面向万物智联的应用框架的思考与探索

本文转载自 OpenHarmony TSC 官方微信公众号《峰会回顾第3期 | 面向万物智联的应用框架的思考与探索》

演讲嘉宾 | 余枝强

回顾整理 | 廖涛

排版校对 | 李萍萍

嘉宾简介

余枝强，OpenHarmony技术指导委员会跨平台应用开发框架TSG负责人，华为终端软件部应用程序框架首席架构师，华为Web技术C-TMG主任。主导 OpenHarmony / HarmonyOS UI 开发框架 ArkUI 的整体规划、架构设计及实现；也曾主导华为浏览器内核、快应用引擎的从零到一构建。在加入华为之前，任职于英特尔公司，曾负责移动平台的 HTML5 引擎—— Crosswalk 开源项目、XML 高性能处理器等项目。

文章内容来源

第一届开放原子开源基金会OpenHarmony技术峰会——编程语言及应用框架分论坛

视频回顾

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正文内容

应用框架，是操作系统连接开发者生态，实现用户体验的关键基础设施。业务的飞速发展促进了应用框架不断演进和变化。在万物智联的新场景下，应用框架应该如何设计呢？华为终端开发框架首席架构师余枝强，在第一届OpenHarmony技术峰会上给出了几点思考。

01►业界应用框架的演进

应用是用户使用操作系统/设备的入口，应用框架则是应用开发和运行的基础设施。以移动端为例，一个典型的应用结构一般包括用户界面、业务逻辑、共享库以及包清单文件等部分。

用户界面以及相应的业务处理逻辑。这里主要包括构建用户界面所需的UI（User Interface）组件，布局，动效，事件交互响应处理，所需的资源（图片/字体等），以及结合UI呈现的业务逻辑处理等。从运行时的维度来看，它主要对应了系统运行环境中的UI框架（含语言运行时），以及部分的系统能力API (Application Programming Interface)；
共享库。这里主要包括开发者封装好的SDK（Software Development Kit），以及使用的三方库等。从运行时维度来看，它主要对应了系统能力API以及语言运行时，如果共享库涉及UI的话，还对应了UI框架；
包清单文件。这里主要包括应用包的结构描述，权限声明等，它主要对应了系统运行环境中的包管理，应用生命周期/权限管理/进程管理等。

其中，UI框架的主要组成如下图所示：

开发模型：对开发者提供的开发范式、UI组件/API能力、编程语言等，重点体现的是开发效率与难易程度；
运行框架：UI界面渲染及交互的基础能力框架，将开发者的程序运行在具体系统平台上，包括应用整体渲染处理流程，语言逻辑执行流程，以及平台能力扩展机制，重点体现的是应用运行的性能体验；
平台适配：承载框架的具体操作系统或平台的适配层。

一般而言，应用框架中的包管理、生命周期/权限管理，和具体的操作系统关联较紧，并相对稳定；能力API则是操作系统对设备能力的封装，主要影响应用使用设备的能力。UI框架以及相应的编程语言则是影响用户体验（包括开发和运行体验）的关键要素，尤其随着移动平台的不断普及以及移动设备的差异，移动平台上的UI框架（含编程语言）是业界不断演进的重点领域。

近十年来，业界UI编程框架围绕着更好的开发效率，更好的运行体验以及适应更多的平台不断发展演进。其中有三个关键的时间节点：

2013年，Facebook发布的React.js第一次综合的将数据绑定，虚拟DOM（Document Object Model）等机制引入前端开发框架设计中。开发者只需声明好相应的数据和UI的绑定，之后由框架来跟踪数据的变化，并通过虚拟DOM树的对比找出变化点，从而实现界面的自动更新，而无需开发者手动基于DOM 编程。
2018年，Google发布的Flutter则是个重要的分界点。Flutter融合了Dart语言，是第一个深度融合了语言的较为完整的声明式开发框架，实现了完全通过数据驱动的UI变更。另外，Flutter通过基于Skia的自绘制引擎实现了高性能的跨平台的平台一致性的渲染能力，并提供了Hot Reload机制提升开发测试体验。不过，Flutter的整体设计哲学偏向底层的灵活性 – 主要通过底层的细粒度的能力供开发者自由组合，另外，Google对Dart语言的简洁度的改进较少，整体上开发的简洁度以及对用户的友好度不足。
2019年，Apple SwiftUI的推出，意味着主流OS的原生应用框架开始逐步往声明式开发方式迁移。SwiftUI推动了Swift语言特性扩展实现了更加简洁自然的UI描述，并通过XCode开发工具的所见即所得的高效预览能力进一步提升开发效率。同时，SwiftUI也是真正意义上开始通过一套框架，逐步统一Apple生态中的不同的设备/OS上的应用开发。另外，2019年Google将更简洁的Kotlin语言升级为Android首选的编程语言，并在2021年推出基于Kotlin的应用框架Jetpack Compose, 同时结合开发工具Android Studio逐步往多设备以及跨平台演进。

总体而言，移动端应用框架的演进包含以下几个关键特征：从命令式UI开发逐步演进到声明式UI开发；
UI和编程语言的融合从相对松散演进到逐步紧密；
开发范围从单设备演进到多设备，从单平台演进到多平台。

02►万物智联下的应用框架的架构设计思考

目前，在万物智联的新场景下，智能设备的数量和种类越来越多，场景也越来越复杂，存在着新需求和新挑战：1.设备间具有不同形态：各设备的屏幕不同，其分辨率、长宽、形状、尺寸等均不相同；2.设备自身的交互方式不同：存在触控、键鼠、遥控、语音、3D手势等多种形式；3.设备间具有不同的能力：各设备的CPU、GPU、NPU、蓝牙等处理能力不同，且RAM、ROM的规格也不相同；4.设备之间的交互方式也不相同：例如无缝流转、协同等。此外，跨OS平台，动态内容部署能力也是重要的需求。

如何设计相应的应用框架来应对挑战呢？以下将从语言选型和框架设计两个维度来讨论。

2.1►►语言选型

如图所示的排行榜显示了在2012年至2022年的区间里，最活跃、热度最高的前20名编程语言，由图可以看出JavaScript和TypeScript的排名是遥遥领先的，本身拥有非常好的生态基础。但是，JavaScript和TypeScript也有一定的缺陷，比如缺失基于类型系统的运行时优化，AOT能力，精细化类型以及细粒度的并行化等。

2.2►►框架设计

相应的，现有框架如Web引擎、React Native、Flutter等在各自领域都具备一定的优势，但也存在性能体验及其与生态难平衡、HTML+CSS+JS三段式开发方式和业界领先的声明式开发（SwiftUI）相比有较大差距的问题。

2.3►►设计思考

尽管业界在语言、框架等各领域都持续进行了相关改进，但始终缺乏系统性的跨越。对于单平台应用框架来说，需要解决开发效率（开发范式、语言、基础库、三方库、调试调优、预览等）、性能体验（性能、内存、功耗、能力完备度等）以及跨设备（不同设备的UI适配和能力适配）等核心问题；对于跨平台应用框架来说，需要解决不同平台的代码复用度、性能和体验不一致等核心问题。此外，还需要考虑动态化内容部署机制和应用部署等因素。

03►ArkUI的创新和实践

OpenHarmony应用框架围绕如何解决上述问题，设计了ArkTS开发语言以及ArkUI开发框架，下面将从语言和框架两个维度进行介绍。

3.1►►OpenHarmony生态开发语言-ArkTS

OpenHarmony生态开发语言ArkTS在JavaScript和TypeScript的基础上，围绕着极简表达、极致性能的最终目标进一步演进。改进了JavaScript和TypeScript的运行时，优化了类型信息，扩展了声明式UI语法，以及轻量级并行能力。后续会持续演进分布式、严格类型等相关能力。

3.2►►ArkUI开发框架

ArkUI整体架构如图所示。最上层提供了自研声明式UI范式，也支持类Web范式；中间层为方舟编译器和运行时、声明式UI后端引擎以及渲染引擎，下层为平台适配层和平台桥接层。此外，ArkUI开发框架还配套了相应的IDE开发工具以及工具链，提升开发体验。

ArkUI的声明式范式通过语法扩展方法，提供了装饰器、自定义组件、UI描述、状态管理、内置组件、属性方法以及事件方法等模块，可以根据用户需求灵活组合，从而形成定制化界面。ArkUI的声明式范式具备简洁自然声明式语法，统一UI表达；多态组件/动态布局，简化多设备UI适配；多维度状态管理，简化数据传递&UI变更等关键特征。其中，多维度状态管理包括组件、页面、全局以及分布式等多个维度，数据与UI间的传递方式也支持单向以及双向传递，以满足应用开发的相关诉求。

ArkUI的运行机制如图所示。其中，以ArkTS语言开发的源代码，经过编译工具链和ArkUI框架API编译，形成中间代码，再通过方舟运行时形成ArkUI框架运行时。在整个渲染设计上，ArkUI提供了扁平化渲染管线、按需渲染、数据绑定以及基于PGO的AOT等创新能力，提升用户体验以及渲染效率。在跨设备的设计上，ArkUI提供了响应式组件+响应式能力的响应式布局能力以及自适应组件+自适应能力的自适应布局能力，并且在视觉交互侧也通过分层参数和主题风格、多态组件以及交互归一等进行了交互能力的增强。此外，ArkUI支持部署至百K级、M级的轻量化设备，通过引擎轻量化改造以及基于目标平台进一步轻量化定制，实现跨设备能力适配。

3.3►►ArkUI生态

衡量一个应用框架最终是否成功，关键还是要看它对应用开发者生态影响的深度和广度。下图描述了ArkUI生态构建思路概览。

如图所示，自底向上，整体生态构建分为四个维度。

框架。这层主要是框架本身的特性完备度以及竞争力，并能够满足关键应用的需求（包括关键自研应用和关键三方应用）。尤其是要通过关键垂类应用（比如电商，地图，游戏等）的突破来进一步完善框架本身。另外，当多个主流OS平台会长时间并存的情况下，跨OS平台是核心竞争力诉求。框架必须具备相应的能力来进一步提升开发效率。
工具。这层主要是配套开发工具的完备度以及三方主流开发工具的支持度。DevEco作为ArkUI的核心配套工具，需要在整体开发工作流进一步完善，同步，也需逐步推进和三方开发工具的整合，包括VSCode, 基于Chrome浏览器的调试等，进一步方便开发者。
社区。这层主要是通过相应的开源社区（开放原子开源基金会等），以及三方开源库，组件仓库等建设，以及结合主流的组件仓库NPM（Node Package Manager）等推动ArkUI的三方组件的进一步完善。
标准。这层主要是通过标准化的参与，来构建中长线影响力。包括W3C相关的标准组织（ArkUI类Web范式的进一步标准化，WebAssembly的融合探索等），ECMAScript标准组织（ArkTS的增强语言特性的进一步标准化等），软件绿色联盟（应用质量标准，原子化服务标准的完善/互通等）。

总之，ArkUI的整体生态推进策略是以关键应用为牵引，逐步夯实相应能力构建，通过工具、社区协同，并布局标准培育中长线影响力。