基于.NET的跨平台应用程序框架介绍

随着.NET 8的发布，我也将我的书.NET MAUI Cross-Platform Application Development更新到了第二版，已经在3月25日开始正式发行。第一版是基于.NET 6编写的，第二版更新到了 .NET 8。这是一本介绍.NET MAUI的书籍。可以通过下面的链接购买。

https://epa.ms/maui

在第二版的评审过程中，通过与同行的交流，我总觉得并不应该只用.NET MAUI来代表基于.NET的跨平台解决方案。

.NET MAUI是一种跨平台应用框架，在这里我强调的是应用框架。它与其它的主流跨平台应用框架如Flutter，React Native或者Ionic等一样，都属于应用框架。应用框架通常是建立在通用框架和相应的编程语言之上的。我们有很多通用框架和语言可选择，如Java/JVM，JavaScript/Node.js以及C#/.NET Core等。跨平台应用开发的挑战主要来自于对用户界面的处理，所以根据不同的用户界面处理方案，我们大致可以将跨平台应用框架分为以下三类。

• 原生用户界面抽象化：通过抽象化用户界面元素，将其映射到系统的原生控件。目前.NET MAUI和React Native使用这种方案。这种方案的好处是，应用的用户界面与原生是一致的。原生控件的更新变化，会自动在应用中生效。缺点是比较难将控件精确的映射到每个所支持的平台。
• 使用2D图形库：使用2D图形库来绘制用户界面控件。Flutter和Avalonia UI使用的是这种方案。好处是摆脱了对原生控件的依赖。对所有支持的平台，应用界面高度一致。缺点是与原生控件的行为可能不一致，特别是原生控件更新了以后，跨平台应用的行为会与原生控件有差异。
• 使用WebView：这一方案是通过使用浏览器的界面来构建用户界面。Ionic和.NET MAUI Blazor都使用这种方案。这种方案可以重用前端应用的代码，因为都是以HMTL/CSS/JavaScript来构建的。但这个方案会受到基于浏览器的局限，用户界面更类似网页应用而非原生应用。

从上面的分类可以看出，基于.NET的应用框架，涵盖了所有可能的实现方式，而非只是基于.NET MAUI的跨平台方案。本文将对基于.NET的应用框架做一个介绍和初步的比较。

基于.NET的跨平台应用框架主要有下面几种：

• .NET MAUI
• .NET MAUI Blazor Hybrid
• Avalonia UI
• Uno Platform
• Xamarin (.NET for Android, .NET for iOS and .NET for Mac)

这些应用框架都是建立在.NET之上的，或者说是建立在.NET 6之后的.NET之上的。因为原始的.NET Framework本身并不是一个跨平台框架。通过与开源项目Mono的整合，才逐渐演变成了今天的类似Java/JVM的跨平台通用框架。开源项目Mono提供了对Android, iOS, macOS和Linux等的.NET支持。Mono项目的另一重要贡献就是开发了Xamarin这一层中间件。我之所以使用中间件而非框架来描述Xamarin，是因为它本身并不是一个全新的东西，它只是为其下的平台提供.NET接口。通过使用Xamarin，.NET应用可以直接使用C#访问几乎所有平台提供的功能。如，Xamarin.Android提供了所有原生的Android API。同样的Xamarin.iOS也提供了所有iOS的API。

在Xamarin的基础上，开源团队推出了Xamarin.Forms这一跨平台用户界面解决方案。Xamarin提供了使用.NET/C#进行原生开发的能力。非用户界面代码封装成.NET Standard库来实现代码复用。
如下图所示的Xamarin.Forms架构图。

Figure 1: Xamarin.Forms 架构

在上图中，我用上标标出了相应开源代码的链接。你可以参考本文底部的参考链接。基于Xamarin的方案有多种实施方式。

Xamarin.Forms和.NET MAUI的跨平台方案都是通过抽象原生控件来实现的。抽象化的控件通过Xamarin.Forms renderer或者.NET MAUI handlers映射到原生控件上，如下图所示。

Figure 2: Xamarin.Forms Renderers and .NET MAUI Handlers

在上图中，可以看到抽象控件Button在Xamarin.Forms和.NET MAUI中的实现。在Xamarin.Forms中，跨平台控件Button，通过ButtonRenderer映射到不同平台的原生控件，如在iOS上的UIButton，Android上的AppCompatButton和Windows上的 Button。
在.NET MAUI中，跨平台控件Button，通过IButton接口和ButtonHandler映射到不同平台的原生控件。

如果想最大限度地复用代码，你可以使用Xamarin.Forms和.NET Standard库，这样代码的复用率可以达到90%以上。

如果你对性能和用户体验有较高的要求，可以直接基于Xamarin构建应用，这种开发非常类似于原生开发。所有的平台都使用.NET和C#，在一定程度上也可以复用代码。

Figure 3: Native Application Development using Xamarin

微软在.NET 6之后发布了.NET MAUI。可以说，.NET MAUI比起Xamarin.Forms更像是一种演进，而不是革命性的变化。如下图所示，.NET MAUI取代了Xamarin.Forms。而.NET for Android，.NET for iOS和.NET for Mac也无疑都是Xamarin.Android，Xamarin.iOS和Xamarin.Mac的更新。为了方便起见，在本文中，我仍然将使用Xamarin表示此层。几个基于Xamarin项目的GitHub仓库仍然是一样的。.NET本身自.NET 5以来，也出现了很大的变化，也就是在所有平台上都有了统一的.NET BCL。

Figure 4: .NET MAUI 架构

在发布.NET MAUI之后，我们仍然可以使用Xamarin进行原生开发，并不一定非得使用.NET MAUI。例如，我们可以单独使用.NET for Android来使用.NET/C#来开发原生Android应用。

.NET MAUI还有一种使用方式，即使用Blazor开发.NET MAUI Blazor Hybrid应用。Blazor是一种基于.NET的网络应用开发方案。在.NET MAUI中，增加了一个特殊的控件BlazorWebView。这是一个支持Blazor的WebView控件。我们可以使用BlazorWebView来开发用户界面，这样我们就可以使用同一套代码来开发网络、移动以及桌面应用。

使用.NET MAUI开发跨平台应用，目前并不支持Linux。虽然有开源项目在开发Linux的支持，但进展并不顺利。.NET MAUI借助将抽象控件映射到原生控件的方案，在Linux上比较困难。Linux与Android，iOS，macOS，Windows等不同，没有统一的用户界面库，而是具有多个用户界面库如GTK或QT等。

在基于.NET的方案中，Avalonia UI和Uno Platform都支持Linux。下面我们将分别介绍这两者。

Avalonia UI使用2D图形库自行实现控件。如下图所示，除了2D图形库Skia，Avalonia UI只依赖于.NET。在.NET之上，Avalonia UI使用Skia库实现了自己的所有控件。因此，Avalonia UI在所有平台上的表现非常一致。

Figure 5: Avalonia UI 架构

Avalonia UI这个开源项目起源于将WPF框架扩展到macOS和Linux的想法，它起初是一个桌面应用框架。而在.NET 6之后，该项目也把移动应用和WebAssembly加入了框架之中。基于Avalonia UI的应用编程与WPF应用的开发过程高度类似。对于熟悉WPF应用开发的开发者来说，这是非常容易上手的。

除了.NET MAUI和Avalonia UI外，我们还要比较的另一个跨平台框架是Uno Platform。.NET MAUI和Avalonia UI都非常具有代表性，分别代表了使用原生控件和使用2D图形库的跨平台实现。而Uno Platform则是一个兼具两种特性的解决方案，如下图所示。

Figure 6: Uno Platform 架构

Uno Platform针对不同的系统采用了不同的解决方案。

• Android、iOS和macOS：Uno Platform使用了Xamarin来实现在Android，iOS和macOS上的控件。这点与.NET MAUI类似，但由于Uno Platform也是从WPF演变来的，因此Uno应用的编写方式也与WPF类似。在最新的版本中，直接使用了WinUI 3。
• Windows：如果是Windows应用，在Uno Platform上，与WinUI 3的应用没有任何区别。
• Linux：对Linux的支持方面，Uno Platform使用了与Avalonia UI相同的方式，即通过Skia自行实现控件。
• WebAssembly：对WebAssembly的支持则是将C#/XAML转换成HTML/CSS。

从这里我们可以看出，Uno Platform采用的是一种混合的实现方式。

下面的表格对这几种跨平台方案进行了总结和比较。

当我们将所有框架组合在一起时，我们可以看到下面的图7。尽管看上去有点复杂，但这个图清楚地展示了.NET MAUI、Uno平台和Avalonia UI如何融入.NET架构。

Figure 7: .NET cross-platform solutions

通过本文的介绍，我们可以看到，基于.NET的跨平台方案有多种实现方式，每种实现方式都有其优缺点。选择哪种方案需要根据实际的使用场景来决定。

References:

1. .NET MAUI source code
   https://github.com/dotnet/maui
2. .NET for Android source code – Both .NET for Android and Xamarin.Android are built from this repository with different build configurations.
   https://github.com/xamarin/xamarin-android
3. .NET for iOS source code – Both .NET for iOS and Xamarin.iOS are built from this repository with different build configurations.
   https://github.com/xamarin/xamarin-macios
4. .NET for Mac source code - .NET for iOS and .NET for Mac are shared the same code base with different build configuration.
   https://github.com/xamarin/xamarin-macios
5. WinUI
   https://github.com/microsoft/microsoft-ui-xaml
6. Avalonia UI
   https://github.com/AvaloniaUI/Avalonia
7. Skia
   https://github.com/google/skia
8. Uno Platform
   https://github.com/unoplatform/uno
9. Avalonia UI and MAUI - Something for everyone
   https://www.avaloniaui.net/Blog/avalonia-ui-and-maui-something-for-everyone
10. Xamarin.Forms
    https://github.com/xamarin/Xamarin.Forms
11. Mono
    https://github.com/mono/mono
12. .NET MAUI Cross-Platform Application Development
    https://www.packtpub.com/product/net-maui-cross-platform-application-development-second-edition/9781835080597