十八、神奇的ScrollPhysics与Simulation

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一、前言
二、 ScrollPhysics
- 2.1、ScrollConfiguration 和 ScrollBehavior
三、ScrollPhysics 工作原理
四、Simulation
最后
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作为系列文章的第十八篇，本篇将通过 ScrollPhysics 和 Simulation ，带你深入走进 Flutter 的滑动新世界，为你打开 Flutter 滑动操作的另一扇窗。

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一、前言

如下图所示是Flutter 默认的可滑动 Widget 效果，在 Android 和 iOS 上出现了不同的 滑动速度与边缘拖拽效果 ，这是因为在不同平台上，默认使用了不同的 ScrollPhysics 与 Simulation ，后面我们将逐步介绍这两大主角的实现原理，最终让你对 Flutter 世界的滑动拖拽进阶到 “为所欲为” 的境界。

下方开始高能干货，请自带茶水食用。

二、 ScrollPhysics

首先介绍 ScrollPhysics ，在 Flutter 官方的介绍中，ScrollPhysics 的作用是 确定可滚动控件的物理特性， 常见的有以下四大金刚：

BouncingScrollPhysics ：允许滚动超出边界，但之后内容会反弹回来。
ClampingScrollPhysics ：防止滚动超出边界，夹住。
AlwaysScrollableScrollPhysics ：始终响应用户的滚动。
NeverScrollableScrollPhysics ：不响应用户的滚动。

在开发过程中，一般会通过如下代码进行设置：

 CustomScrollView(physics: const BouncingScrollPhysics())
 ListView.builder(physics: const AlwaysScrollableScrollPhysics())
 GridView.count(physics: NeverScrollableScrollPhysics())

但在一般我们都不会主动去设置 physics 属性， 那么默认情况下，为什么在 Flutter 中的 ListView 、CustomScrollView 等 Scrollable 控件中，在 Android 和 iOS 平台的滚动和边界拖拽效果，会出现如下图所示的平台区别呢？

这里的关键就在于 ScrollConfiguration 和 ScrollBehavior 。

2.1、ScrollConfiguration 和 ScrollBehavior

我们知道所有的滑动控件都是通过 Scrollable 对触摸进行响应从而进行滑动的。

如下代码所示，在 Scrollable 的 _updatePosition 方法内，当 widget.physics == null 时，_physics 默认是从 ScrollConfiguration.of(context) 的 getScrollPhysics(context) 方法获取 ，而 ScrollConfiguration.of(context) 返回的是一个 ScrollBehavior 对象。

  // Only call this from places that will definitely trigger a rebuild.
  void _updatePosition() {
    _configuration = ScrollConfiguration.of(context);
    _physics = _configuration.getScrollPhysics(context);
    if (widget.physics != null)
      _physics = widget.physics.applyTo(_physics);
    final ScrollController controller = widget.controller;
    final ScrollPosition oldPosition = position;
    if (oldPosition != null) {
      controller?.detach(oldPosition);
      scheduleMicrotask(oldPosition.dispose);
    }
    _position = controller?.createScrollPosition(_physics, this, oldPosition)
      ?? ScrollPositionWithSingleContext(physics: _physics, context: this, oldPosition: oldPosition);
    assert(position != null);
    controller?.attach(position);
  }

所以默认情况下，ScrollPhysics 是和 ScrollConfiguration 和 ScrollBehavior 有关系。

那么 ScrollBehavior 是这么工作的？

查看 ScrollBehavior 的源码可知，它的 getScrollPhysics 方法中，默认实现了平台返回了不同的 ScrollPhysics ，所以默认情况下，在不同平台上的滚动和边缘推拽，会出现不一样的效果：

  ScrollPhysics getScrollPhysics(BuildContext context) {
    switch (getPlatform(context)) {
      case TargetPlatform.iOS:
        return const BouncingScrollPhysics();
      case TargetPlatform.android:
      case TargetPlatform.fuchsia:
        return const ClampingScrollPhysics();
    }
    return null;
  }

前面说过， ScrollPhysics 是确定可滚动控件的物理特性 ，那么如上图所示，Android 平台上拖拽溢出的蓝色半圆的怎么来的？ScrollConfiguration 的 ScrollBehavior 是在什么时候被设置的？

查看 ScrollConfiguration 的源码我们得知， ScrollConfiguration 和 Theme、Localizations 等一样是 InheritedWidget，那么它应该是从上层往下共享的。

所以查看 MaterialApp 的源码，得到如下代码，可以看到 ScrollConfiguration 是在 MaterialApp 内默认嵌套的，并且通过 _MaterialScrollBehavior 设置了 ScrollBehavior，其 override 的buildViewportChrome 方法，就是实现了Android 上溢出拖拽的半圆效果，其中 GlowingOverscrollIndicator 就是半圆效果的绘制控件。

@override
Widget build(BuildContext context) {
   ····
    return ScrollConfiguration(
      behavior: _MaterialScrollBehavior(),
      child: result,
    );
}
class _MaterialScrollBehavior extends ScrollBehavior {
  @override
  TargetPlatform getPlatform(BuildContext context) {
    return Theme.of(context).platform;
  }
  @override
  Widget buildViewportChrome(BuildContext context, Widget child, AxisDirection axisDirection) {
    switch (getPlatform(context)) {
      case TargetPlatform.iOS:
        return child;
      case TargetPlatform.android:
      case TargetPlatform.fuchsia:
        return GlowingOverscrollIndicator(
          child: child,
          axisDirection: axisDirection,
          color: Theme.of(context).accentColor,
        );
    }
    return null;
  }
}

到这里我们就知道了，在默认情况下可滑动控件的 ScrollPhysics 是如何配置的：

1、ScrollConfiguration 是一个 InheritedWidget 。
2、MaterialApp 内部利用 ScrollConfiguration 并共享了一个 ScrollBehavior 的子类 _MaterialScrollBehavior。
3、ScrollBehavior 默认根据平台返回了特定的 BouncingScrollPhysics 和 ClampingScrollPhysics 效果。
4、_MaterialScrollBehavior 中针对 Android 平台实现了 buildViewportChrome 的蓝色半球拖拽溢出效果。

ps ：我们可以通过实现自己的 ScrollBehavior ，实现自定义的拖拽溢出效果。

三、ScrollPhysics 工作原理

那么 ScrollPhysics 是怎么实现滚动和边缘拖拽的呢？ ScrollPhysics 默认是没有什么代码逻辑的，它的主要定义方法如下所示：


/// [position] 当前的位置, [offset] 用户拖拽距离
/// 将用户拖拽距离 offset 转为需要移动的 pixels
double applyPhysicsToUserOffset(ScrollMetrics position, double offset)
/// 返回 overscroll ，如果返回 0 ，overscroll 就一直是0
/// 返回边界条件
double applyBoundaryConditions(ScrollMetrics position, double value)
///创建一个滚动的模拟器
Simulation createBallisticSimulation(ScrollMetrics position, double velocity)  
///最小滚动数据
 double get minFlingVelocity
///传输动量，返回重复滚动时的速度
double carriedMomentum(double existingVelocity)
///最小的开始拖拽距离
double get dragStartDistanceMotionThreshold
///滚动模拟的公差
///指定距离、持续时间和速度差应视为平等的差异的结构。
Tolerance get tolerance

上方代码标注了 ScrollPhysics 各个方法的大致作用，而在前面《十三、全面深入触摸和滑动原理》中，我们深入解析过触摸和滑动的原理，大致流程从触摸开始往下传递，最终触发 layout 实现滑动的现象：

而 ScrollPhysics 的工作原理就穿插在其中，其流程如下图所示, 主要的逻辑在于红色标注的的三个方法：

applyPhysicsToUserOffset ：通过 physics 将用户拖拽距离 offset 转化为 setPixels(滚动) 的增量。
applyBoundaryConditions ：通过 physics 计算当前滚动的边界条件。
createBallisticSimulation ：创建自动滑动的模拟器。

这三个方法的触发时机在于 _handleDragUpdate 、 _handleDragCancel 和 _handleDragEnd ，也就是拖动过程和拖动结束的时机：

applyPhysicsToUserOffset 和 applyBoundaryConditions 是在 _handleDragUpdate 时被触发的。
createBallisticSimulation 是在 _handleDragCancel 和 _handleDragEnd 时被触发的。

所以默认的 BouncingScrollPhysics 和 ClampingScrollPhysics 最大的差异也在这个三个方法。

3.1、applyPhysicsToUserOffset

ClampingScrollPhysics 默认是没有重载 applyPhysicsToUserOffset 方法的，当 parent == null 时，用户的滑动 offset 是什么就返回什么：

  double applyPhysicsToUserOffset(ScrollMetrics position, double offset) {
    if (parent == null)
      return offset;
    return parent.applyPhysicsToUserOffset(position, offset);
  }

BouncingScrollPhysics 中对 applyPhysicsToUserOffset 方法进行了 override ，其中 用户没有达到边界前，依旧返回默认的 offset，当用户到达边界时，通过算法来达到模拟溢出阻尼效果。


 ///摩擦因子
 double frictionFactor(double overscrollFraction) => 0.52 * math.pow(1 - overscrollFraction, 2);
 @override
  double applyPhysicsToUserOffset(ScrollMetrics position, double offset) {
    assert(offset != 0.0);
    assert(position.minScrollExtent <= position.maxScrollExtent);
    if (!position.outOfRange)
      return offset;
    final double overscrollPastStart = math.max(position.minScrollExtent - position.pixels, 0.0);
    final double overscrollPastEnd = math.max(position.pixels - position.maxScrollExtent, 0.0);
    final double overscrollPast = math.max(overscrollPastStart, overscrollPastEnd);
    final bool easing = (overscrollPastStart > 0.0 && offset < 0.0)
        || (overscrollPastEnd > 0.0 && offset > 0.0);
    final double friction = easing
        // Apply less resistance when easing the overscroll vs tensioning.
        ? frictionFactor((overscrollPast - offset.abs()) / position.viewportDimension)
        : frictionFactor(overscrollPast / position.viewportDimension);
    final double direction = offset.sign;
    return direction * _applyFriction(overscrollPast, offset.abs(), friction);
  }

3.2、applyBoundaryConditions

ClampingScrollPhysics 的 applyBoundaryConditions 方法中，在计算边界条件值的时候，滑动值会和边界值相减得到相反的数据，使得滑动边界相对静止，从而达到“夹住”的作用 ，也就是动态边界 ，所以默认请下 Android 上滚动到了边界就会停止响应。

  @override
  double applyBoundaryConditions(ScrollMetrics position, double value) {
    if (value < position.pixels && position.pixels <= position.minScrollExtent) // underscroll
      return value - position.pixels;
    if (position.maxScrollExtent <= position.pixels && position.pixels < value) // overscroll
      return value - position.pixels;
    if (value < position.minScrollExtent && position.minScrollExtent < position.pixels) // hit top edge
      return value - position.minScrollExtent;
    if (position.pixels < position.maxScrollExtent && position.maxScrollExtent < value) // hit bottom edge
      return value - position.maxScrollExtent;
    return 0.0;
  }

ps：前面说过蓝色的半圆是默认的 ScrollBehavior 内 buildViewportChrome 方法实现的。

BouncingScrollPhysics 中 applyBoundaryConditions 直接返回 0 ，也就是达到 0 是就边界，过了 0 的就是边界外的拖拽效果了。

  @override
  double applyBoundaryConditions(ScrollMetrics position, double value) => 0.0;

3.3、createBallisticSimulation

因为 createBallisticSimulation 是在 _handleDragCancel 和 _handleDragEnd 时触发的，其实就是停止触摸的时候，当 createBallisticSimulation 返回 null 时，Scrllable 将进入 IdleScrollActivity ，也就是停止滚动的状态。

如下图所示，完全没有 Simulation 的列表滚动，是不会连续滚动的。

ClampingScrollPhysics 的 createBallisticSimulation 方法中，使用了 ClampingScrollSimulation(固定) 和 ScrollSpringSimulation(弹性) 两种 Simulation ，如下代码所示，理论上只有 position.outOfRange 才会触发弹性的回弹效果，但 ScrollPhysics 采用了类似 双亲代理模型 ，其 parent 可能会触发 position.outOfRange ，所以推测这里才会有 ScrollSpringSimulation 补充的判断。

如下代码可以看出，只有在 velocity 速度大于默认加速度，并且是可滑动范围内，才返回 ClampingScrollPhysics 模拟滑动，否则返回 null 进入前面所说的 Idle 停止滑动，这也是为什么普通慢速拖动，不会触发自动滚动的原因。

@override
  Simulation createBallisticSimulation(
      ScrollMetrics position, double velocity) {
    final Tolerance tolerance = this.tolerance;
    if (position.outOfRange) {
      double end;
      if (position.pixels > position.maxScrollExtent)
        end = position.maxScrollExtent;
      if (position.pixels < position.minScrollExtent)
        end = position.minScrollExtent;
      assert(end != null);
      return ScrollSpringSimulation(
        spring,
        position.pixels,
        end,
        math.min(0.0, velocity),
        tolerance: tolerance,
      );
    }
    if (velocity.abs() < tolerance.velocity) return null;
    if (velocity > 0.0 && position.pixels >= position.maxScrollExtent)
      return null;
    if (velocity < 0.0 && position.pixels <= position.minScrollExtent)
      return null;
    return ClampingScrollSimulation(
      position: position.pixels,
      velocity: velocity,
      tolerance: tolerance,
    );
  }

BouncingScrollPhysics 的 createBallisticSimulation 则简单一些，只有在结束触摸时，初始速度大于默认加速度或者超出区域，才会返回 BouncingScrollSimulation 进行模拟滑动计算，否则经进入前面所说的 Idle 停止滑动。

  @override
  Simulation createBallisticSimulation(ScrollMetrics position, double velocity) {
    final Tolerance tolerance = this.tolerance;
    if (velocity.abs() >= tolerance.velocity || position.outOfRange) {
      return BouncingScrollSimulation(
        spring: spring,
        position: position.pixels,
        velocity: velocity * 0.91, // TODO(abarth): We should move this constant closer to the drag end.
        leadingExtent: position.minScrollExtent,
        trailingExtent: position.maxScrollExtent,
        tolerance: tolerance,
      );
    }
    return null;
  }

可以看出，在停止触摸时，列表是否会继续模拟滑动是和 velocity 和 tolerance.velocity 有关，也就是速度大于指定的加速度时才会继续滑动 ，并且在可滑动区域内 ClampingScrollSimulation 和 BouncingScrollSimulation 呈现的效果也不一样。

如下图所示，第一页面的 ScrollSpringSimulation 在停止滚动前是有一定的减速效果的；而第二个页面 ClampingScrollSimulation 是直接快速滑动到边界。

事实上，通过选择或者调整 Simulation ，就可以对列表滑动的速度、阻尼、回弹效果等实现灵活的自定义。

四、Simulation

前面最后说到了，利用 Simulation 实现对列表的滑动、阻尼、回弹效果的实现处理，那么 Simulation 是如何工作的呢？

如上图所示，在 Simulation 的创建是在 ScrollPositionWithSingleContext 的 goBallistic 方法中被调用的 ，然后通过 BallisticScrollActivity 去触发执行。

  @override
  void goBallistic(double velocity) {
    assert(pixels != null);
    final Simulation simulation = physics.createBallisticSimulation(this, velocity);
    if (simulation != null) {
      beginActivity(BallisticScrollActivity(this, simulation, context.vsync));
    } else {
      goIdle();
    }
  }

在 BallisticScrollActivity 状态中，Simulation 被用于驱动 AnimationController 的 value ，然后在动画的回调中获取 Simulation 计算后得到的 value 进行 setPixels(value) 实现滚动。

这里又涉及到了动画的绘制机制，动画的机制等新篇再详细说明，简单来说就是当系统 drawFrame 的 vsync 信号到来时，会执行到 AnimationController 内部的 _tick 方法，从而触发 _value = _simulation.x(elapsedInSeconds).clamp(lowerBound, upperBound); 改变和 notifyListeners(); 通知更新。

对于 Simulation 的内部计算逻辑这里就不展开了，大致上可知 ClampingScrollSimulation 的摩擦因子是固定的，而 BouncingScrollSimulation 内部的摩擦因子和计算，是和传递的位置有关系。

这里需要着重提及的就是，为什么 BouncingScrollPhysics 会自动回弹呢？

其实也是 BouncingScrollSimulation 的功劳，因为 BouncingScrollSimulation 构建时，会传递有 leadingExtent:position.minScrollExtent 和 trailingExtent: position.maxScrollExtent 两个参数，在 underscroll 和 overscroll 的情况下，会利用 ScrollSpringSimulation 实现弹性的回滚到 leadingExtent 和 trailingExtent 的动画，从而达到如下图的效果：