作业帮直播间前端架构优化实践

背景介绍

作业帮的直播间以信令为基础做教师端，学生端的同步渲染。整个直播间包括推拉流，流媒体渲染，聊天区，课件区，连麦, 通用互动等功能，其中课件区包括 H5 课件、Cocos 课件、白板、互动题、小游戏等。整体课件区内容的呈现是在 Webview 里，Webview 运行时聚合了多个不同种类的内容。下图为作业帮直播间功能简图。

技术难点

• 终端碎片化带来多种内容渲染的稳定性；
• 直播间性能保证，整体内存 /CPU 控制，子功能模块内存 /CPU 分配；
• 信令到达保证及各个环节的有序执行；
• 容错，任一内容环节出问题，如何保证不影响后续运行；
• 不同技术栈内容的持续性接入。

现状

前面介绍了整个直播间多背景知识以及前端的一些技术挑战，前端的主要功能区在课件区，可以看下优化之前的老架构，对整体有个粗略的认识。

所有的业务层代码聚合在称之为 zb 的模块，从图中可以粗略看出 zb 模块是一个比较庞大的模块，承载了众多不同技术体系的内容渲染和调度，也是反馈问题的重灾区，运行在一个常驻的浏览器之上。

随着用户规模的不断增大，不同的用户机型设备的增多以及内容的丰富度和效果的提升，我们的 zb 稳定性以及性能遇到了很大的挑战，线上的工单反馈也有上升趋势。来自用户侧反馈的问题大概为以下几类：

• 课件区黑屏，白屏，花屏；
• 卡在某一个具体的页面，中断了同步；
• 卡顿；
• 互动题做不了；
• 看不到老师笔记。

问题分析

通过大量的测试以及问题排查列举出我们的架构存在以下问题：

• Webview 内存占用持续上升，无法及时 GC，内存不足是导致黑白屏的根本原因，Webview 的回收机制对我们来说是黑盒，尤其是基于 DOM 方式的渲染，研发无法通过代码触发 GC；
• 卡顿的原因来源于一些动画造成 CPU， 内存瞬间增长；
• 信令全链路到达有丢失，服务 -> NA -> Webview ，NA -> Webview 通信没有机制保障，兜底保证通信代码较多，即使信令到达，执行的时机以及完成时机都有一定程度业务的耦合；
• 渲染不同内容的调度逻辑耦合较多业务逻辑，逻辑链路较深，排查问题较难；
• 任一内容的逻辑出错或者报错有可能影响后续信令处理和调度逻辑；
• 统一运行在同一个 Webview，不同内容的消耗很难通过指标进行量化；
• 课件区内部分层不清晰，耦合较重；
• 排查问题与不同角色的技术，边界不清晰，沟通成本高，排查效率低。

设计目标

根据直播间的面临的技术难点以及结合我们目前架构所面临的问题，我们希望新架构能够实现以下几个目标：

• 底层保证内存及时回收；
• 底层渲染 Runtime 可切换；
• 通信可靠性保证（NA/FE）；
• 内容隔离;
• 调度逻辑与不同内容解藕;
• 单个内容针对性降低内存 /CPU 并且可量化

实践 & 探索

作业帮直播间的前端架构

容器及 SDK 设计

容器设计

容器的定义

容器是直播间任何内容的载体，容器可以是 Native 容器，里面运行着 Native 的组件，可以是一个 Webview 容器，可以是一个 Cocos 容器。容器有以下几个特点：

• 载体；
• 独立无依赖；
• 生命周期；
• 独立开发，独立部署。

有了容器之后，我们可以把调度逻辑独立出来，下沉到端，这一层可以更专注任务的调度以及信令的处理，与内容解耦。

容器的状态

容器 SDK 设计

有了容器的抽象，各个内容如何集成到容器内以及如何感知容器的不同的状态切换，需要一个标准 SDK 去帮助封装所有的底层细节，对业务无感。SDK 需要具备以下能力:

• 生命周期钩子；
• 支持自定义调试；
• 支持后续的扩展；
• 基础工具库。

可以通过下面这张图，简单了解 SDK 的容器周期和实现逻辑：

内容播放器

有了容器以及调度，作为内容的业务开发，可以更专注于某一个内容本身，为了保证后续内容的可持续规范性接入，我们针对不同的内容做了一层抽象，定义为内容播放器。我们的主要播放器有 H5 PPT 播放器，H5 互动题播放器，Cocos 课件及互动播放器，画版播放器等，下面会重点介绍下 H5 PPT 播放器以及详细介绍下 Cocos 播放器架构层面的一些优化方案。

H5 PPT 播放器

这里我们以 H5 PPT 为例来介绍基于新架构播放器的分层，H5 PPT 是由编辑器生产出一份数据 + 资源去驱动内容及动画的展示，参考下图，自底往上分别为： 

1. 容器层，负责播放器运行时；

2. 前端的基础库； 

3. 适配层, 播放器纯渲染层和直播间的适配，包括容器生命周期的桥接，信令的注册与处理 ；

4. 播放器的渲染层。

Cocos 内容播放器设计与优化

Cocos 内容播放器是比较复杂的一个播放器，代码量非常庞大，接下来会重点介绍下我们针对 Cocos 播放器结合新架构做的一系列优化。

当前问题

• 信令恢复不稳定容易出问题；
• 加载和恢复性能差，耗时久；
• 线上问题排查困难，不易锁定。

问题分析

• 依赖过程的同步同步逻辑，如果出现信令丢失或者信令顺序错误，则会造成逻辑错误，并且后续的所有操作和渲染逻辑都会受到影响；
• 每次加载 Cocos 引擎、Framework、互动内容都会消耗大量的加载时间，同时依赖过程的恢复逻辑类似于帧同步，决定了断线恢复的时候要恢复之前的所有逻辑，耗时较长，CPU 占用较高；
• 同步逻辑是同步的 Touch 事件派发，所以数据中的事件表示不出业务逻辑，只有客户端响应后才知道触发了何种逻辑。

解决方案及技术难点

• 重构信令恢复机制，改为状态同步，状态同步可以解决数据错乱和丢包造成的结果不正确问题，以及恢复时耗时的性能问题，同时排查线上问题也能有明确数据内容来锁定问题。但状态同步有两个问题需要解决：与业务解耦和同步的数据量；
• 加载性能和内存问题，一个通过采用 Runtime 提前初始化，另一个采用生产时对内容进行标准化限制。

状态同步设计

设计思路：底层捕获输入事件以及渲染数据变化，避免业务感知同步逻辑，状态数据的同步与业务逻辑解耦，降低研发成本，同时增加增量状态和全量状态两种数据，来解决数据量大的问题。

下面这张图是节点状态变化的捕获和分发流程，这个机制在多个端之间也可以正常运作，比如从 A 端捕获的状态派发给 B 端，这就满足的主讲的操作可以同步到学生端的诉求。

下面是状态数据量的优化策略，虽然全部数据已经通过上面的逻辑控制的比较低了，但是为了更高效，并不是每帧都同步全部数据，是在关键帧把数据同步，其它帧只同步增量，这样既保证了数据量也保证了准确性，即使有丢失错乱，但是在下次全量数据是也一定能够恢复正确状态。

内存和 cpu 优化

上一部分容器的抽象，容器可以被调度，可以被销毁，在一定程度可以保证渲染内容的及时回收，接下来这部分针对不同内容做的一些优化手段。内存 /CPU 优化在我们场景中有很多的优化动作，包括客户端独立进程，Cocos 方向等，下面的环节重点介绍基于 Webview 运行时的内容的优化。

浏览器渲染过程

上面是浏览器渲染相关比较核心的一张图，如果你深入理解了浏览器整个渲染流程，就很清楚浏览器会在哪些阶段会有 CPU 以及内存的消耗，我们可以大概列举如下：

• JS 代码复杂度及运行频率，会导致 CPU 消耗，操作 DOM 也会消耗内存；
• JS 代码内存泄漏；
• DOM 会被解析 LayoutObject，所以复杂大量的 DOM 嵌套，会导致 CPU 和内存的消耗；
• CSS 同样会被解析 Object，复杂的 CSS 规则会导致 CPU，CSS 规则也可能导致 GPU 内存的消耗；
• 图片资源，解码 CPU 消耗，渲染是高内存消耗；
• 回流、重绘会导致 CPU 内存增长；
• 巧用合成层会减少 GPU 内存消耗，要避免层爆炸。

图片渲染过程

• IO；
• 解码（CPU 解码，位图 -> GPU）；
• 渲染管线 （顶点计算 / 光栅化 / 片元着色 / 帧缓冲渲染到屏幕）。

图片内存

• 位深 (color depth （32 /24 …)。
• 尺寸 （图片分辨率）。
• 体积 （磁盘存储所需大小）。

图片占用显存的计算方式如下：

width * height * （colorDepth/8） /（1024 * 1024）= X (M)

1024 * 1024 * (32/8)/(1024 * 1024) = 4M

可以看出图片尺寸对于内存的影响较大。

优化手段

• 图片压缩 / 图片裁剪；
• GIF 抽帧，GIF 按照 12fps 抽帧；
• 动画降帧，Lottie 按照设计帧率运行，并降低至 12fps；
• 互动题题版，运行时按需加载；
• GIF 作为合成层渲染，GPU 降低较明显；
• 信令发送频率及数据量降低；
• 白板相关优化涉及内容较多，不在这里阐述；
• Cocos 框架优化，在上一部分内容播放器优化里有介绍。

 总结

• 黑白屏降至千分位；
• 追查问题高效；
• 复杂度降低，迭代成本降低；
• 单一内容问题，不影响后续播放。

作者介绍：

张士标，作帮直播课堂前端团队负责人，致力于课件、互动系统的持续性能优化和探索。