聊聊移动端跨平台开发的各种技术

2015-05-12 10:22 稿源:百度Fex  4条评论

介绍

最近出现的 React Native 再次让跨平台移动端开发这个话题火起来了,曾经大家以为在手机上可以像桌面那样通过 Web 技术来实现跨平台开发,却大多因为性能或功能问题而放弃,不得不针对不同平台开发多个版本。

但这并没有阻止人们对跨平台开发技术的探索,毕竟谁不想降低开发成本,一次编写就处处运行呢?除了 React Native,这几年还出现过许多其它解决方案,本文我将会对这些方案进行技术分析,供感兴趣的读者参考。

为了方便讨论,我将它们分为了以下 4 大流派:

  • Web 流:也被称为 Hybrid 技术,它基于 Web 相关技术来实现界面及功能
  • 代码转换流:将某个语言转成 Objective-C、Java 或 C#,然后使用不同平台下的官方工具来开发
  • 编译流:将某个语言编译为二进制文件,生成动态库或打包成 apk/ipa/xap 文件
  • 虚拟机流:通过将某个语言的虚拟机移植到不同平台上来运行

Web 流

Web 流是大家都比较了解的了,比如著名的 PhoneGap/Cordova,它将原生的接口封装后暴露给 JavaScript,可以运行在系统自带的 WebView 中,也可以自己内嵌一个 Chrome 内核 。

作为这几年争论的热点,网上已经有很多关于它的讨论了,这里我重点聊聊大家最关心的性能问题。

Web 流最常被吐槽的就是性能慢(这里指内嵌 HTML 的性能,不考虑网络加载时间),可为什么慢呢?常见的看法是认为「DOM 很慢」,然而从浏览器实现角度来看,其实 DOM 就是将对文档操作的 API 暴露给了 JavaScript,而 JavaScript 的调用这些 API 后就进入内部的 C++ 实现了,这中间并没有多少性能消耗,所以从理论上来说浏览器的 DOM 肯定比 Android 的「DOM」快,因为 Android 的展现架构大部分功能是用 Java 写的,在实现相同功能的前提下,C++ 不大可能比 Java 慢(某些情况下 JIT 编译优化确实有可能做得更好,但那只是少数情况)。

所以从字面意思上看「DOM 很慢」的说法是错误的,这个看法之所以很普遍,可能是因为大部分人对浏览器实现不了解,只知道浏览器有 DOM,所以不管什么问题都只能抱怨它了。

那么问题在哪呢?在我看来有三方面的问题:

  • 早期浏览器实现比较差,没有进行优化
  • CSS 过于复杂,计算起来更耗时
  • DOM 提供的接口太有限,使得难以进行优化

第一个问题是最关键也是最难解决的,现在说到 Web 性能差主要说的是 Android 下比较差,在 iOS 下已经很流畅了,在 Android 4 之前的 WebView 甚至都没有实现 GPU 加速,每次重绘整个页面,有动画的时候不卡才怪。

浏览器实现的优化可以等 Android 4.4 慢慢普及起来,因为 4.4 以后就使用 Chrome 来渲染了。

而对于最新的浏览器来说,渲染慢的原因就主要是第二个问题:CSS 过于复杂,因为从实现原理上看 Chrome 和 Android View 并没有本质上的差别,但 CSS 太灵活功能太多了,所以计算成本很高,自然就更慢了。

那是不是可以通过简化 CSS 来解决?实际上还真有人这么尝试了,比如 Famo.us,它最大的特色就是不让你写 CSS,只能使用固定的几种布局方法,完全靠 JavaScript 来写界面,所以它能有效避免写出低效的 CSS,从而提升性能。

而对于复杂的界面及手机下常见的超长的 ListView 来说,第三个问题会更突出,因为 DOM 是一个很上层的 API,使得 JavaScript 无法做到像 Native 那样细粒度的控制内存及线程,所以难以进行优化,则在硬件较差的机器上会比较明显。对于这个问题,我们一年前曾经尝试过嵌入原生组件的方式来解决,不过这个方案需要依赖应用端的支持,或许以后浏览器会自带几个优化后的 Web Components 组件,使用这些组件就能很好解决性能问题。

现阶段这三个问题都不好解决,所以有人想干脆不用 HTML/CSS,自己来画界面,比如 React canvas 直接画在 Canvas 上,但在我看来这只是现阶段解决部分问题的方法,在后面的章节我会详细介绍自己画 UI 的各种问题,这里说个历史吧,6 年前浏览器还比较慢的时候,Bespin 就这么干过,后来这个项目被使用 DOM 的 ACE 取代了,目前包括 TextMirror 和 Atom 在内的主流编辑器都是直接使用 DOM,甚至 W3C 有人专门写了篇文章吐槽用 Canvas 做编辑器的种种缺点,所以使用 Canvas 要谨慎。

另外除了 Canvas,还有人以为 WebGL 快,就尝试绘制到 WebGL 上,比如 HTML-GL,但它目前的实现太偷懒了,简单来说就是先用 html2canvas 将 DOM 节点渲染成图片,然后将这个图片作为贴图放在 WebGL 中,这等于将浏览器中用 C++ 写的东东在 JavaScript 里实现了一遍,渲染速度肯定反而更慢,但倒是能用 GLSL 做特效来忽悠人。

硬件加速不等同于「快」,如果你以为硬件加速一定比软件快,那你该抽空学学计算机体系结构了

其实除了性能问题,我认为在 Web 流更严重的问题是功能缺失,比如 iOS 8 就新增 4000+ API,而 Web 标准需要漫长的编写和评审过程,根本赶不上,即便是 Cordova 这样自己封装也忙不过来,所以为了更好地使用系统新功能,写 Native 代码是必须的。

代码转换流

前面提到写 Native 代码是必须的,但不同平台下的官方语言不一样,这会导致同样的逻辑要写两次以上,于是就有人想到了通过代码转换的方式来减少工作量,比如将 Java 转成 Objective-C。

这种方式虽然听起来不是很靠谱,但它却是成本和风险都最小的,因为代码转换后就可以用官方提供的各种工具了,和普通开发区别不大,因此不用担心遇到各种诡异的问题,不过需要注意生成的代码是否可读,不可读的方案就别考虑了。

接下来看看目前存在的几种代码转换方式。

将 Java 转成 Objective-C

j2objc 能将 Java 代码转成 Objective-C,据说 Google 内部就是使用它来降低跨平台开发成本的,比如 Google Inbox 项目就号称通过它共用了 70% 的代码,效果很显著。

可能有人会觉得奇怪,为何 Google 要专门开发一个帮助大家写 Objective-C 的工具?还有媒体说 Google 做了件好事,其实吧,我觉得 Google 这算盘打得不错,因为基本上重要的应用都会同时开发 Android 和 iOS 版本,有了这个工具就意味着,你可以先开发 Android 版本,然后再开发 iOS 版本。。。

既然都有成功案例了,这个方案确实值得尝试,而且关键是会 Java 的人多啊,可以通过它来快速移植代码到 Objective-C 中。

将 Objective-C 转成 Java

除了有 Java 转成 Objective-C,还有 Objective-C 转成 Java 的方案,那就是 MyAppConverter,比起前面的 j2objc,这个工具更有野心,它还打算将 UI 部分也包含进来,从它已转换的列表中可以看到还有 UIKit、CoreGraphics 等组件,使得有些应用可以不改代码就能转成功,不过这点我并不看好,对于大部分应用来说并不现实。

由于目前是收费项目,我没有尝试过,对技术细节也不了解,所以这里不做评价。

将 Java 转成 C#

Mono 提供了一个将 Java 代码转成 C# 的工具 Sharpen,不过似乎用的人不多,Star 才 118,所以看起来不靠谱。

还有 JUniversal 这个工具可以将 Java 转成 C#,但目前它并没有发布公开版本,所以具体情况还待了解,它的一个特色是自带了简单的跨平台库,里面包括文件处理、JSON、HTTP、OAuth 组件,可以基于它来开发可复用的业务逻辑。

比起转成 Objective-C 和 Java 的工具,转成 C# 的这两个工具看起来都非常不成熟,估计是用 Windows Phone 的人少。

将 Haxe 转成其它语言

说到源码转换就不得不提 Haxe 这个奇特的语言,它没有自己的虚拟机或可执行文件编译器,所以只能通过转成其它语言来运行,目前支持转成 Neko(字节码)、Javascript、Actionscript 3、PHP、C++、Java、C# 和 Python,尽管有人实现了转成 Swift 的支持,但还是非官方的,所以要想支持 iOS 开发目前只能通过 Adobe AIR 来运行。

在游戏开发方面做得不错,有个跨平台的游戏引擎 OpenFL 的,最终可以使用 HTML5 Canvas、OpenGL 或 Flash 来进行绘制,OpenFL 的开发体验做得相当不错,同一行代码不需要修改就能编译出不同平台下的可执行文件,因为是通过转成 C++ 方式进行编译的,所以在性能和反编译方面都有优势,可惜目前似乎并不够稳定,不然可以成为 Cocos2d-x 的有利竞品。

在 OpenFL 基础上还有个跨平台的 UI 组件 HaxeUI,但界面风格我觉得特别丑,也就只能在游戏中用了。

所以目前来看 Haxe 做跨平台游戏开发或许可行,但 APP 开发就别指望了,而基于它来共用代码实在就更不靠谱了,因为熟悉它的开发者极少,反而增加成本。

XMLVM

除了前面提到的源码到源码的转换,还有 XMLVM 这种与众不同的方式,它首先将字节码转成一种基于 XML 的中间格式,然后再通过 XSL 来生成不同语言,目前支持生成 C、Objective-C、JavaScript、C#、Python 和 Java。

虽然基于一个中间字节码可以方便支持多语言,然而它也导致生成代码不可读,因为很多语言中的语法糖会在字节码中被抹掉,这是不可逆的,以下是一个简单示例生成的 Objective-C 代码,看起来就像汇编:

XMLVM_ENTER_METHOD("org.xmlvm.tutorial.ios.helloworld.portrait.HelloWorld", "didFinishLaunchingWithOptions", "?")XMLVMElem _r0;XMLVMElem _r1;XMLVMElem _r2;XMLVMElem _r3;XMLVMElem _r4;XMLVMElem _r5;XMLVMElem _r6;XMLVMElem _r7;_r5.o = me;_r6.o = n1;_r7.o = n2;_r4.i = 0;_r0.o = org_xmlvm_iphone_UIScreen_mainScreen__();XMLVM_CHECK_NPE(0)_r0.o = org_xmlvm_iphone_UIScreen_getApplicationFrame__(_r0.o);_r1.o = __NEW_org_xmlvm_iphone_UIWindow();XMLVM_CHECK_NPE(1)...

在我看来这个方案相当不靠谱,万一生成的代码有问题基本没法修改,也没法调试代码,所以不推荐。

小结

虽然代码转换这种方式风险小,但我觉得对于很多小 APP 来说共享不了多少代码,因为这类应用大多数围绕 UI 来开发的,大部分代码都和 UI 耦合,所以公共部分不多。

在目前的所有具体方案中,只有 j2objc 可以尝试,其它都不成熟。

编译流

编译流比前面的代码转换更进一步,它直接将某个语言编译为普通平台下的二进制文件,这种做法有明显的优缺点:

  • 优点
    • 可以重用一些实现很复杂的代码,比如之前用 C++ 实现的游戏引擎,重写一遍成本太高
    • 编译后的代码反编译困难
    • 或许性能会好些(具体要看实现)
  • 缺点
    • 如果这个工具本身有 Bug 或性能问题,定位和修改成本会很高
    • 编译后体积不小,尤其是如果要支持 ARMv8 和 x86 的话

接下来我们通过区分不同语言来介绍这个流派下的各种方案。

C++ 类

C++ 是最常见的选择,因为目前 Android、iOS 和 Windows Phone 都提供了 C++ 开发的支持,它通常有三种做法:

  • 只用 C++ 实现非界面部分,这是官方比较推崇的方案,目前有很多应用是这么做的,比如 Mailbox 和 Microsoft Office。
  • 使用 2D 图形库来自己绘制界面,这种做法在桌面比较常见,因为很多界面都有个性化需求,但在移动端用得还不多。
  • 使用 OpenGL 来绘制界面,常见于游戏中。

使用 C++ 实现非界面部分比较常见,所以这里就不重复介绍了,除了能提升性能和共用代码,还有人使用这种方式来隐藏一些关键代码(比如密钥),如果你不知道如何构建这样的跨平台项目,可以参考 Dropbox 开源的 libmx3 项目,它还内嵌了 json 和 sqlite 库,并通过调用系统库来实现对简单 HTTP、EventLoop 及创建线程的支持。

而如果要用 C++ 实现界面部分,在 iOS 和 Windows Phone 下可以分别使用 C++ 的超集 Objective-C++ 和 C++/CX,所以还比较容易,但在 Android 下问题就比较麻烦了,主要原因是 Android 的界面绝大部分是 Java 实现的,所以用 C++ 开发界面最大的挑战是如何支持 Android,这有两种做法:通过 JNI 调用系统提供的 Java 方法或者自己画 UI。

第一种做法虽然可行,但代码太冗余了比如一个简单的函数调用需要写那么多代码:

JNIEnv* env;jclass testClass = (*env)->FindClass(env, "com/your/package/name/Test"); 
// get ClassjmethodID constructor = (*env)->GetMethodID(env, cls, "", "()V");jobject testObject = (*env)->NewObject(env, testClass, constructor);methodID callFromCpp = (*env)->GetMethodID(env, testClass, "callFromCpp", "()V");
//get methodid(*env)->CallVoidMethod(env, testObject, callFromCpp);

那自己画 UI 是否会更方便点?比如 JUCE 和 QT 就是自己画的,我们来看看 QT 的效果:

看起来很不错是吧?不过在 Android 5 下就悲剧了,很多效果都没出来,比如按钮没有涟漪效果,甚至边框都没了,根本原因在于它是通过 Qt Quick Controls 的自定义样式来模拟的,而不是使用系统 UI 组件,因此它享受不到系统升级自动带来的界面优化,只能自己再实现一遍,工作量不小。

反而如果最开始用的是 Android 原生组件就什么都不需要做,而且还能用新的 AppCompat 库来在 Android 5 以下实现 Material Design 效果。

最后一种做法是使用 OpenGL 来绘制界面,因为 EGL+OpenGL 本身就是跨平台,所以基于它来实现会很方便,目前大多数跨平台游戏底层都是这么做的。

既然可以基于 OpenGL 来开发跨平台游戏,是否能用它来实现界面?当然是可行的,而且 Android 4 的界面就是基于 OpenGL 的,不过它并不是只用 OpenGL 的 API,那样是不现实的,因为 OpenGL API 最初设计并不是为了画 2D 图形的,所以连画个圆形都没有直接的方法,因此 Android 4 中是通过 Skia 将路径转换为位置数组或纹理,然后再交给 OpenGL 渲染的。

然而要完全实现一遍 Android 的 UI 架构工作量不小,以下是其中部分相关代码的代码量:

其中光是文字渲染就非常复杂,如果你觉得简单,那只能说明你没看过这个世界有多大,或许你知道中文有编码问题、英语有连字符(hyphen)折行,但你是否知道繁体中文有竖排版、阿拉伯文是从右到左的、日语有平假名注音(ルビ)、印度语有元音附标文字(abugida አቡጊዳ)……?

而相比之下如果每个平台单独开发界面,看似工作量不小,但目前在各个平台下都会有良好的官方支持,相关工具和文档都很完善,所以其实成本没那么高,而且可以给用户和系统风格保持一致的良好体验,所以我认为对于大多数应用来说自己画 UI 是很不划算的。

不过也有特例,对于 UI 比较独特的应用来说,自己画也是有好处的,除了更灵活的控制,它还能使得不同平台下风格统一,这在桌面应用中很常见,比如 Windows 下你会发现几乎每个必备软件的 UI 都不太一样,而且好多都有换肤功能,在这种情况下很适合自己画 UI。

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