样式表,只能支持内联样式和有限的几种 CSS 选择器。性能最高,兼容性较低;
  • Cube 模式:在 Native 模式进化而来,支持 CSS 样式表和多种 CSS 选择器。性能良好,支持常用的 CSS 样式和特性(包括样式继承,多种 CSS 选择器);
  • Shared 模式:为了降低 Web 渲染的小程序迁移或者过渡到 Cube 渲染而开发。在同一个小程序产物里既支持 Web 渲染一部分页面又支持 Cube 渲染一部分页面。而且 Cube 渲染的页面支持样式表。这样在性能和兼容性平衡。小程序产物相对于 Web 渲染的小程序,产物体积增加不会超过 10%。

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:如果需要 Web 产物兜底,则 Native 模式Cube 模式的小程序产物,比 Shared 模式大。

当前工作

Cube 小程序在 TV 和 POS 机上和相关团队,一起打磨小程序技术栈(包括渲染引擎,JS 引擎,AppX,Ariver 容器)等。

在 TV 上面临的问题:

  • 内存少:有的设备只有 512MB 内存,长列表滚动容易卡;
  • 需要支持焦点切换;
  • CPU 主频较低:有的只有 1GHz。

短中期目标是用小程序技术栈替代 WeeX 单页。当前进展如下:

  • 小程序启动性能上超过 WeeX 单页(低端设备上优势更明显);
  • 内存占用上,小程序初始化后内存占用小于 10MB,典型小程序整体内存占用在 32MB 左右。

具体细节后续文章详细总结。

在 POS 机上面临的问题:

在 POS 机上跑点餐小程序,主要有面临以下问题:

  • 内存少:部分设备只有 512MB 内存,容易出现卡死和 OOM;
  • CPU 核心少:部分 CPU 只有双核(硬件性能大约是主流手机的 1/5);
  • 长列表滚动卡。

短中期目标是用小程序技术栈替代 Flutter 开发的 App。当前进展如下:

  • 小程序首屏启动性能提升了 30%+;
  • 小程序重点的交互场景的页面,比如:购物车,商品详情页等,都已接近 Flutter App;
  • 首页滚动帧率达到 50,用户已经难以感知和 Flutter 的差异(Flutter 帧率是 60);
  • 小程序内存占用下降了 30%(本地测试已无卡死和 OOM)。

该场景主要是文本节点较多的长列表。采用了非常多的优化方法,后续文章详细总结介绍。

总结

为了适配小程序,Cube 渲染引擎在布局计算、样式能力、组件支持,还有开发工具等在小伙伴一起努力下取得了较大的进展。同时在低端设备(比如:IoT 设备)或者性能敏感场景,Cube 小程序性能优化,降低内存占用也取得了不错的效果。而未来面对多种多样的 IoT 设备,还需要加速技术演进以支持更多的场景。欢迎大家一起来交流讨论。

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