Android性能优化之多线程管理优化方案详解
背景
在我们日常开发中，多线程管理一直是非常头疼的问题之一，尤其在历史性长，结构复杂的app中，线程数会达到好几百个甚至更多，然而过多的线程不仅仅带来了内存上的消耗同时也降低了cpu调度的效率，过多的cpu调度带来的消耗的坏处甚至超过了多线程带来的好处。
在我们日常开发中，通常会遇到以下几个问题：
- 某个场景会创造过多的线程，最终导致oom。
- 线程池过多问题，比如三方库有一套线程池，自己项目也有一套线程池，随着三方/二方业务接入，导致了不相兼容的线程池数越多，降低了全体线程池数的调度效率，比如多个okhttp的调用。
- 历史原因导致，new Thread横行，又或者是各种线程使用不规范，导致工程混乱。
- 即使是空闲时候，依旧有线程在不断Waiting。
- 各种线程死锁问题。
最终种种原因导致，我们的项目在上线过程中，会遇到各种线程不明的情况，对排查问题或者解决问题带来极大的考验。
常规解决方案
对于上述问题的解决，许多团队通过codeview去限制代码准入，比如定制Thread的规范，又或者是定义项目统一的线程池，在项目中去使用。
这个方案优点就是可操作性强，便于团队去实施，但是这比较依靠review（或者其他代码扫描插件），对于历史项目来说比较容易出现疏漏，而且后期也依旧需要维护，对于大型团队来说，需要兼顾所有人代码，且三方库无法处理。同时Thread的衍生物也有很多，比如Android中的HandlerThread等等，也是线程。
现在比较流行的方案是通过字节码插桩的方式，统一做线程监控亦或进行线程统一，比如监控处理的matrix，还有优化相关的booster等。线程统一这个依靠项目的情况，会有全统一线程池的情况（所以共用一个线程池），也有统一某单一业务的线程池的情况（比如只收口项目okhttp的线程池）下面我们围绕这两个主题，分别进行探讨
线程监控
当前线程统计
对线程的监控,首先我们要统计当前的信息对不对，可以直接通过
Thread.getAllStackTraces()
获取到当前所有thread的信息与堆栈情况，其返回值是一个map对象，
Map<Thread, StackTraceElement[]>
获取结果例子如下
[
Thread[Binder:30506_2,5,main],
Thread[FinalizerWatchdogDaemon,5,system],
Thread[Binder:30506_3,5,main],
Thread[Jit thread pool worker thread 0,5,system],
Thread[ReferenceQueueDaemon,5,system],
Thread[Profile Saver,5,system],
Thread[main,5,main],
Thread[Binder:30506_1,5,main],
Thread[RenderThread,7,main],
Thread[pika_thread,5,main],
Thread[vivo.PerfThread,5,main],
Thread[Signal Catcher,10,system],
Thread[FinalizerDaemon,5,system],
Thread[HeapTaskDaemon,5,system]
]
我们可以看到key是一个thread对象，如果我们要设计一个自己的apm的话可以通过遍历key拿到一个Thread对象，然后再通过该Thread对象拿到自身的信息即可，比如获取thread的名称。
Thread.getAllStackTraces().keys.map { it.name}
线程信息具体化
通过上述，我们可以拿到了当前所有的线程信息，但是很遗憾的是，其中有一些线程信息几乎是“不可用”的，比如我们用new Thread构建出来的线程，如果不给它指定的名字的话，默认就会出现类似这种情，比如Thread-1，这种名称的线程对我们来说几乎是没有任何意义的，我们暂且把它称为“匿名线程”，解决匿名线程的手段有很多，之前在学完ASM Tree api，再也不怕hook了这篇我们可以看到，我们可以用asm对调用thread进行插桩，通过改变指令调用函数，把普通的空参数Thread（）方法变成带有name的构造方法Thread（String）进行hook处理，把调用者名称的信息放到前置的ldc指令，从而到达一个转化的效果。
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asm 代码实例如下：
method.instructions.insertBefore(
node, new LdcInsnNode(klass.name))
def r = node.desc.lastIndexOf(')')
把构造函数描述变成了带有string name的构造函数描述
def desc = "${node.desc.substring(0, r)}Ljava/lang/String;${node.desc.substring(r)}"println(" * ${node.owner}.${node.name}${node.desc} => ${node.owner}.${node.name}$desc: ${klass.name}.${method.name}${method.desc}")node.desc = desc
当然，Thread还有很多构造函数，我们就不一一举例子去适配，相关的操作也是类似的，涉及到Executors等其他创建线程的方式，我们也可以通过这种指令替换的方式去进行Thread的命名操作。
线程统一
线程的统一可以依靠项目统一的线程池，但是这个约束不到第三方，我们可以利用ASM等工具进行线程的统一，线程统一包括全模块统一跟单模块统一（特定模块），由于单模块统一涉及具体业务，比如对okhttpclient的调度线程统一，由于不具备通用性，需要根据模块具体实现去统一，我们这里就不讨论了，单模块统一有个好处就是风险低，只影响单一模块的线程调度。我们讨论一下全模块的统一。
在项目中，我们有各种各样的线程调度api，直接new Thread，Executors，ThreadPoolExecutor等等，它们公共点就是都用到了Thread，最终都是靠着Thread去运行，但是想要把它们统一起来，我们要兼顾更上一层的api，那么适配工作量可是不少！！那么我们有没有一种黑科技，能够简单点就把线程统一到一个特定的线程池，作为收口呢？（注意这里讨论的是把全项目的线程统一，包括三方库），为了找到突破点，我们先看一下最基本的Thread是怎么创建出来的
Thread创建
最常用的Thread创建肯定是最简单的，我们举个例子：
var thread = Thread{ Log.i("hello","this is my thread ${Thread.currentThread().name}")}
那么这段代码它做了什么呢？我们要从字节码的角度去分析，才能找到突破点。
NEW java/lang/ThreadDUPINVOKEDYNAMIC run()Ljava/lang/Runnable; [
// handle kind 0x6 : INVOKESTATIC
java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
// arguments:
()V,
// handle kind 0x6 : INVOKESTATIC
com/example/spider/MainActivity.onCreate$lambda-0()V, ()V]INVOKESPECIAL java/lang/Thread.<init> (Ljava/lang/Runnable;)VASTORE 2
我们来一一说明下调用的指令：
- NEW 创建一个java/lang/Thread对象，此时只是引用被创建，所引用的对象还没有创建，并加入操作数栈顶部。
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- DUP 将操作数栈顶部的参数复制一份，并加入操作数栈。
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3.INVOKEDYNAMIC lambad用到的函数调用指令，运行时绑定信息，()Ljava/lang/Runnable，由于入参为null，所以不消耗操作数栈的参数，返回值是Runnable，所以会在操作数栈上新加入一个Runnable对象。
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4.INVOKESPECIAL 构造函数能调用到的特殊指令，即创建一个对象，(Ljava/lang/Runnable;)V，我们看到入参只有一个Runnable对象，但是实际上调用INVOKESPECIAL的构造函数隐藏了一个条件，就是需要一个被创建对象对应的引用对象，这就是dup存在的原因，因为需要消耗一个Thread引用对象！这点需要注意。
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5.ASTORE 2，就是把操作数栈顶部的变量放到了局部变量表index为2的地方，这里为什么是2呢，是由当前运行环境决定的，静态方法中index为0的就是参数1，而普通方法index为0的地方却是this指针，这点是需要注意的，除了index = 0 的地方有这个约定，其他index下标其实就是函数环境的决定的。（这也侧面说明，存在AStore，ALoad这些指令的时候，我们很难去做通用性插桩，因为这里依赖了局部变量表的具体实现）
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看到这里，我们就能够明白了一个Thread创建的字节码是怎么样的了。
那么我们想想看，怎么达到我们统一线程池的目的。看到Thread的创建过程我们就知道，Thread会依赖局部变量表（第5条），所以我们如果直接对Thread进行操作的话，是不行的，因为局部变量表的存储index是依靠当前环境的！其实我们统一线程池，想要统一的也不一定是要统一Thread，而是统一Runnable执行的线程环境对吧！突破点就来了，我们对Runnable进行操作，把其原本依赖执行的Thread变成我们自己线程池的Thread是不是就可以了！
目标明确了，但是我们也需要为此做一些特定的处理，因为这种自定义指令集的处理，用其他ASM工具也是无法生成的，所以我们才具体解释相关的指令集。最终这边的方案就是，进行Thread调用替换，即把new Thread这个指令，替换为我们自己的MyThread的指令进行定制化处理。步骤如下：
- 替换原本的INVOKESPECIAL指令调用为我们自己的MyThread调用，这里给出MyThread实现。
class MyThread(private val runnable: Runnable) : Thread(runnable) {
// 调用到自己的start
override fun start() {
Log.i("hello", "MyThread")
// runnable 在定义的统一线程池执行
ThreadHelper.runInCustomPool(runnable)
}
}
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- 原本指令返回的是Thread，由于我们替换为了MyThread，那么原本跟Thread强绑定的NEW指令，DUP指令就也需要变更跟MyThread类型相关的指令，我们这里就不采用替换，采取新加的方式。（替换也可以，这里选择方便处理，因为操作数只对栈顶元素生效）
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- 到了这一步，还不行，因为我们原本要返回的是Thread对象，现在变成了MyThread对象，所以我们需要一个转化指令CHECKCAST。
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我们给出具体的ASM代码：
class MyThreadHookUtils {
static THREAD = "java/lang/Thread" static void transform(ClassNode klass) {
// 我们自定义的MyThread类不需要参加转化
if (klass.name.equals("com/example/spider/MyThread")) {
return
}
klass.methods?.forEach { methodNode -> methodNode.instructions.each {
if (it.opcode == Opcodes.INVOKESPECIAL) {
transformInvokeSpecial((MethodInsnNode) it, klass, methodNode)
}
}
}
}
private static void transformInvokeSpecial(MethodInsnNode node, ClassNode klass, MethodNode method) {
// 如果不是构造函数，就直接退出
if (node.owner != THREAD) {
return
}
println("transformInvokeSpecial")
transformThreadInvokeSpecial(node, klass, method)
}
private static void transformThreadInvokeSpecial( MethodInsnNode node, ClassNode klass, MethodNode method ) {
println("init ===> " + node.desc + " " + node.owner)
if (node.desc.equals("(Ljava/lang/Runnable;)V")) {
int index = method.instructions.indexOf(node)
def dyc = method.instructions[index - 1]
InsnList insertNodes1 = new InsnList()
TypeInsnNode newInsnNode = new TypeInsnNode(Opcodes.NEW, "com/example/spider/MyThread")
InsnNode dupNode = new InsnNode(Opcodes.DUP)
insertNodes1.add(newInsnNode)
insertNodes1.add(dupNode)
method.instructions.insertBefore(dyc, insertNodes1)
MethodInsnNode methodHookNode = new MethodInsnNode(Opcodes.INVOKESPECIAL, "com/example/spider/MyThread","<init>", "(Ljava/lang/Runnable;)V", false)
TypeInsnNode typeInsnNode = new TypeInsnNode(Opcodes.CHECKCAST, "java/lang/Thread")
InsnList insertNodes = new InsnList()
insertNodes.add(methodHookNode)
insertNodes.add(typeInsnNode)
method.instructions.insertBefore(node, insertNodes)
method.instructions.remove(node)
println("hook ===> " + node.name + " " + node.owner + " " + method.instructions.indexOf(node))
}
}
}
这个时候，任何Thread的start方法或者其他方法，都会调用到我们自定义的MyThread类的方法里面，在这里做线程池统一的处理，就非常方便了，因为我们有Runnable对象！同时所以方法我们都可以随意去玩了！
注意
注意的是，这种全局Thread插桩是有风险的，在实际项目中，我们会通过白名单的方式，选择性的去统一部分Thread，因为全局统一容易导致不可预期的问题。同时还有一个非常注意的点，我们可以看到上面关于指令的代码全部是基于index的去定位各种指令集的，NEW -> DUP ->INVOKEDYNAMIC ->INVOKESPECIAL 然而在真实项目中，这个指令集顺序不一定可靠，因为可能会被插入其他指令或者无关指令，所以我们还有一步就是指令顺序的校验，必须是满足NEW -> DUP ->INVOKEDYNAMIC ->INVOKESPECIAL这几个顺序的函数指令集才进行插桩，这部分内容比较简单，就不列举了，比较INSN指令的OpCode即可，校验规则按照项目实际需要。
总结
看到这里，我们对Thread应该有了足够的了解，同时本篇也介绍了ASM相关黑科技操作在Thread类的使用！同时也是android 性能优化系列的第一篇，在未来我会继续输出更多的文章，感谢大家观看！
