iOS开发中的卡顿分析
2021-11-22 本文已影响0人
wuyou1998
市面上的iOS卡顿分析方案有三种：监控FPS、监控RunLoop、ping主线程。
方案一：监控FPS
一般来说，我们约定60FPS即为流畅。那么反过来，如果App在运行期间出现了掉帧，即可认为出现了卡顿。
监控FPS的方案几乎都是基于CADisplayLink实现的。简单介绍一下CADisplayLink：CADisplayLink是一个和屏幕刷新率保持一致的定时器，一但 CADisplayLink 以特定的模式注册到runloop之后，每当屏幕需要刷新的时候，runloop就会调用CADisplayLink绑定的target上的selector。
可以通过向RunLoop中添加CADisplayLink，根据其回调来计算出当前画面的帧数。
#import "FPSMonitor.h"
#import <UIKit/UIKit.h>
@interface FPSMonitor ()
@property (nonatomic, strong) CADisplayLink* link;
@property (nonatomic, assign) NSInteger count;
@property (nonatomic, assign) NSTimeInterval lastTime;
@end
@implementation FPSMonitor
- (void)beginMonitor {
_link = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(fpsInfoCaculate:)];
[_link addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
}
- (void)fpsInfoCaculate:(CADisplayLink *)sender {
if (_lastTime == 0) {
_lastTime = sender.timestamp;
return;
}
_count++;
double deltaTime = sender.timestamp - _lastTime;
if (deltaTime >= 1) {
NSInteger FPS = _count / deltaTime;
_lastTime = sender.timestamp;
_count = 0;
NSLog(@"FPS: %li", (NSInteger)ceill(FPS + 0.5));
}
}
@end
FPS的好处就是直观，小手一划后FPS下降了，说明页面的某处有性能问题。坏处就是只知道这是页面的某处，不能准确定位到具体的堆栈。
方案二：监控RunLoop
首先来介绍下什么是RunLoop。RunLoop是维护其内部事件循环的一个对象，它在程序运行过程中重复的做着一些事情，例如接收消息、处理消息、休眠等等。
所谓的事件循环，就是对事件/消息进行管理，没有消息时，休眠线程以避免资源消耗，从用户态切换到内核态。
有事件/消息需要进行处理时，立即唤醒线程，回到用户态进行处理。
#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"
int main(int argc, char * argv[]) {
NSString * appDelegateClassName;
@autoreleasepool {
appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
}
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}
UIApplicationMain函数内部会启动主线程的RunLoop，使得iOS程序持续运行。
iOS系统中有两套API来使用RunLoop，NSRunLoop（CFRunLoopRef的封装）和CFRunLoopRef。Foundation框架是不开源的，可以通过开源的CoreFoundation来分析RunLoop内部实现。
RunLoop对象底层就是一个CFRunLoopRef结构体，内部数据如下：
struct __CFRunLoop {
pthread_t _pthread; // 与RunLoop一一对应的线程
CFMutableSetRef _commonModes; // 存储着NSString（mode名称）的集合
CFMutableSetRef _commonModeItems; // 存储着被标记为commonMode的Source0/Source1/Timer/Observer
CFRunLoopModeRef _currentMode; // RunLoop当前的运行模式
CFMutableSetRef _modes; // 存储着RunLoop所有的 Mode（CFRunLoopModeRef）模式
// 其他属性略
};
struct __CFRunLoopMode {
CFStringRef _name; // mode 类型，如：NSDefaultRunLoopMode
CFMutableSetRef _sources0; // 事件源 sources0
CFMutableSetRef _sources1; // 事件源 sources1
CFMutableArrayRef _observers; // 观察者
CFMutableArrayRef _timers; // 定时器
// 其他属性略
};
Source0被添加到RunLoop上时并不会主动唤醒线程，需要手动去唤醒。Source0负责对触摸事件的处理以及performSeletor:onThread:。
Source1具备唤醒线程的能力，使用的是基于Port的线程间通信。Source1负责捕获系统事件，并将事件交由Source0处理。
struct __CFRunLoopSource {
CFRuntimeBase _base;
uint32_t _bits;
pthread_mutex_t _lock;
CFIndex _order; /* immutable */
CFMutableBagRef _runLoops;
union {
CFRunLoopSourceContext version0; // 表示 sources0
CFRunLoopSourceContext1 version1; // 表示 sources1
} _context;
};
__CFRunLoopTimer和NSTimer是免费桥接toll-free bridged的。
performSelector:WithObject:afterDelay:方法会创建timer并添加到RunLoop中。
struct __CFRunLoopTimer {
CFRuntimeBase _base;
uint16_t _bits;
pthread_mutex_t _lock;
CFRunLoopRef _runLoop;
CFMutableSetRef _rlModes;
CFAbsoluteTime _nextFireDate;
CFTimeInterval _interval; /* immutable */
CFTimeInterval _tolerance; /* mutable */
uint64_t _fireTSR; /* TSR units */
CFIndex _order; /* immutable */
CFRunLoopTimerCallBack _callout; /* immutable */
CFRunLoopTimerContext _context; /* immutable, except invalidation */
};
RunLoopObserver用于监听RunLoop的六种状态。CFRunLoopObserver中的_activities用于保存RunLoop的活动状态，当状态发生改变时，通过回调函数_callout函数通知所有observer。
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 即将进入 RunLoop
kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), // 即将处理 Timers
kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将处理 Sources
kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠
kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), // 刚从休眠中唤醒
kCFRunLoopExit = (1UL << 7), // 即将退出 RunLoop
kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU // 以上所有状态
};
struct __CFRunLoopObserver {
CFRuntimeBase _base;
pthread_mutex_t _lock;
CFRunLoopRef _runLoop;
CFIndex _rlCount;
CFOptionFlags _activities; /* immutable */
CFIndex _order; /* immutable */
CFRunLoopObserverCallBack _callout; /* immutable */
CFRunLoopObserverContext _context; /* immutable, except invalidation */
};
简单过一下RunLoop的源码。
void CFRunLoopRun(void) { /* DOES CALLOUT */
int32_t result;
do {
result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
CHECK_FOR_FORK();
} while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}
简单来看RunLoop是个 do..while循环，下面来看看循环中具体干了哪些事情。
SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) { /* DOES CALLOUT */
CHECK_FOR_FORK();
if (__CFRunLoopIsDeallocating(rl)) return kCFRunLoopRunFinished;
__CFRunLoopLock(rl);
//根据modeName来查找本次运行的mode
CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(rl, modeName, false);
// 如果没找到mode 或者 mode里没有任何的事件，就此停止，不再循环
if (NULL == currentMode || __CFRunLoopModeIsEmpty(rl, currentMode, rl->_currentMode)) {
Boolean did = false;
if (currentMode) __CFRunLoopModeUnlock(currentMode);
__CFRunLoopUnlock(rl);
return did ? kCFRunLoopRunHandledSource : kCFRunLoopRunFinished;
}
CFRunLoopModeRef previousMode = rl->_currentMode;
rl->_currentMode = currentMode;
int32_t result = kCFRunLoopRunFinished;
// 通知 observers 即将进入RunLoop
if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopEntry ) __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
// RunLoop具体要做的事情
result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);
// 通知 observers 即将退出RunLoop
if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopExit ) __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
__CFRunLoopModeUnlock(currentMode);
__CFRunLoopPopPerRunData(rl, previousPerRun);
rl->_currentMode = previousMode;
__CFRunLoopUnlock(rl);
return result;
}
从上面可以看到RunLoop除了通知observers即将进入/退出外，其他具体要做的事情都写在了__CFRunLoopRun中。
static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode) {
uint64_t startTSR = mach_absolute_time();
// 状态判断
if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
__CFRunLoopUnsetStopped(rl);
return kCFRunLoopRunStopped;
} else if (rlm->_stopped) {
rlm->_stopped = false;
return kCFRunLoopRunStopped;
}
// 初始化timeout_timer代码 略
int32_t retVal = 0;
do {
__CFPortSet waitSet = rlm->_portSet;
__CFRunLoopUnsetIgnoreWakeUps(rl);
// 通知 observers 即将处理Timer
if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeTimers) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
// 通知 observers 即将处理Sources
if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeSources) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
// 处理主队列异步的block
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
// 处理Source0
Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
if (sourceHandledThisLoop) {
// 处理block
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
}
Boolean poll = sourceHandledThisLoop || (0ULL == timeout_context->termTSR);
didDispatchPortLastTime = false;
if (MACH_PORT_NULL != dispatchPort && !didDispatchPortLastTime) {
// 判断有无Source1
if (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, 0, &voucherState, NULL)) {
// 有Source1就跳转到handle_msg
goto handle_msg;
}
}
// 通知 observers 即将进入休眠
if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
__CFRunLoopSetSleeping(rl);
__CFPortSetInsert(dispatchPort, waitSet);
__CFRunLoopModeUnlock(rlm);
__CFRunLoopUnlock(rl);
CFAbsoluteTime sleepStart = poll ? 0.0 : CFAbsoluteTimeGetCurrent();
if (kCFUseCollectableAllocator) {
memset(msg_buffer, 0, sizeof(msg_buffer));
}
msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
// 休眠，等待消息来唤醒线程
__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy);
__CFRunLoopLock(rl);
__CFRunLoopModeLock(rlm);
rl->_sleepTime += (poll ? 0.0 : (CFAbsoluteTimeGetCurrent() - sleepStart));
__CFPortSetRemove(dispatchPort, waitSet);
__CFRunLoopSetIgnoreWakeUps(rl);
__CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
//通知 observers RunLoop刚从休眠中唤醒
if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopAfterWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);
// 跳转标志 handle_msg
handle_msg:;
__CFRunLoopSetIgnoreWakeUps(rl);
if (MACH_PORT_NULL == livePort) {
CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_NOTHING();
// handle nothing
} else if (livePort == rl->_wakeUpPort) {
CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_WAKEUP();
}
#if USE_MK_TIMER_TOO
// 被Timer唤醒
else if (rlm->_timerPort != MACH_PORT_NULL && livePort == rlm->_timerPort) {
CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_TIMER();
//处理Timer
if (!__CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())) {
// Re-arm the next timer
__CFArmNextTimerInMode(rlm, rl);
}
}
#endif
// 被GCD唤醒
else if (livePort == dispatchPort) {
CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_DISPATCH();
__CFRunLoopModeUnlock(rlm);
__CFRunLoopUnlock(rl);
_CFSetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ, (void *)6, NULL);
// 处理GCD
__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
_CFSetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ, (void *)0, NULL);
__CFRunLoopLock(rl);
__CFRunLoopModeLock(rlm);
sourceHandledThisLoop = true;
didDispatchPortLastTime = true;
} else {
// 被Source1唤醒
CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_SOURCE();
voucher_t previousVoucher = _CFSetTSD(__CFTSDKeyMachMessageHasVoucher, (void *)voucherCopy, os_release);
CFRunLoopSourceRef rls = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(rl, rlm, livePort);
_CFSetTSD(__CFTSDKeyMachMessageHasVoucher, previousVoucher, os_release);
}
// 处理Block
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
// 处理返回值
if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
// 进入loop时参数标记为处理完事件就返回
retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
} else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {
// 超出传入参数标记的超时时间
retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
} else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
// 被外部调用者强行停止
__CFRunLoopUnsetStopped(rl);
retVal = kCFRunLoopRunStopped;
} else if (rlm->_stopped) {
// 自动停止
rlm->_stopped = false;
retVal = kCFRunLoopRunStopped;
} else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {
// mode为空，没有source0、source1、timer、observers
retVal = kCFRunLoopRunFinished;
}
} while (0 == retVal);
if (timeout_timer) {
dispatch_source_cancel(timeout_timer);
dispatch_release(timeout_timer);
} else {
free(timeout_context);
}
return retVal;
}
整体流程如下图所示。
事件循环机制
根据这张图可以看出：RunLoop在BeforeSources和AfterWaiting后会进行任务的处理。可以在此时阻塞监控线程并设置超时时间，若超时后RunLoop的状态仍为RunLoop在BeforeSources或AfterWaiting，表明此时RunLoop仍然在处理任务，主线程发生了卡顿。
- (void)beginMonitor {
self.dispatchSemaphore = dispatch_semaphore_create(0);
// 第一个监控，监控是否处于 运行状态
CFRunLoopObserverContext context = {0, (__bridge void *) self, NULL, NULL, NULL};
self.runLoopBeginObserver = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
kCFRunLoopAllActivities,
YES,
LONG_MIN,
&myRunLoopBeginCallback,
&context);
// 第二个监控，监控是否处于 睡眠状态
self.runLoopEndObserver = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
kCFRunLoopAllActivities,
YES,
LONG_MAX,
&myRunLoopEndCallback,
&context);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), self.runLoopBeginObserver, kCFRunLoopCommonModes);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), self.runLoopEndObserver, kCFRunLoopCommonModes);
// 创建子线程监控
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
//子线程开启一个持续的loop用来进行监控
while (YES) {
long semaphoreWait = dispatch_semaphore_wait(self.dispatchSemaphore, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 17 * NSEC_PER_MSEC));
if (semaphoreWait != 0) {
if (!self.runLoopBeginObserver || !self.runLoopEndObserver) {
self.timeoutCount = 0;
self.dispatchSemaphore = 0;
self.runLoopBeginActivity = 0;
self.runLoopEndActivity = 0;
return;
}
// 两个runloop的状态，BeforeSources和AfterWaiting这两个状态区间时间能够检测到是否卡顿
if ((self.runLoopBeginActivity == kCFRunLoopBeforeSources || self.runLoopBeginActivity == kCFRunLoopAfterWaiting) ||
(self.runLoopEndActivity == kCFRunLoopBeforeSources || self.runLoopEndActivity == kCFRunLoopAfterWaiting)) {
// 出现三次出结果
if (++self.timeoutCount < 2) {
continue;
}
NSLog(@"调试：监测到卡顿");
} // end activity
}// end semaphore wait
self.timeoutCount = 0;
}// end while
});
}
// 第一个监控，监控是否处于 运行状态
void myRunLoopBeginCallback(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info) {
RunLoopMonitor2* lagMonitor = (__bridge RunLoopMonitor2 *)info;
lagMonitor.runLoopBeginActivity = activity;
dispatch_semaphore_t semaphore = lagMonitor.dispatchSemaphore;
dispatch_semaphore_signal(semaphore);
}
// 第二个监控，监控是否处于 睡眠状态
void myRunLoopEndCallback(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info) {
RunLoopMonitor2* lagMonitor = (__bridge RunLoopMonitor2 *)info;
lagMonitor.runLoopEndActivity = activity;
dispatch_semaphore_t semaphore = lagMonitor.dispatchSemaphore;
dispatch_semaphore_signal(semaphore);
}
方案三：Ping主线程
Ping主线程的核心思想是向主线程发送一个信号，一定时间内收到了主线程的回复，即表示当前主线程流畅运行。没有收到主线程的回复，即表示当前主线程在做耗时运算，发生了卡顿。
目前昆虫线上使用的就是这套方案。
self.semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
- (void)main {
//判断是否需要上报
__weak typeof(self) weakSelf = self;
void (^ verifyReport)(void) = ^() {
__strong typeof(weakSelf) strongSelf = weakSelf;
if (strongSelf.reportInfo.length > 0) {
if (strongSelf.handler) {
double responseTimeValue = floor([[NSDate date] timeIntervalSince1970] * 1000);
double duration = responseTimeValue - strongSelf.startTimeValue;
if (DEBUG) {
NSLog(@"卡了%f,堆栈为--%@", duration, strongSelf.reportInfo);
}
strongSelf.handler(@{
@"title": [InsectUtil dateFormatNow].length > 0 ? [InsectUtil dateFormatNow] : @"",
@"duration": [NSString stringWithFormat:@"%.2f",duration],
@"content": strongSelf.reportInfo
});
}
strongSelf.reportInfo = @"";
}
};
while (!self.cancelled) {
if (_isApplicationInActive) {
self.mainThreadBlock = YES;
self.reportInfo = @"";
self.startTimeValue = floor([[NSDate date] timeIntervalSince1970] * 1000);
dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
self.mainThreadBlock = NO;
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
});
[NSThread sleepForTimeInterval:(self.threshold/1000)];
if (self.isMainThreadBlock) {
self.reportInfo = [InsectBacktraceLogger insect_backtraceOfMainThread];
}
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
//卡顿超时情况;
verifyReport();
} else {
[NSThread sleepForTimeInterval:(self.threshold/1000)];
}
}
}
总结
| 方案 | 优点 | 缺点 | 实现复杂性 |
|---|---|---|---|
| FPS | 直观 | 无法准确定位卡顿堆栈 | 简单 |
| RunLoop Observer | 能定位卡顿堆栈 | 不能记录卡顿时间，定义卡顿的阈值不好控制 | 复杂 |
| Ping Main Thread | 能定位卡顿堆栈，能记录卡顿时间 | 一直ping主线程，费电 | 中等 |
