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，不了解卡頓的原理的可以看這篇文章iOS 保持界面流暢的技巧，寫的很好。
FPS
FPS (Frames Per Second) 是圖像領域中的定義，表示每秒渲染幀數，通常用于衡量畫面的流暢度，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，用戶體驗都是比較流暢的。
監測FPS也有好幾種，這里只說最常用的方案，我最早是在YYFPSLabel中看到的。
實現原理實現原理是向主線程的RunLoop的添加一個commonModes的CADisplayLink，每次屏幕刷新的時候都要執行CADisplayLink的方法，所以可以統計1s內屏幕刷新的次數，也就是FPS了，下面貼上我用Swift實現的代碼：
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 aSelector: Selector!) -> Any? {
return target
}
}
class FPSLabel: UILabel {
var link:CADisplayLink!
//記錄方法執行次數
var count: Int = 0
//記錄上次方法執行的時間，通過link.timestamp - _lastTime計算時間間隔
var lastTime: TimeInterval = 0
var _font: UIFont!
var _subFont: UIFont!
fileprivate let defaultSize = CGSize(width: 55,height: 20)
override init(frame: CGRect) {
super.init(frame: frame)
if frame.size.width == 0 && frame.size.height == 0 {
self.frame.size = defaultSize
}
self.layer.cornerRadius = 5
self.clipsToBounds = true
self.textAlignment = NSTextAlignment.center
self.isUserInteractionEnabled = false
self.backgroundColor = UIColor.white.withAlphaComponent(0.7)
_font = UIFont(name: "Menlo", size: 14)
if _font != nil {
_subFont = UIFont(name: "Menlo", size: 4)
}else{
_font = UIFont(name: "Courier", size: 14)
_subFont = UIFont(name: "Courier", size: 4)
}
link = CADisplayLink(target: WeakProxy.init(target: self), selector: #selector(FPSLabel.tick(link:)))
link.add(to: RunLoop.main, forMode: .commonModes)
}
//CADisplayLink 刷新執行的方法
@objc func tick(link: CADisplayLink) {
guard lastTime != 0 else {
lastTime = link.timestamp
return
}
count += 1
let timePassed = link.timestamp - lastTime
//時間大于等于1秒計算一次，也就是FPSLabel刷新的間隔，不希望太頻繁刷新
guard timePassed >= 1 else {
return
}
lastTime = link.timestamp
let fps = Double(count) / timePassed
count = 0
let progress = fps / 60.0
let color = UIColor(hue: CGFloat(0.27 * (progress - 0.2)), saturation: 1, brightness: 0.9, alpha: 1)
let text = NSMutableAttributedString(string: "\(Int(round(fps))) FPS")
text.addAttribute(NSAttributedStringKey.foregroundColor, value: color, range: NSRange(location: 0, length: text.length - 3))
text.addAttribute(NSAttributedStringKey.foregroundColor, value: UIColor.white, range: NSRange(location: text.length - 3, length: 3))
text.addAttribute(NSAttributedStringKey.font, value: _font, range: NSRange(location: 0, length: text.length))
text.addAttribute(NSAttributedStringKey.font, value: _subFont, range: NSRange(location: text.length - 4, length: 1))
self.attributedText = text
}
// 把displaylin從Runloop modes中移除
deinit {
link.invalidate()
}
required init?(coder aDecoder: NSCoder) {
fatalError("init(coder:) has not been implemented")
}
}
RunLoop
其實FPS中CADisplayLink的使用也是基于RunLoop，都依賴main RunLoop。我們來看看
先來看看簡版的RunLoop的代碼
// 1.進入loop
__CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled)
// 2.RunLoop 即將觸發 Timer 回調。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
// 3.RunLoop 即將觸發 Source0 (非port) 回調。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
// 4.RunLoop 觸發 Source0 (非port) 回調。
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle)
// 5.執行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
// 6.RunLoop 的線程即將進入休眠(sleep)。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
// 7.調用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。線程將進入休眠, 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 的線程剛剛被喚醒了。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting
// 9.如果一個 Timer 到時間了，觸發這個Timer的回調
__CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, 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 (基于port) 發出事件了，處理這個事件
__CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
// 12.RunLoop 即將退出
__CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
我們可以看到RunLoop調用方法主要集中在kCFRunLoopBeforeSources和kCFRunLoopAfterWaiting之間，有人可能會問kCFRunLoopAfterWaiting之后也有一些方法調用，為什么不監測呢，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運行再到事件回調到UI)、CFSocketRef。開辟一個子線程，然后實時計算 kCFRunLoopBeforeSources 和 kCFRunLoopAfterWaiting 兩個狀態區域之間的耗時是否超過某個閥值，來斷定主線程的卡頓情況。
這里做法又有點不同，iOS實時卡頓監控是設置連續5次超時50ms認為卡頓，戴銘在GCDFetchFeed中設置的是連續3次超時80ms認為卡頓的代碼。以下是iOS實時卡頓監控中提供的代碼：
- (void)start
{
if (observer)
return;
// 信號
semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
// 注冊RunLoop狀態觀察
CFRunLoopObserverContext context = {0,(__bridge void*)self,NULL,NULL};
observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
kCFRunLoopAllActivities,
YES,
0,
&runLoopObserverCallBack,
&context);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
// 在子線程監控時長
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;
}
});
}
子線程Ping
但是由于主線程的RunLoop在閑置時基本處于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線程處在卡頓狀態。這套卡頓監控方案大致思路為：創建一個子線程通過信號量去ping主線程，因為ping的時候主線程肯定是在kCFRunLoopBeforeSources和kCFRunLoopAfterWaiting之間。每次檢測時設置標記位為YES，然后派發任務到主線程中將標記位設置為NO。接著子線程沉睡超時闕值時長，判斷標志位是否成功設置成NO，如果沒有說明主線程發生了卡頓。ANREye中就是使用子線程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
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
}
}
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，所以在子線程檢查主線程狀態的同時，如果檢測到 CPU 占用過高，會捕獲當前的線程快照保存到文件中。目前微信應用中認為，單核 CPU 的占用超過了 80%，此時的 CPU 占用就過高了。
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 的占用超過了 80%也捕獲函數調用棧，以下是代碼：
#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 消耗大于設置值時打印和記錄堆棧
NSString *reStr = smStackOfThread(threads[i]);
SMCallStackModel *model = [[SMCallStackModel alloc] init];
model.stackStr = reStr;
//記錄數據庫中
[[[SMLagDB shareInstance] increaseWithStackModel:model] subscribeNext:^(id x) {}];
// NSLog(@"CPU useage overload thread stack：\n%@",reStr);
}
}
}
}
}
卡頓方法的棧信息
當我們得到卡頓的時間點，就要立即拿到卡頓的堆棧，有兩種方式一種是遍歷棧幀，實現原理我在iOS獲取任意線程調用棧寫的挺詳細的，同時開源了代碼RCBacktrace，另一種方式是通過Signal獲取任意線程調用棧，實現原理我在通過Signal handling(信號處理)獲取任意線程調用棧寫了，代碼在backtrace-swift，但這種方式在調試時比較麻煩，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性能檢測方案匯總(一)
