Android性能优化-App卡顿

目录

1.卡顿简介

2.检测Jank：介绍监测卡顿的方法

3.修复卡顿问题：介绍如何修复卡顿问题；

4.卡顿通常的原因：介绍导致卡顿问题的常见原因

1.卡顿介绍：

为了保证应用的平滑性，每一帧渲染时间不能超过16ms，达到60帧每秒；如果UI渲染慢的话，就会发生丢帧，这样用户就会感觉到不连贯性，我们称之为Jank；本文提供一些关于检测和修复丢帧问题的一些指导；可以通过adb shell dumpsys gfxinfo <package name>来确定应用渲染时间指标；

2.监测Jank

在您的应用程序中定位引起jank的代码可能很困难。 本部分介绍了三种识别jank的方法：Visual inspection：通过视觉检查，您可以在几分钟内快速浏览应用程序中的所有用例use-cases，但不能提供与Systrace相同的详细信息。Systrace：Systrace提供了更多的细节，但是如果你运行Systrace来处理应用程序中的所有用例，那么就会被大量的数据淹没，难以分析；Custom performance monitoring：Visual inspection和Systrace都会在你的本地设备上检测到。如果不能在本地设备上重现，则可以构建自定义性能监视器Custom performance monitoring，以测量在现场运行的设备上应用的特定部分。

2.1检测Jank一：Visual inspection

即打开开发者选项中的GPU渲染模式分析,目视检查可以帮助您识别正在生产结果的使用案例。 要执行视觉检查，请打开您的应用程序并手动执行应用程序的不同部分，然后查看是否有丢帧情况。以下是GPU渲染模式分析检测的一些注意事项：
（1）运行release 版本：运行您release应用程序的版本（或至少不可调试）的版本。ART运行时为了支持调试功能而禁用了一些重要的优化，所以确保你正在寻找类似于用户将看到的东西。
（2）开启GPU渲染：设置-开发者选项-GPU渲染模式分析：开启配置文件GPU渲染，会在屏幕上显示条形图，可以快速直观地显示相对于每帧16毫秒基准测试渲染UI窗口帧所花费的时间。每个条都有不同颜色的组件映射到渲染管道中的一个操作，所以你可以看到哪个部分花费的时间最长，例如，如果框架花费大量时间处理输入，则应该查看处理用户输入的应用程序代码。如下图所示：

开启GPU渲染效果图.png

（3）留意特殊组件：有一些组件，如RecyclerView，是Jank普遍的来源。 如果您的应用程序使用这些组件，那么运行应用程序的这些部分是一个很好的想法；
（4）App 冷启动导致：有时候，只有当应用程序从冷启动启动（Clod start）时，才能复现Jank；
（5）将应用运行在比较慢的机器上更容易复现这些问题；
如果你找到了导致丢帧的场景，那么你应用大致知道是什么原因导致丢帧的，可以使用systrace进一步分析该问题；

2.2检测Jank二：systrace

Systrace可以显示整体设备正在做什么，并且可以识别应用程序中的Jank，SysTrace系统开销很小，所以你可以检测到真正的卡顿问题；
用SysTrace记录执行导致卡顿的用例，可以参考systrace如何使用SysTrace，systrace被进程和线程分解，我们来看一下下图中SysTrace中的应用进程：

image

Figure 1: systrace
上图中的systrace包含以下信息可以用来检测Jank；
（1）SysTrace显示每一帧的绘制，并会高亮显示渲染比较慢的帧，使用绿色、黄色、红色来显示，每一帧的渲染时间超过16ms会用黄色或者红色来显示；这个比GPU渲染模式分析更准确的显示每一帧，更过的信息可以参考Inspecting Frames。
（2）SysTrace检测出来的应用问题显示在每一帧和警告面板中，丢帧问题的修改可以参考警告面板中的提示；
（3）部分Android框架和jar包代码中包含了Trace标记，例如RecyclerView中，这样在SysTrace的时间线中会显示主线程中那个方法被执行以及执行时间；
（4）在分析SysTrace结果之后，我们会找到可能导致丢帧的相关方法，然后在相关代码中添加Trace编辑（如何添加Trace标记可以参考systrace），然后继续抓取新的SysTrace信息。这样在新的SysTrace中可以看到方法何时被调用以及方法执行时间；
（5）如果SysTrace看不出来主线耗时比较严重的详细信息，可以使用CPU Profiler记录和检查函数跟踪，由于记录和检测函数跟踪系统开销比较大，所以函数跟踪并不是很好检测卡顿的很好手段，但是函数跟踪可以帮助我们找到那些比较耗时的方法，在检测出这些耗时方法之后，可以添加trace标记，然后抓取新的trace来查看是否这些耗时的方法导致丢帧；
（6）Systrace每对标记开始和结束需要增加10纳秒的系统开销，为了避免错误的丢帧判断，不要将trace添加在每一帧中需要频繁调用的方法中，也不要为小于200纳秒的方法添加trace标记；
更多信息可以参考Understanding Systrace

2.3检测Jank三：Custom performance monitoring

如果您无法在本地设备上再复现丢帧情况，则可以在您的应用中构建自定义性能监控，以帮助识别设备上的真实丢帧情况。为此，请使用FrameMetricsAggregator从应用程序的特定部分收集帧渲染时间，并使用Firebase性能监控记录和分析数据。要了解更多信息，请参阅[Use Firebase Performance Monitoring with Android Vitals.
]

3.修复卡顿问题

1.为了修改丢帧问题，我们需要先检测出来那些帧的执行时间超过16.7ms，再查看那些地方运行错误，是否是Record View#draw在一些帧中执行时间过程，还是Layout问题导致丢帧？我们查看常见丢帧问题的原因；
2.为了避免丢帧，比较耗时操作需要不能放在主线程中执行，同事需要知道代码运行在那个线程中，同时需要注意一些无意义的任务放到主线程中去执行；
3.如果应用有一些复杂并且重要的UI组件，可以考虑写一些测试用例来检测耗时操作，通过运行这些测试用例来避免耗时操作，更多的信息可以参考 Automated Performance Testing Codelab.

4.卡顿通常的原因

下面介绍应用中丢帧问题的常见原因，并介绍如何修改这类问题；

4.1滑动列表

（1）滑动列表：ListView和RecyclerView经常会使用到复杂的滑动列表，这些复杂的列表经常会导致丢着，在ListView和RecyclerView中已经添加Systrace标记，我们可以使用SysTrace来发现应用中导致丢帧问题的原因，我们可以根据警告面板中建议来修改丢帧问题，同时可以查看每一帧中RecyclerView中主要在做那些工作；
（2）RecyclerView：notifyDataSetChanged；主要是解决RecyclerView部分内容更新导致卡顿问题；如果我们发现在一帧中列表中所有的内容都重新绑定（重新layout和draw），为了比较微小的更新请确保不要调用notifyDataSetChanged、setAdapter(Adapter)、swapAdapter(Adapter, boolean)，这些方法会导致列表所有内容更新，在SysTrace中会发现RecyclerView列表全部更新，当列表内容更新或者添加时，我们可以使用SortedList和DiffUtil来完成一个比较小的更新。例如：应用收到服务器新闻内容更新时，我们将信息告诉Adapter时，可能会使用如下notifyDataSetChanged()方法；

void onNewDataArrived(List<News> news) {
    myAdapter.setNews(news);
    myAdapter.notifyDataSetChanged();
}

但是这是一个比较大的问题，如何仅仅是一个比较小的变化，例如仅仅更新一个item，将所有的item都进行更新，这样显然是不合理的，我们可以使用DiffUtil来计算和分配最小更新，如下所示：通过定义MyCallback来实现DiffUtil.Callback，以此告知DiffUtil来监控RecyclerView列表；

void onNewDataArrived(List<News> news) {
    List<News> oldNews = myAdapter.getItems();
    DiffResult result = DiffUtil.calculateDiff(new MyCallback(oldNews, news));
    myAdapter.setNews(news);
    result.dispatchUpdatesTo(myAdapter);
}

（3）RecyclerView: Nested RecyclerViews：主要是解决嵌套RecyclerView卡顿问题；RecyclerView嵌套是一种很常见的情况，例如水平滚动的垂直列表，这个可以很好的工作，还是有itemView；如果有很多内部item在第一个滑动方向被加载，则可能需要检查是否在内部（水平）RecyclerViews之间共享RecyclerView.RecycledViewPools。每个RecyclerView都有自己的item pool，这样在屏幕一次会有很多的itemViews，如果每一行都有类似的view，并且itemView不能被不同方向上列表所共享的话，就会带来问题，我们可以使用如下方法来修改该问题：

class OuterAdapter extends RecyclerView.Adapter<OuterAdapter.ViewHolder> {
    RecyclerView.RecycledViewPool mSharedPool = new RecyclerView.RecycledViewPool();

    ...

    @Override
    public void onCreateViewHolder(ViewGroup parent, int viewType) {
        // inflate inner item, find innerRecyclerView by ID…
        LinearLayoutManager innerLLM = new LinearLayoutManager(parent.getContext(),
                LinearLayoutManager.HORIZONTAL);
        innerRv.setLayoutManager(innerLLM);
        innerRv.setRecycledViewPool(mSharedPool);
        return new OuterAdapter.ViewHolder(innerRv);

    }
    ...

如果想更进一步优化，我们可以在LinearLayoutManager中使用setInitialPrefetchItemCount(int)方法，例如每一行有3.5个item需要显示，调用innerLLM.setInitialItemPrefetchCount(4);这将告诉RecyclerView，当一个水平行即将出现在屏幕上时，如果UI线程上有空闲时间，它应该尝试预取内部的项目
（4）RecyclerView: Too much inflation / Create taking too long：主要解决RecyclerView inflate item时导致的卡顿问题；UI线程则处于闲置状态下，RecyclerView中的预取功能应该有助于在大多数情况下通过提前完成工作来解决inflation Layout的成本问题。如果经常看到inflation Layout导致屏幕上出现新的Jank，请确保Inflate时没有多余的view类型；View越少，这样在inflate时需要做的事就越少，如果可以的话，尽量合并不同的view类型，加入一个图标、颜色、text有不同的表现形式，我们可以在bind item的时候进行改变，从而避免在inflate时多做工作，这样也可以减少内存；我的理解是item类型尽量一直，inflate的时候性能比较好，如果有很多不同的item类型，会影响到inflate效率，从而导致卡顿；如果View多种类型已经没有问题，我们还可以减少view容器以及view的层级，构建itemViews时可以考虑使用ConstrainLayout，该布局可以减少View的层级。view的层级简单、不使用复杂的主题风格这样可以提升应用的性能。
（5）RecyclerView: Bind taking too long：主要是绑定操作尽量简单，RecyclerView的onBindViewHolder操作也需要很简单，最复杂的item的绑定操作也不能大于一毫秒，Adapter中item可以采用简单的Java对象，如果RecyclerView的onbindView操作比较耗时，那么需要确保在绑定操作时做最少的工作；如果您使用简单的POJO对象来保存适配器中的数据，则可以完全避免使用Data Binding库来将绑定代码写入onBindViewHolder。
（6）RecyclerView or ListView: layout / draw taking too long：有关布局和绘制问题，可以参考下边Layout性能和渲染性能部分。

4.2布局性能

如果Systrace显示Choreographer＃doFrame的布局部分工作太多，或者工作频繁，这意味着您遇到了布局性能问题。您的应用的布局性能取决于View层次结构的哪个部分具有更改布局参数或输入。
（1）Layout performance: Cost：如果布局操作完成的时间超过几毫秒，这很可能是使用性能比较差的RelativeLayout和Linearlayout,这两种布局可能
导致子view做两次测量和布局操作，这样嵌套的时间复杂度就是O(n^2)；所以我们应该尽量避免使用这两种布局。主要有以下几点建议：
建议一：优化View结构；
建议二：使用自定义View可以参考optimize your layout；
建议三：尝试使用ConstraintLayout：它提供了类似的功能，并且没有性能上的缺陷。
（2）Layout performance: Frequency：当新的内容显示在屏幕上时，就会发生layout操作，例如新的item在RecyclerView中显示出来，如果在每个帧上都发生重要的布局，则可能是在布局上进行动画处理，这很可能导致丢帧。通常，动画应该在View的绘图属性（例如setTranslationX / Y / Z（），setRotation（），setAlpha（）等）上运行。这些都可以比Layout属性（如设置padding或margin）更好地更改。 通常通过调用触发invalidate（）操作，然后在下一帧中绘制（Canvas），来更改视图的绘制属性。 这将重新记录无效的视图的绘图操作，并且通常也比布局好得多。

4.3.Rendering performance

Android UI两个阶段工作:在UI线程上Record View.draw，在RenderThread上绘制DrawFrame。第一阶段工作在每次更新View的时候调用View.draw,这可能会调用自定义视图或代码，第二阶段工作运行本地RenderThread中，将根据View.draw阶段生成的工作进行操作。
（1）Rendering performance: UI Thread：如果View.draw需要很长的时间，则通常是在UI线程进行绘制Bitmap操作，绘制bitmap需要使用CPU渲染，可以通过CPU Profiler来确定在主线程绘制bitmap是否有问题；有时候bitmap在显示之前需要进行一些操作，例如如下添加圆角：

Canvas bitmapCanvas = new Canvas(roundedOutputBitmap);
Paint paint = new Paint();
paint.setAntiAlias(true);
// draw a round rect to define shape:
bitmapCanvas.drawRoundRect(0, 0,
        roundedOutputBitmap.getWidth(), roundedOutputBitmap.getHeight(), 20, 20, paint);
paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.MULTIPLY));
// multiply content on top, to make it rounded
bitmapCanvas.drawBitmap(sourceBitmap, 0, 0, paint);
bitmapCanvas.setBitmap(null);
// now roundedOutputBitmap has sourceBitmap inside, but as a circle

如果这些操作是在UI线程中知心个，可以考虑将这些工作放在异步线程中，如果Drawable和View得代码如下，可以直接在主线程中操作：

void setBitmap(Bitmap bitmap) {
    mBitmap = bitmap;
    invalidate();
}

void onDraw(Canvas canvas) {
    canvas.drawBitmap(mBitmap, null, paint);
}

如果想使用bitmap的缓存，可以考虑使用硬件加速来实现，这样可以使用GPU来进行渲染操作；
（2）Rendering performance: RenderThread：有时候View.draw操作很简单，但是会触发渲染线程执行大量的计算，我们可以通过SysTrace提示发现该问题；主要有以下建议：
第一，尽量少使用Canvas.saveLayer()方法，因为该方法消耗较大，并且没有缓存数据，每次离屏都会从新渲染每一帧，尽管Android6.0版本进行了优化，但是还是不建议使用该方法；
第二，Animating large Paths：当使用硬件加速绘制路径到Views上时，Android首先在CPU上绘制这些路径，然后将它们上传到GPU。如果路径较大，请避免逐帧编辑，以便高速缓存和绘制。 drawPoints（），drawLines（）和drawRect / Circle / Oval / RoundRect（）更有效率，即使最终使用更多的绘制调用，最好使用它们。
第三：clipPath（Path）触发了昂贵的裁剪行为：通常应该避免。 如果可能，选择绘制形状，而不是剪裁到非矩形。它性能更好，支持抗锯齿。 例如，下面的clipPath调用：

canvas.save();
canvas.clipPath(mCirclePath);
canvas.drawBitmap(mBitmap, 0f, 0f, mPaint);
canvas.restore();

可以使用下边代码进行替换；

// one time init:
mPaint.setShader(new BitmapShader(mBitmap, TileMode.CLAMP, TileMode.CLAMP));
// at draw time:
canvas.drawPath(mCirclePath, mPaint);

（3）Bitmap uploads：Android使用OpenGL纹理来显示bitmap，在某一帧中Bitmap第一次进行显示，需要长传到GPU中，我们可以在SysTrace中看到该操作
Upload width x height Texture，该过程需要几毫秒，但是这些image笔仙使用GPU显示。如果该操作比较耗时，我们首先需要检测SysTrace中bitmap
的宽高是否比屏幕的实际显示区域大，如果是的话，这会浪费上传时间以及内存，通常Bimap加载库提供了简单的方法来请求适当大小的位图。
在Android 7.0中，位图加载代码（通常由库完成）可以在需要之前调用prepareToDraw（）来及早触发上传。这样上传发生的早，而RenderThread空闲。
这可以在解码之后完成，也可以在将位图绑定到View时进行，只要知道位图即可。理想情况下，你的位图加载库会为你做这个，
但是如果你正在管理你自己的，或者想确保你没有在新设备上点击上传，你可以在你自己的代码中调用prepareToDraw（）。
下图显示应用加载一个1356*1356pixel像素大小的图片花了10ms，我么可以调整该图片的大小或者使用prepareToDraw；

image.png

4.4.Thread scheduling delays

线程调度程序是Android操作系统的一部分，负责决定系统中哪些线程应该运行，何时运行以及运行多长时间。 有时候，因为你的应用程序的UI线程被阻塞或者没有运行，就会发生Jank。 Systrace使用不同的颜色来指示线程正在Sleep（灰色），Runnable（蓝色：可以运行，但调度程序还没有选择它运行），正在运行（绿色）或中断（红色或橙色），如下图所示。 这对于调试线程调度延迟导致的Jank`问题非常有用。

image

Figure 3: highlights a period when the UI Thread is sleeping.

提示：旧版本Android更频繁地遇到不是应用程序故障的调度问题。 在这方面Android进行了不断的改进，所以考虑在最近的操作系统版本上更多的调试线程调度问题，在这些版本中，被调度的线程更可能是应用程序的错误。UI线程或RenderThread预计不会运行时，有框架的一部分， 例如，UI线程在RenderThread的syncFrameState正在运行并且上传位图时被阻塞，这是因为RenderThread可以安全地复制UI线程所使用的数据。 另一个例子是，RenderThread在使用IPC时可以被阻塞：在帧的开始处获取缓冲区，从中查询信息，或者通过eglSwapBuffers将缓冲区传回给合成器。
Binder调用经常会导致主线程卡住，这些是Android上进程间通信机制，在最近Android版本中个，导致UI线程卡住的主要原因是因为Binder调用，如果不可避免的需要Binder调用，我们可以缓存数据，绘制将binder调用放在异步线程中，当代码量比较大的时候，binder调用经常会导致该问题，但是这些问题通过Trace很容易被发现和修改；如果您有绑定事务，则可以使用以下adb命令来捕获其调用堆栈：如下代码所示：

$ adb shell am trace-ipc start
… use the app - scroll/animate ...
$ adb shell am trace-ipc stop --dump-file /data/local/tmp/ipc-trace.txt
$ adb pull /data/local/tmp/ipc-trace.txt

有时像getRefreshRate（）这样的无害的表面调用可能会触发绑定事务，并在频繁调用时导致严重的问题。 定期跟踪可以帮助您快速找到并解决这些问题。如果发现没有binder调用，并且UI线程还在阻塞，请确保主线代码等待异步线程中的锁，通常主线程不应该等待异步线程中的消息，
这样可能导致主线程阻塞；

4.5.Object allocation and garbage collection

对象分配和垃圾回收（GC）已经成为一个问题，因为ART是Android 5.0中默认运行时引入的，但是仍然有可能通过这些额外的工作来减轻你的线程负担。 对于每秒钟不会发生多次的罕见事件（如用户单击按钮）进行分配是很好的做法，但要记住，每次分配都需要付出一定的代价。 如果它处于一个频繁调用的紧密循环中，请考虑避免分配来减轻GC上的负载。Systrace会告诉你GC是否频繁运行，Android Memory Profiler可以显示你的分配来自哪里。 如果你可以避免分配，特别是在紧密的循环中，那应该就没有问题；在最新版本的Android上，GC通常在名为HeapTaskDaemon的后台线程上运行。 请注意，大量的分配可能意味着更多的CPU资源花费在GC上.如下图所示；

image

Figure 5: shows a 94ms GC on the HeapTaskDaemon thread

参开资料：
https://www.jianshu.com/p/12ce50137605
https://developer.android.google.cn/topic/performance/vitals/render#java
http://hukai.me/android-performance-patterns/