iOS卡頓監測方案總結
阿新 • • 發佈：2019-12-25
最近在寫APM相關的東西，所以整理了一下iOS中卡頓監測的那些方案，不瞭解卡頓的原理的可以看這篇文章iOS 保持介面流暢的技巧，寫的很好。
FPS
FPS (Frames Per Second) 是影象領域中的定義，表示每秒渲染幀數，通常用於衡量畫面的流暢度，每秒幀數越多，則表示畫面越流暢，60fps 最佳，一般我們的APP的FPS 只要保持在 50-60之間，使用者體驗都是比較流暢的。
監測FPS也有好幾種，這裡只說最常用的方案，我最早是在YYFPSLabel中看到的。 實現原理實現原理是向主執行緒的RunLoop的新增一個commonModes的CADisplayLink，每次螢幕重新整理的時候都要執行CADisplayLink的方法，所以可以統計1s內螢幕重新整理的次數，也就是FPS了，下面貼上我用Swift實現的程式碼：
class WeakProxy: NSObject {
weak var target: NSObjectProtocol?
init(target: NSObjectProtocol) {
self.target = target
super.init()
}
override func responds(to aSelector: Selector!) -> Bool {
return (target?.responds(to: aSelector) ?? false) || super.responds(to: aSelector)
}
override func forwardingTarget(for RunLoop
其實FPS中CADisplayLink的使用也是基於RunLoop，都依賴main RunLoop。我們來看看
先來看看簡版的RunLoop的程式碼
// 1.進入loop
__CFRunLoopRun(runloop,currentMode,seconds,returnAfterSourceHandled)
// 2.RunLoop 即將觸發 Timer 回撥。
__CFRunLoopDoObservers(runloop,kCFRunLoopBeforeTimers);
// 3.RunLoop 即將觸發 Source0 (非port) 回撥。
__CFRunLoopDoObservers(runloop,kCFRunLoopBeforeSources);
// 4.RunLoop 觸發 Source0 (非port) 回撥。
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop,stopAfterHandle)
// 5.執行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop,currentMode);
// 6.RunLoop 的執行緒即將進入休眠(sleep)。
__CFRunLoopDoObservers(runloop,kCFRunLoopBeforeWaiting);
// 7.呼叫 mach_msg 等待接受 mach_port 的訊息。執行緒將進入休眠,直到被下面某一個事件喚醒。
__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet,&msg,sizeof(msg_buffer),&livePort)
// 進入休眠
// 8.RunLoop 的執行緒剛剛被喚醒了。
__CFRunLoopDoObservers(runloop,kCFRunLoopAfterWaiting
// 9.如果一個 Timer 到時間了，觸發這個Timer的回撥
__CFRunLoopDoTimers(runloop,mach_absolute_time())
// 10.如果有dispatch到main_queue的block，執行bloc
__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
// 11.如果一個 Source1 (基於port) 發出事件了，處理這個事件
__CFRunLoopDoSource1(runloop,source1,msg);
// 12.RunLoop 即將退出
__CFRunLoopDoObservers(rl,kCFRunLoopExit);
複製程式碼我們可以看到RunLoop呼叫方法主要集中在kCFRunLoopBeforeSources和kCFRunLoopAfterWaiting之間，有人可能會問kCFRunLoopAfterWaiting之後也有一些方法呼叫，為什麼不監測呢，我的理解，大部分導致卡頓的的方法是在kCFRunLoopBeforeSources和kCFRunLoopAfterWaiting之間，比如source0主要是處理App內部事件，App自己負責管理(出發),如UIEvent(Touch事件等，GS發起到RunLoop執行再到事件回撥到UI)、CFSocketRef。開闢一個子執行緒，然後實時計算 kCFRunLoopBeforeSources 和 kCFRunLoopAfterWaiting 兩個狀態區域之間的耗時是否超過某個閥值，來斷定主執行緒的卡頓情況。
這裡做法又有點不同，iOS實時卡頓監控是設定連續5次超時50ms認為卡頓，戴銘在GCDFetchFeed中設定的是連續3次超時80ms認為卡頓的程式碼。以下是iOS實時卡頓監控中提供的程式碼：
- (void)start
{
if (observer)
return;
// 訊號
semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
// 註冊RunLoop狀態觀察
CFRunLoopObserverContext context = {0,(__bridge void*)self,NULL,NULL};
observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,kCFRunLoopAllActivities,YES,&runLoopObserverCallBack,&context);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(),observer,kCFRunLoopCommonModes);
// 在子執行緒監控時長
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0,0),^{
while (YES)
{
long st = dispatch_semaphore_wait(semaphore,dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,50*NSEC_PER_MSEC));
if (st != 0)
{
if (!observer)
{
timeoutCount = 0;
semaphore = 0;
activity = 0;
return;
}
if (activity==kCFRunLoopBeforeSources || activity==kCFRunLoopAfterWaiting)
{
if (++timeoutCount < 5)
continue;
PLCrashReporterConfig *config = [[PLCrashReporterConfig alloc] initWithSignalHandlerType:PLCrashReporterSignalHandlerTypeBSD
symbolicationStrategy:PLCrashReporterSymbolicationStrategyAll];
PLCrashReporter *crashReporter = [[PLCrashReporter alloc] initWithConfiguration:config];
NSData *data = [crashReporter generateLiveReport];
PLCrashReport *reporter = [[PLCrashReport alloc] initWithData:data error:NULL];
NSString *report = [PLCrashReportTextFormatter stringValueForCrashReport:reporter
withTextFormat:PLCrashReportTextFormatiOS];
NSLog(@"------------\n%@\n------------",report);
}
}
timeoutCount = 0;
}
});
}
複製程式碼子執行緒Ping
但是由於主執行緒的RunLoop在閒置時基本處於Before Waiting狀態，這就導致了即便沒有發生任何卡頓，這種檢測方式也總能認定主執行緒處在卡頓狀態。這套卡頓監控方案大致思路為：建立一個子執行緒通過訊號量去ping主執行緒，因為ping的時候主執行緒肯定是在kCFRunLoopBeforeSources和kCFRunLoopAfterWaiting之間。每次檢測時設定標記位為YES，然後派發任務到主執行緒中將標記位設定為NO。接著子執行緒沉睡超時闕值時長，判斷標誌位是否成功設定成NO，如果沒有說明主執行緒發生了卡頓。ANREye中就是使用子執行緒Ping的方式監測卡頓的。
@interface PingThread : NSThread
......
@end
@implementation PingThread
- (void)main {
[self pingMainThread];
}
- (void)pingMainThread {
while (!self.cancelled) {
@autoreleasepool {
dispatch_async(dispatch_get_main_queue(),^{
[_lock unlock];
});
CFAbsoluteTime pingTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
NSArray *callSymbols = [StackBacktrace backtraceMainThread];
[_lock lock];
if (CFAbsoluteTimeGetCurrent() - pingTime >= _threshold) {
......
}
[NSThread sleepForTimeInterval: _interval];
}
}
}
@end
複製程式碼以下是我用Swift實現的：
public class CatonMonitor {
enum Constants {
static let timeOutInterval: TimeInterval = 0.05
static let queueTitle = "com.roy.PerformanceMonitor.CatonMonitor"
}
private var queue: DispatchQueue = DispatchQueue(label: Constants.queueTitle)
private var isMonitoring = false
private var semaphore: DispatchSemaphore = DispatchSemaphore(value: 0)
public init() {}
public func start() {
guard !isMonitoring else { return }
isMonitoring = true
queue.async {
while self.isMonitoring {
var timeout = true
DispatchQueue.main.async {
timeout = false
self.semaphore.signal()
}
Thread.sleep(forTimeInterval: Constants.timeOutInterval)
if timeout {
let symbols = RCBacktrace.callstack(.main)
for symbol in symbols {
print(symbol.description)
}
}
self.semaphore.wait()
}
}
}
public func stop() {
guard isMonitoring else { return }
isMonitoring = false
}
}
複製程式碼CPU超過了80%
這個是Matrix-iOS 卡頓監控提到的：
我們也認為 CPU 過高也可能導致應用出現卡頓，所以在子執行緒檢查主執行緒狀態的同時，如果檢測到 CPU 佔用過高，會捕獲當前的執行緒快照儲存到檔案中。目前微信應用中認為，單核 CPU 的佔用超過了 80%，此時的 CPU 佔用就過高了。
這種方式一般不能單獨拿來作為卡頓監測，但可以像微信Matrix一樣配合其他方式一起工作。
戴銘在GCDFetchFeed中如果CPU 的佔用超過了 80%也捕獲函式呼叫棧，以下是程式碼：
#define CPUMONITORRATE 80
+ (void)updateCPU {
thread_act_array_t threads;
mach_msg_type_number_t threadCount = 0;
const task_t thisTask = mach_task_self();
kern_return_t kr = task_threads(thisTask,&threads,&threadCount);
if (kr != KERN_SUCCESS) {
return;
}
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
thread_info_data_t threadInfo;
thread_basic_info_t threadBaseInfo;
mach_msg_type_number_t threadInfoCount = THREAD_INFO_MAX;
if (thread_info((thread_act_t)threads[i],THREAD_BASIC_INFO,(thread_info_t)threadInfo,&threadInfoCount) == KERN_SUCCESS) {
threadBaseInfo = (thread_basic_info_t)threadInfo;
if (!(threadBaseInfo->flags & TH_FLAGS_IDLE)) {
integer_t cpuUsage = threadBaseInfo->cpu_usage / 10;
if (cpuUsage > CPUMONITORRATE) {
//cup 消耗大於設定值時列印和記錄堆疊
NSString *reStr = smStackOfThread(threads[i]);
SMCallStackModel *model = [[SMCallStackModel alloc] init];
model.stackStr = reStr;
//記錄資料庫中
[[[SMLagDB shareInstance] increaseWithStackModel:model] subscribeNext:^(id x) {}];
// NSLog(@"CPU useage overload thread stack：\n%@",reStr);
}
}
}
}
}
複製程式碼卡頓方法的棧資訊
當我們得到卡頓的時間點，就要立即拿到卡頓的堆疊，有兩種方式一種是遍歷棧幀，實現原理我在iOS獲取任意執行緒呼叫棧寫的挺詳細的，同時開源了程式碼RCBacktrace，另一種方式是通過Signal獲取任意執行緒呼叫棧，實現原理我在通過Signal handling(訊號處理)獲取任意執行緒呼叫棧寫了，程式碼在backtrace-swift，但這種方式在除錯時比較麻煩，建議用第一種方式。
參考文章
質量監控-卡頓檢測
Matrix-iOS 卡頓監控
13 | 如何利用 RunLoop 原理去監控卡頓？
iOS實時卡頓監控
iOS開發--APP效能檢測方案彙總(一)