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Android卡顿掉帧问题分析之工具篇

Android卡顿掉帧问题分析之工具篇

作者: 努比亚技术团队 | 来源:发表于2022-04-14 22:09 被阅读0次

努比亚技术团队原创内容，转载请务必注明出处。

上一篇文章中我们完整的分析了Android系统中应用上帧显示的系统运行机制和流程，了解了卡顿问题的基本定义，也就具备了分析卡顿掉帧性能问题的理论知识。但是俗话说“工欲善其事，必先利其器”，在开始着手分析卡顿问题之前，我们还必须要掌握一些分析性能问题的工具与手段，也就是掌握分析问题所使用的“器”，才能帮助我们更好的观测系统运行的状态，找到性能问题的原因。Systrace 是谷歌提供的最常用的Android 系统级性能分析工具。它以视觉化的方式将系统内所有的“工作线程”（内核+框架+应用）与系统模块状态（如 CPU 调度、IO 活动、Binder 调用等信息）按时间轴铺开展示，并支持在 Chrome 浏览器中显示出来。在 Perfetto 出现之前，它是最实用、分析最精准、最专业的性能分析工具，是分析Android性能问题的首选。本文我们就来详细分析一下这个Systrace工具 。

1 Systrace内容结构

Systrace 可以收集Android关键子系统（如CPU调度、SurfaceFlinger渲染系统、System Server系统框架、Input系统等）的运行信息，并以图像的形式按照时间轴铺开展示出来，帮助开发者直观的看到整个系统的运行状态，从而分析出系统的性能问题瓶颈所在。其界面展示的主要信息区域如下：

1.1 CPU Trace信息区域

CPU trace2.png
如上图所示，Systrace 中 CPU Trace一般在最上面显示，展示Kernel中的 CPU Info 区域信息，一般包含如下信息：
  1. CPU的组成架构，包含多少颗CPU运行核心，以及编号信息。
  2. 每颗CPU核心的实时运行频率信息；
  3. 每颗CPU核心当前支持的运行频率的最高与最低的门限值；
  4. 每颗CPU核心的状态信息，是否进入节能或断电关闭状态；
  5. 每颗CPU核心上运行的线程任务信息与统计，按时间轴排开；
    CPU Trace.png
    CPU运行任务分布统计.png

总的来说，Systrace 中的CPU Trace 这里一般是看任务调度信息，查看是否是CPU频率或者是CPU调度逻辑导致当前任务出现性能问题，举例如下：

  1. 某个场景的任务执行比较慢，我们就可以查看是不是这个任务被CPU调度器安排到了小核上运行？
  2. 某个场景的任务执行比较慢，当前执行这个任务的 CPU 运行频率是不是不够？是否因为门限值的设置不合理导致CPU被限频了？
  3. 我的任务对性能要求比较高，比如指纹解锁，能不能把我这个任务持续放到CPU超大核去运行？
  4. 我的前台应用任务线程长时间处于Runnable状态无法执行而卡顿，当前到底是什么任务在抢占了CPU资源在运行？

1.2 渲染显示系统信息区域

在上一篇文章中我们完整的分析了Android应用上帧显示的全部流程，其中包含了Android渲染显示系统的核心逻辑，这部分内容在Systrace上也有完整的展示，如下图所示：

GUI.jpg
从上面的Systrace截图中我们可以看到一个屏幕Vsync周期内（屏幕刷新率60HZ条件下就是16.6ms），应用上帧渲染显示的完整流程信息：
  1. Vsync app信号到来后唤醒应用App的UI线程，开始执行一帧画面的measure、layout、draw绘制等动作；
  2. 在HWUI硬件加速默认开启的条件下，应用App的UI线程完成draw绘制动作后就会唤醒其RenderThread渲染线程，触发其使用SkiaOpenGL渲染管道执行一帧数据的渲染操作，渲染完成后通过Binder调用queueBuffer接口将Buffer画面缓存数据提交到SurfaceFlinger进程；
  3. SurfaceFlinger进程中在收到应用queueBuffer上帧请求后，会先将对应的应用Layer中的BufferQueue中的Buffer置为Queued状态，标识应用“生产”了一帧Buffer画面数据，然后通过requestNextVsync注册下一个Vsync sf信号；
  4. Vsync sf信号到达后，会及时唤醒SurfaceFlinger进程的主线程执行一帧的合成任务，其中会先遍历所有的Layer图层缓存区，找到处于Queued状态的新提交的缓存区，将其置为Acquired状态，标识“消费”了一帧Buffer画面数据；然后Binder唤醒HWC service进程的工作线程执行具体的图层的合成送显操作；

总的来说，Systrace中的渲染显示系统这部分能够帮助我们判断界面是否有掉帧以及掉帧产生原因的分析方向，主要分析流程如下图所示：

why jank.jpg

1.3 System Server框架进程信息区域

1.3.1 Input

Input 是 System Server 进程中非常重要的一部分，主要是由 InputReader 和 InputDispatcher 这两个 Native 子线程组成，关于这一部分在上一篇文章中已经从原理机制并结合Systrace详细分析过，这里就不再展开分析。我们回顾一下这边部分内容在Systrace上的表现：

input1.png

1.3.2 ActivityManagerService

ActivityManagerService（以下简称AMS）属于系统框架System Server中运行的核心服务之一，主要负责应用进程和四大组件的管理。是与应用App进程之间产生Binder交互最多的系统服务之一。谷歌原生的AOSP代码中就在AMS服务管理的进程和四大组件的各种场景下有对应的Trace点来记录，比如大家熟悉的 ActivityStart、ActivityResume、activityStop 等，与AMS相关的Trace一般会用TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER这个TAG，在 Systrace 中对应的名字是 ActivityManager 。以桌面打开应用冷启动场景为例，AMS需要为应用创建一个新的进程，此过程在AOSP代码中就有相关的AMS相关的Trace埋点记录，如下图所示：

Start_proc.png
对应Systrace上表现如下图所示：
start_proc2.png

1.3.3 WindowManagerService

WindowManagerService（以下简称WMS） 属于系统框架System Server中运行的核心服务之一，主要负责应用窗口管理、窗口动画管理、Surface管理和Input触控事件的管理。也是与应用App进程之间产生Binder交互最多的系统服务之一。谷歌原生的AOSP代码中就在WMS窗口管理等核心流程上有对应的Trace Tag埋点来记录。与WMS 相关的 Trace 一般会用 TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER 这个 TAG， 在 Systrace 中对应的名字是 WindowManager 。继续以上面的桌面打开应用冷启动场景为例，应用启动后创建第一个Activity界面后，在绘制第一帧画面时需要通过Binder访问框架WMS服务的relayoutWindow接口，以实现计算应用窗口的大小和申请一张可用Surface画布等逻辑，关于这块详细的分析请参考笔者之前的文章https://www.jianshu.com/p/37370c1d17fc。从Systrace上看如下图所示：

relayout_window.png

1.3.4 HandlerThread核心工作线程

上面描述的AMS、WMS等系统框架核心管理服务，其具体逻辑最终都需要运行在具体的线程中。为此system_server进程中设计了很多继承于HandlerThread（自带Looper消息循环的线程）的核心工作线程，负责执行不同分类业务的逻辑。比如有专门负责系统UI展示的UiThread线程（源码实现位于framework/base/services/core/java/com/android/server/UiThread.java），线程名为“android.ui”，在Systrace上的显示如下图所示：

android.ui.png
比如负责窗口动画展示的AnimationThread，线程名为“android.anim”，在Systrace上的显示如下图所示：
android.anim.png
还有很多，比如负责IO处理的工作线程“android.io”，再比如拥有极高优先级，负责系统界面实时显示的工作线程“android.display”等，由于篇幅所限，就不再一一展开分析，感兴趣的读者可以自行结合源码去阅读。随着对系统源码逻辑的深入了解，相信对这些框架的核心工作线程也会越来越熟悉。

由于这些自带消息循环的核心工作线程中执行的都是系统框架system_server进程中的核心逻辑，所以这些工作线程运行的是否通畅直接关系到系统的“健康程度”。通过从Systrace上观察这些工作线程的运行任务负载就可以直接反映出系统框架的负载与繁忙程度，如果这些线程出现长时间的阻塞，轻则导致系统反应变慢、界面卡顿等问题，重则会导致系统冻屏。为此Android系统设计在开机时会将一些系统框架核心工作线程加入到WatchDog的监控中，通过定期往这些线程消息循环队列中抛消息，然后检查消息是否得到及时执行来判断其是否正常顺畅运行，如果出现长时间超时得不到执行就会导致系统重启。相关简化代码如下：

/*frameworks/base/services/core/java/com/android/server/Watchdog.java*/
private Watchdog() {
        ...
        // The shared foreground thread is the main checker.  It is where we
        // will also dispatch monitor checks and do other work.
        mMonitorChecker = new HandlerChecker(FgThread.getHandler(),
                "foreground thread", DEFAULT_TIMEOUT);
        mHandlerCheckers.add(mMonitorChecker);
        // Add checker for main thread.  We only do a quick check since there
        // can be UI running on the thread.
        mHandlerCheckers.add(new HandlerChecker(new Handler(Looper.getMainLooper()),
                "main thread", DEFAULT_TIMEOUT));
        // Add checker for shared UI thread.
        mHandlerCheckers.add(new HandlerChecker(UiThread.getHandler(),
                "ui thread", DEFAULT_TIMEOUT));
        // And also check IO thread.
        mHandlerCheckers.add(new HandlerChecker(IoThread.getHandler(),
                "i/o thread", DEFAULT_TIMEOUT));
        // And the display thread.
        mHandlerCheckers.add(new HandlerChecker(DisplayThread.getHandler(),
                "display thread", DEFAULT_TIMEOUT));
        // And the animation thread.
        mHandlerCheckers.add(new HandlerChecker(AnimationThread.getHandler(),
                "animation thread", DEFAULT_TIMEOUT));
        // And the surface animation thread.
        mHandlerCheckers.add(new HandlerChecker(SurfaceAnimationThread.getHandler(),
                "surface animation thread", DEFAULT_TIMEOUT));
        // Initialize monitor for Binder threads. //检查系统system_server进程用于Binder通信的线程数量是否充足
        addMonitor(new BinderThreadMonitor());
        ...
    }

1.3.5 Binder与锁竞争机制

a.Binder是Android系统中最广泛使用的跨进程通信机制，应用进程与系统框架system_server进程之间的大部分跨进程通信机制都是通过Binder来实现的，它就像“神经网络”一样遍布于Android系统的整个运行体系中。例如应用通过startActvity启动一个新的Activity页面，或者sendBroadcast发送一条广播，都需要通过Binder发送相关的请求到框架system_server进程中具体处理与实现。所以框架system_server进程中很多时候都在处理应用进程的各种Binder请求与响应的逻辑。关于Binder的详细实现原理与架构设计可以参考这篇文章https://juejin.cn/post/6955298955307515917，本节内容重点在于描述其在Systrace上的表现，就不再详细展开分析。在抓取Systrace时注意选择开启binder_lock和binder_driver两个追踪选项，就能在Systrace上看到完整的Binder调用事件信息流。我们还是以从桌面打开应用冷启动的场景为例，桌面应用中需要启动三方应用时，通过Binder调用框架AMS服务中的startActivity接口来实现，相关Binder调用过程在Systrace上看如下图所示：

Binder.png
b.从上面的分析可以看到，很多时候框架system_server进程中都在阻塞式的处理应用的各种Binder跨进程访问与请求。但是很多时候system_server进程在处理应用的Binder请求时，内部都是阻塞在了各种同步锁的竞争与等待的流程上（AMS和WMS等核心服务运行时内部都拥有各自的相关锁对象，且往往很容易存在相互持有锁和锁竞争的逻辑），间接导致对应用的Binder reply响应变慢，从而最终导致应用出现卡顿或反应慢等性能问题。system_server进程内部的这些锁竞争与等待的问题，轻则导致应用和系统的卡顿与反应慢的问题，重则出现死锁而导致系统冻屏、重启(WatchDog触发）等严重问题。所以system_server进程内部的工作线程之间的锁等待问题的优化，一直以来都是谷歌和国内各大手机厂商们做Android系统性能优化的重点工作之一。当然要想合理优化减少这些线程之间的锁等待现象，需要在深入分析了解系统相关源码流程的基础上才能作出合理的改善与优化，这是一个考验相关参与系统性能优化人员水平的问题，也需要时间与经验的沉淀。本小节中先带大家来了解一下如何从Systrace上的显示来入手分析这种锁竞争等待的问题：
首先我们来看看Systrace上显示的锁相关的信息，如下图所示：
Lock_contention1.png
其实Systrace上显示的锁相关的信息（谷歌通过在art虚拟机的monitor对象锁实现的源码流程中增加相关的Trace TAG埋点实现，相关源码位于art/runtime/monitor.cc中，感兴趣的读者可以自行去阅读一下），已经基本上包含了我们分析锁竞争等待问题所需要的全部有效信息。上图中展示的这段锁相关信息翻译一下描述如下：

  1. system_server进程中的当前线程（tgid为4147）正在执行的函数android.content.res.CompatibilityInfo com.android.server.wm.ActivityTaskManagerService$LocalService.compatibilityInfoForPackage(android.content.pm.ApplicationInfo)(ActivityTaskManagerService.java:6227)时需要申请持有某个对象锁；当前由于有其它线程正在持有此对象锁，所以本线程进入该对象的锁池中阻塞等待线程释放锁，且对象的锁池中已经有两个线程已经在等待，加上本线程共计有三个线程正在等待该锁对象的释放（虚拟机为每个java对象维护了两个“队列池”，一个叫Entry Set（入口集），另外一个叫Wait Set（等待集）；对于任意的对象objectX，objectX的Entry Set用于存储等待获取objectX这个锁的所有线程，也就是锁池，objectX的Wait Set用于存储执行了objectX.wait()/wait(long)的线程，也就是等待池。）。

    /*frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm/ActivityTaskManagerService.java*/
...
@Override
public CompatibilityInfo compatibilityInfoForPackage(ApplicationInfo ai) {
     synchronized (mGlobalLock) { // 4147线程中就是此处的执行需要申请持有AMS服务内部的对象锁mGlobalLock
         return compatibilityInfoForPackageLocked(ai);
     }
}
...

  2. 当前对象锁正在被system_server进程中名为Binder:2323_1C的线程所（tgid为8289）持有，且该线程中当前正在持锁执行如下函数调用： void com.android.server.wm.ActivityClientController.activityPaused(android.os.IBinder)(ActivityClientController.java:169) 。

    /*frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm/ActivityClientController.java*/
    ...
    @Override
    public void activityPaused(IBinder token) {
        final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
        synchronized (mGlobalLock) {// 8289线程中当前正持有锁mGlobalLock，执行activityPaused的逻辑
            Trace.traceBegin(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER, "activityPaused");
            final ActivityRecord r = ActivityRecord.forTokenLocked(token);
            if (r != null) {
                r.activityPaused(false);
            }
            Trace.traceEnd(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER);
        }
        Binder.restoreCallingIdentity(origId);
    }
    ....

然后我们再从Systarce上总体来看看这个mGlobalLock对象锁的竞争等待状态：

lock_contention2.png
上图中可以看到 mGlobalLock 这个对象锁的争夺情况：
  1. Binder:2323_1C首先开始执行 activityPaused，这个方法中是要获取 mGlobalLock 对象锁的，由于此时 mGlobalLock 没有竞争，所以 activityPaused 获取对象锁之后开始执行；
  2. android.display 线程开始执行 handleMessage 方法，这个方法也是要获取 mGlobalLock 对象锁的，但是此时Binder:2323_1C 的 activityPaused 持有 mGlobalLock 对象锁 ，所以这里 android.display 的 handleMessage开始等待，进入 sleep 状态；
  3. Binder:2323_1 线程开始执行 isControllerAMonkey 方法，这个方法也是要获取 mGlobalLock 对象锁的，但是此时Binder:2323_1C 的 activityPaused 持有 mGlobalLock 对象锁 ，所以这里 ``Binder:2323_1的 ```isControllerAMonkey```开始等待，进入sleep` 状态；
  4. GameModeWorkThr 线程开始执行 compatibilityInfoForPackage 方法，这个方法也是要获取 mGlobalLock 对象锁的，但是此时Binder:2323_1C 的 activityPaused 持有 mGlobalLock 对象锁 ，所以这里 ``GameModeWorkThr的 ```compatibilityInfoForPackage```开始等待，进入sleep` 状态。

经过上面四步，就形成了 Binder:2323_1C线程在运行，其他三个争夺 mGlobalLock 对象锁失败的线程分别进入 sleep 状态，等待 Binder:2323_1C 执行结束后释放 mGlobalLock 对象锁。当Binder:2323_1C线程中的activityPaused逻辑执行完成后会释放mGlobalLock锁对象，该对象就会从其锁池中任意取出一个处于等待状态的线程去唤醒，使得线程能成功申请到mGlobalLock锁对象去执行，并将该线程从mGlobalLock锁池中移除。后续关于mGlobalLock锁释放后，如何从Systrace上分析观察锁池中的等待线程之间的相互唤醒关系的流程，会在后文中详细讲解。

1.4 应用进程APP Trace信息区域

如果说前面讲解的Systrace上的显示的内容通常Android系统开发者们关注的会多一些，那么本节中所描述的Systrace上应用进程APP Trace信息区域则需要APP应用开发者格外的关注。分析Systrace上这块区域的显示内容，我们一般主要看的是UI Thread和Render Thread两个线程的显示，因为从上一篇文章中关于Android应用上帧显示的原理的内容中的分析我们知道，这两个线程是应用进程中直接负责界面上帧显示的工作线程。当然Systrace上还有很多应用进程中还有很多其它线程的信息，如与GC相关的HeapTaskDeamon线程、负责动态编译机器码的JIT线程等，甚至很多应用开发者自己创建并定义的工作线程，关于这些线程的分析开发者可以根据自身问题和业务的需要进行，本文就不再涉及。
根据前文的分析可知，UI Thread和Render Thread都是自带Looper的消息循环线程，由系统创建应用进程后统一为应用创建启动，主要负责应用界面的UI界面的更新上帧显示和应用四大组件生命周期的处理。Systrace上的表现前文中（参考上一篇文章中已经详细分析过）已经分析过，如下图所示：

UI Thread和RenderThread Thread.png
分析Systrace线程上每一段Trace TAG的详细运行情况如下图所示：
App Trace.jpg
通过分析线程每一段Trace TAG执行过程的线程排程使用状态中Running、Sleeping、Runnable以及Uninterruptible Sleep占用比例和时长等信息，再结合对应的tag信息，我们可以看到：
  1. 线程任务是否频繁中断进入sleeping状态导致运行变慢？如果是的话，然后结合具体的tag信息观察线程sleeping原因是Binder通信阻塞？或者是等锁释放阻塞？
  2. 线程是否长时间处于Uninterruptible Sleep阻塞状态导致运行变慢？然后结合tag信息观察是否为执行I/O操作导致被Kernel内核阻塞？
  3. 线程是否长时间处于Runnable状态得不到执行而导致运行变慢？这个要结合CPU Trace信息观察当前CPU上任务的分布，是否有CPU关核或后台其它线程任务频繁抢占的问题？
  4. 如果只是线程Running时长过长导致运行变慢，最终出现上帧超时而掉帧？我们就需要结合具体tag信息查看到底在执行什么逻辑，然后结合自身的代码实现看是否可以优化？又或者是看看当前JIT线程任务是否繁忙，以判断是否是因为应用没有被及时编译成机器码而导致运行时长过长？

Systrace的分析重经验，在深入理解系统运行的基本流程和原理的基础上，无论是系统开发者或应用开发者都需要在平时工作中不断练习与积累，才能在真正遇到问题时，用Systrace工具去分析时做到游刃有余。

2 Systrace分析技巧

上一小节中我们详细分析介绍了Systrace上显示的各主要信息区域内容的静态构成，但是整个系统的运行往往是一个动态且相互影响的过程。在实际上手使用Systrace分析性能问题之前，我们还有一些实用的分析和调试的技巧也是需要掌握的。

2.1 线程运行排程状态转换分析

我们先用一张图来总体看看线程运行状态的变化以及引起变化的原因：

线程排程状态转换.png
从上面的图中可以看出：一个线程在运行过程中会到受各种因素的影响而在Running、Sleeping、Uninterruptible Sleep和Runnable四个状态之间不断切换。而除了Running状态下时线程工作任务有真正运行在CPU上去执行，其它几种状态下线程任务都无法得到有效的执行，从而可能会引起一些性能相关的问题。所以我们很多时候在分析性能问题，都需要找到线程任务没有持续处于Running状态的原因，还要判断其切换到其它几种状态的原因是否合理。而从Systrace上我们就可以清晰的观察到线程运行状态的变化以及引起状态变化的原因。各种线程运行状态切换场景如下所示：

2.1.1 Running -> Sleeping

Running-Sleeping.jpg
常见于：线程工作结束，线程使用Thread.sleep延时，线程被Binder服务端阻塞，线程陷入等锁阻塞状态等，具体原因需要结合线程Sleeping结束后线程被唤醒时的信息分析判断是否合理，后文会详细分析。

2.1.2 Sleeping -> Runnable

Sleeping-Runnable.jpg
处于Sleeping状态的线程被唤醒，重新进入Runnable待执行状态，Systrace上会显示出唤醒该线程的线程号。

2.1.3 Running->Runnable->Running

Running-runnable-running.jpg
正在执行的线程任务被更高优先级的线程任务临时抢占，Systrace上可以完整清晰的看到发生抢占的原因。

2.1.4 Running -> Uninterruptible Sleeping -> Runnable

Running-uninterrupt-runnable.jpg
正在执行的线程陷入内核锁等待状态，Systrace上可以看到被内核阻塞的详细信息，通过addr2line工具结合symbol table信息就可以查到产生问题的内核代码行号，帮助进一步定位问题原因。

2.1.5 Runnable -> Running

runnable-running.jpg
从Runnable 到Running状态的切换，Systrace上会显示出唤醒这个线程的线程号，从而可以进一步根据该线索分析理清楚线程间的相互等待唤醒关系，找到问题的根本原因。

2.2 线程等待唤醒关系分析

有了上面的分析基础，本小节中我们还是以桌面打开应用冷启动的场景为例，看看如何通过Systrace来分析观察线程之间的唤醒等待关系，从而看清应用进程与系统框架system_server进程之间是如何交互的。只有掌握了如何用Systrace分析线程之间的唤醒等待关系，我们才能去追踪并理清系统内跑在各个进程或线程中的各个功能模块之间是如何相互交互配合去完成一次系统事件流程的处理，个人理解这也就是使用Systrace工具分析问题的精髓所在。

Input2App.jpg
从桌面应用的UI线程从Sleeping状态切换到Runnable状态的Tag信息中可以看到该线程是被一个tid为2796的线程所唤醒，然后我们在Systrace界面右上角的搜索框中输入 2796后，搜索发现该线程的详细信息是属于框架system_server进程中的名为InputDispatcher的工作线程。然后我们选中UI线程Runnable这段时间区域，在system_server进程信息显示区域找到其2796子线程，根据Systrace TAG发现其中正是在执行InputDispatcher#dispatchMotionLocked 事件分发的逻辑。到此我们就理清了这段Input触控事件的传递逻辑，知道Input触控事件是由system_server进程中的名为InputDispatcher的工作线程，唤醒目标应用的主线程进行分发的，这也和上一篇文章中关于Input事件处理机制的理论分析是相符的。

然后桌面应用UI线程中根据连续收到的几条的Input事件判断用户在执行点击应用图标启动应用的动作，然后通过Binder调用框架的startActivity接口尝试去启动应用，从Systrace上分析如下所示：

startActivity.jpg
从线程Runnable状态切换可以看到，桌面的UI线程（线程tid为4893）中会先唤醒system_server进程中的负责处理应用Binder请求的Binder:2323_1C（tid为8289）线程，然后进入Sleeping状态，然后Binder:2323_1C线程中执行完startActivity具体内部逻辑后，会唤醒桌面的UI线程。这就是一次从Systarce上看到的应用Binder阻塞调用访问框架服务接口的线程相互等待唤醒的过程。

2.3 添加自定义Systrace tag

从上面的分析可以看到，谷歌原生在Android系统的很多系统关键流程上都添加了相关的Systrace tag，以观察这些流程执行的耗时情况。但是这些信息覆盖的范围毕竟是有限的，有时候并不能满足我们的分析需求。比如我们开发者想观察自己的一些代码逻辑执行的耗时情况，就需要自己定义一些Systrace tag去度量，这个Systrace机制本身是支持的。如何在代码中添加自定义的Systrace tag信息呢？主要有以下几种场景：

2.3.1 在APP应用Java代码中添加Systrace tag

在 Android 4.3（API 级别 18）及更高版本中，您可以在代码中使用 android.os.Trace类来定义随后会出现在 Perfetto 和 Systrace 报告中的自定义事件，如以下谷歌官方代码段所示：

    public class MyAdapter extends RecyclerView.Adapter<MyViewHolder> {
        @Override
        public MyViewHolder onCreateViewHolder(ViewGroup parent, int viewType) {
            Trace.beginSection("MyAdapter.onCreateViewHolder");// 1.标识自定义事件开始，title内容可以自定义
            MyViewHolder myViewHolder;
            try {
                myViewHolder = MyViewHolder.newInstance(parent);
            } finally {
                // In try and catch statements, always call "endSection()" in a
                // "finally" block. That way, the method is invoked even when an
                // exception occurs.
                Trace.endSection(); // 2.标识自定义事件结束
                
            }
            return myViewHolder;
        }
        
        @Override
        public void onBindViewHolder(MyViewHolder holder, int position) {
            // 嵌套调用代码示例
            Trace.beginSection("MyAdapter.onBindViewHolder");
            try {
                try {
                    Trace.beginSection("MyAdapter.queryDatabase");
                    RowItem rowItem = queryDatabase(position);
                    dataset.add(rowItem);
                } finally {
                    Trace.endSection();
                }
                holder.bind(dataset.get(position));
            } finally {
                Trace.endSection();
            }
        }
    }

注意事项：

  • 在使用python脚本抓取Systrace时必须提供 -a 选项才能跟踪应用；如果没有此选项，应用的方法将不会显示在 Systrace 报告中。如下命令示例所示：
  python systrace.py -a com.example.myapp -b 16384 \
      -o my_systrace_report.html sched freq idle am wm gfx view binder_driver hal \
      dalvik camera input res
systrace_app.png
  • endSection()建议包裹在finally代码块中，以保证中间代码出现异常情况下都能够结束事件；另外如果您多次调用 beginSection()，调用 endSection() 只会结束最后调用的 beginSection() 方法。因此，对于嵌套调用（如以上官方代码段中所示），请务必将每次对 beginSection() 的调用与一次对 endSection() 的调用正确匹配。否则抓取出来的Systrace会出现Did Not Finish的显示异常，影响结果分析。如下图所示：
Did not finish.png
  • 不能在一个线程上调用 beginSection()，而在另一个线程上结束它；您必须在同一个线程上调用这两个方法。如果就有需要在不同的线程开始和结束一个方法的追踪，请使用Trace.beginAsyncSection()和Trace.endAsyncSection()。

2.3.2 在APP应用Native代码中添加Systrace tag

Android 6.0（API 级别 23）及更高版本支持原生跟踪 API trace.h，用于将跟踪事件写入系统缓冲区，以供您随后使用 Perfetto 或 Systrace 进行分析。此 API 的常见用例包括观察特定代码块的执行时间以及确定引起不良系统行为的代码块。
在自定义事件的开头和结尾分别调用 ATrace_beginSection() 和 ATrace_endSection()，看看谷歌官方给出的用法示例：

 #include <android/trace.h>
    
 char *customEventName = new char[32];
 sprintf(customEventName, "User tapped %s button", buttonName);

 ATrace_beginSection(customEventName);
 // Your app or game's response to the button being pressed.
 ATrace_endSection();

注意使用pthread_setname_np函数为自己的工作线程命名，以便让Systrace能识别并显示出来。详细使用规则请参见Android官方文档：https://developer.android.google.cn/topic/performance/tracing/custom-events

2.3.3 在Framework的Java代码中添加Systrace tag

在Framework的Java层代码里面添加Systrace跟踪方式：

 import android.os.Trace;
 ...
 Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, “performTraversals”);// 字符串可以自定义 
 // 自己的代码实现逻辑
 finally {
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
 }

TRACE_TAG_VIEW的定义见android.os.Trace.java，这个与Systrace的脚本的参数是对应的，我们使用python脚本抓Systrace时可以根据需要选择是否抓取显示。如下图所示：

trace tag.png

2.3.4 在Framework的Native代码中添加Systrace tag

在Framework的Native层代码里面添加Systrace跟踪方式：

  • 跟踪整个函数：在检测调用堆栈或函数计时时，您可能会发现跟踪整个函数非常有用。使用 ATRACE_CALL() 或ATRACE_NAME()宏可以更轻松地设置此类跟踪。相关用法简化代码示例如下：
#define ATRACE_TAG ATRACE_TAG_ALWAYS // 表示一直会打开，如果是ATRACE_TAG_GRAPHICS，则需要在使用脚本抓systrace时参数加上gfx才能看到
#include <utils/Trace.h>
void myExpensiveFunction() {
    ATRACE_CALL(); // or ATRACE_NAME(“myExpensiveFunction”);
    // 想要跟踪的代码逻辑
}

另外模块的编译控制脚本.bp或.mk文件中注意添加引用libutils库，如下图所示：

libutils.png

  • 跟踪函数中的部分逻辑：

    相关用法简化代码示例如下：

#define ATRACE_TAG ATRACE_TAG_ALWAYS // 表示一直会打开，如果是ATRACE_TAG_GRAPHICS，则需要在使用脚本抓systrace时参数加上gfx才能看到
#include <cutils/trace.h>
void myExpensiveFunction() {
    ATRACE_BEGIN(“TEST”); // 字符串可以自定义
    // 想要跟踪的代码逻辑
    ATRACE_END();
}

另外模块的编译控制脚本.bp或.mk文件中注意添加引用libcutils库，如下图所示：

libcutils.png

3 Systrace原理简介

本着知其然、知其所以然的态度，本小节中我们来简单分析一下系统Systrace机制的原理，看看一份Systrace文件到底是怎么生成的？我们知道Android系统底层是基于Linux内核的，所以Systrace机制的实现其实也是基于Linux内核调试器ftrace的。 下面我们从ftrace机制开始入手分析。

3.1 Linux内核调试器之ftrace机制

ftrace，全称function tracer，用于帮助开发人员了解 Linux 内核的运行时行为，以便进行故障调试或性能分析。最早 ftrace 仅能够记录内核的函数调用流程，如今 ftrace 已经成为一个 framework，采用 plugin 的方式支持开发人员添加更多种类的 trace 功能。

3.1.1 Android系统上是如何开启并使用ftrace的

  • 在编译linux内核时，需要增加对ftrace支持的相关配置选项。我们拿手头的一台手机，adb shell进去看看proc/config.gz下关于linux内核编译的相关配置项：

    /*proc/config.gz*/
...
CONFIG_FTRACE=y
CONFIG_NOP_TRACER=y
CONFIG_HAVE_FUNCTION_TRACER=y
CONFIG_HAVE_FUNCTION_GRAPH_TRACER=y
# CONFIG_FUNCTION_TRACER is not set // 发货版本上一般默认关闭，以免影响整机性能
...

  • 系统开机启动时挂载 tracefs 文件。我们来看看init.rc文件中的相关定义：

    /*system/core/rootdir/init.rc*/
on early-init
...
# Mount tracefs
mount tracefs tracefs /sys/kernel/tracing //1.挂载tracefs文件到/sys/kernel/tracing
...
on late-fs
# Ensure that tracefs has the correct permissions.
# This does not work correctly if it is called in post-fs.
chmod 0755 /sys/kernel/tracing
chmod 0755 /sys/kernel/debug/tracing // 2.修改节点读写权限
...

    更多tracing子节点的初始化在atrace.rc文件中定义，我们挑重点来看，如下所示：

    /*frameworks/native/cmds/atrace/atrace.rc*/
...
on late-init
# Allow writing to the kernel trace log.
    chmod 0222 /sys/kernel/debug/tracing/trace_marker // 配置trace_marker节点读写权限
    chmod 0222 /sys/kernel/tracing/trace_marker 
...
# Grant unix world read/write permissions to kernel tracepoints.
# Access control to these files is now entirely in selinux policy.
    chmod 0666 /sys/kernel/debug/tracing/trace_clock
    chmod 0666 /sys/kernel/tracing/trace_clock
    chmod 0666 /sys/kernel/debug/tracing/buffer_size_kb
    chmod 0666 /sys/kernel/tracing/buffer_size_kb
    chmod 0666 /sys/kernel/debug/tracing/options/overwrite
    chmod 0666 /sys/kernel/tracing/options/overwrite
    chmod 0666 /sys/kernel/debug/tracing/options/print-tgid
    chmod 0666 /sys/kernel/tracing/options/print-tgid
    chmod 0666 /sys/kernel/debug/tracing/options/record-tgid
    chmod 0666 /sys/kernel/tracing/options/record-tgid
    chmod 0666 /sys/kernel/debug/tracing/saved_cmdlines_size
    chmod 0666 /sys/kernel/tracing/saved_cmdlines_size
....
# Tracing disabled by default
    write /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on 0 //开机默认是关闭tracing的
    write /sys/kernel/tracing/tracing_on 0
...
on property:persist.debug.atrace.boottrace=1 // 通过property值配置，动态控制启动atrace服务，实现抓取开机阶段的systrace（可用于分析开机时长问题）
    start boottrace
    
# Run atrace with the categories written in a file
service boottrace /system/bin/atrace --async_start -f /data/misc/boottrace/categories
    disabled
    oneshot

  • 经过上面两步后，在设备的/sys/kernel/debug/tracing 下就有各种跟踪器（tracer）和事件（event），相关节点的功能分析如下图所示：

    tracing_node.png

  • 最后我们看看如何用adb命令开启使用ftrace跟踪kernel event事件，相关操作命令如下：

    一、切换到trace目录：
   adb shell
   #cd sys/kernel/debug/tracing/
   
二、关闭ftrace:
   #echo 0 >tracing_on
   
三、清空ftrace内容：
   #echo >trace
   
四、开启需要ftrace追踪的kernel event事件：
   #echo 1 >events/power/enable
   
五、开启ftrace:
   #echo 1 >tracing_on  
   
六、用户操作手机设备

七、关闭ftrace
    #echo 0 >tracing_on
    
八、导出操作过程的ftrace
    #cat trace
    
ftrace跟踪到的trace文件格式内容如下所示：  
# tracer: nop
#
# entries-in-buffer/entries-written: 176698/383721   #P:8
#
#                                _-----=> irqs-off
#                               / _----=> need-resched
#                              | / _---=> hardirq/softirq
#                              || / _--=> preempt-depth
#                              ||| /     delay
#           TASK-PID     CPU#  ||||   TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |         |   ||||      |         |
          <idle>-0       [007] d.h2   588.866977: sched_get_task_cpu_cycles: cpu=7 event=5 cycles=2448000000 exec_time=938 freq=2609808 legacy_freq=843600 max_freq=2841600 task=0 (swapper/7)
          <idle>-0       [007] ...1   588.866979: cpu_idle: state=4294967295 cpu_id=7
          <idle>-0       [007] d..1   588.866989: cpu_idle: state=1 cpu_id=7
          <idle>-0       [007] .N.1   592.944497: cpu_idle: state=4294967295 cpu_id=7
          ...

3.1.2 ftrace工具包含的功能介绍

  • function trace功能实现：

funtion trace就是可以跟踪函数调用流程（目前Android发货版本出于性能考量，默认available_tracers都只支持nop追踪器，如果需要开启function跟踪器，需要修改kernel config编译配置，开启CONFIG_FUNCTION_TRACER等配置，然后单独编译版本进行调试），比如类似下面的跟踪输出：

# tracer: function
#
#                              _-----=> irqs-off
#                             / _----=> need-resched
#                            | / _---=> hardirq/softirq
#                            || / _--=> preempt-depth
#                            ||| /     delay
#           TASK-PID   CPU#  ||||    TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |       |   ||||       |         |
          bash-29409 [002] .... 16158426.215771: mutex_unlock <-tracing_set_tracer
          <idle>-0     [039] d... 16158426.215771: call_cpuidle <-do_idle
          <idle>-0     [039] d... 16158426.215772: cpuidle_enter <-call_cpuidle
          <idle>-0     [039] d... 16158426.215773: cpuidle_enter_state <-cpuidle_enter
            bash-29409 [002] .... 16158426.215773: __fsnotify_parent <-vfs_write
          <idle>-0     [039] d... 16158426.215773: sched_idle_set_state <-cpuidle_enter_state

funtion trace的实现是采用 gcc 编译器的 profile 特性在所有内核函数的开始部分加入一段 stub 代码，ftrace 重载这段代码来实现 trace 功能（本质上funtion trace就是一种静态代码插桩的思想的应用）。

比如编译下面的test.c文件：

//test.c
void foo(void)
{
   printf("foo");
}

gcc 的 -pg 选项将在每个函数入口处加入对 mcount 的调用代码，下图中对比展示了添加-pg和不添加-pg编译选项的区别：

function_trace.png
增加 pg 选项后，gcc 在函数 foo 的入口处加入了对 mcount 的调用：call _mcount 。原本 mcount 由libc 实现，但内核不会连接 libc 库，因此 ftrace 编写了自己的 mcount stub 函数，并借此实现 trace功能。

  • trace event功能实现：

    我们以sched_switch这个event为例说明一下，内核源码的实现如下（本质上trace event基于内核关键流程上的埋点实现，相关跟踪信息会先写到一块内存buffer缓存中，在停止ftrace跟踪时再从buffer缓存中同一读取写入到trace文件节点中）：

    /*kernel/msm-5.4/kernel/sched/core.c*/
static void __sched notrace __schedule(bool preempt){
     struct task_struct *prev, *next;
     unsigned long *switch_count;
     //......
     ++*switch_count;
     trace_sched_switch(preempt, prev, next);
     rq = context_switch(rq, prev, next, &rf);
     //......
}

    我们用Notepad++以文本的形式打开任意一份Systarce.html文件，其中关于trace开头的一部分如下所示：

    # tracer: nop
#
# entries-in-buffer/entries-written: 1259321/1259321   #P:8
#
#                                _-----=> irqs-off
#                               / _----=> need-resched
#                              | / _---=> hardirq/softirq
#                              || / _--=> preempt-depth
#                              ||| /     delay
#           TASK-PID     CPU#  ||||   TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |         |   ||||      |         |
          <idle>-0       [000] dn.1    56.916920: ipi_entry: (Rescheduling interrupts)
          <idle>-0       [000] dN.1    56.916925: ipi_exit: (Rescheduling interrupts)
          <idle>-0       [000] dN.1    56.916926: irq_handler_exit: irq=1 ret=handled
          <idle>-0       [000] d..2    56.916938: sched_switch: prev_comm=swapper/0 prev_pid=0 prev_prio=120 prev_state=R ==> next_comm=rcu_preempt next_pid=13 next_prio=120
     rcu_preempt-13      [000] d..4    56.916964: sched_wakeup: comm=rcuog/4 pid=41 prio=120 target_cpu=000
           <...>-5114    [001] d..2    56.916968: sched_switch: prev_comm=systrace-worker prev_pid=5114 prev_prio=110 prev_state=S ==> next_comm=codec_looper next_pid=7431 next_prio=120
           ...

    我们以sched_switch() 函数为例，看一下这个函数的运行，最终是通过什么样的方式写入到trace文件中的，这一行输出我们单独拿出来看一下：

    <...>-5114    [001] d..2    56.916968: sched_switch: prev_comm=systrace-worker prev_pid=5114 prev_prio=110 prev_state=S ==> next_comm=codec_looper next_pid=7431 next_prio=120

    打开跟踪sched_switch的trace event:

    #echo 1 > /sys/kernel/tracing/events/sched/sched_switch/enable

    如果需要跟踪所有关于调度的trace event:

    #echo 1 > /sys/kernel/tracing/events/sched/enable

  • trace marker功能：

    内核提供了一个节点/sys/kernel/debug/tracing/trace_marker ，此节点允许用户层中写入字符串，ftrace 会记录该写入操作时的时间戳，当用户在上层调用不同函数时，写入不同的调用信息，比如函数进入和退出分别写入，那么 ftrace 就可以记录跟踪函数的运行时间。比如atrace中在开始抓取trace之前会将时间戳写入了trace文件中，就是写的这个trace_marker文件节点，相关代码实现如下：

    /*frameworks/native/cmds/atrace/atrace.cpp*/
static void writeClockSyncMarker()
{
  char buffer[128];
  int len = 0;
  int fd = open((g_traceFolder + k_traceMarkerPath).c_str(), O_WRONLY);// sys/kernel/debug/tracing/trace_marker
  if (fd == -1) {
      fprintf(stderr, "error opening %s: %s (%d)\n", k_traceMarkerPath,
              strerror(errno), errno);
      return;
  }
  float now_in_seconds = systemTime(CLOCK_MONOTONIC) / 1000000000.0f;

  len = snprintf(buffer, 128, "trace_event_clock_sync: parent_ts=%f\n", now_in_seconds);
  if (write(fd, buffer, len) != len) {
      fprintf(stderr, "error writing clock sync marker %s (%d)\n", strerror(errno), errno);
  }

  int64_t realtime_in_ms = systemTime(CLOCK_REALTIME) / 1000000;
  len = snprintf(buffer, 128, "trace_event_clock_sync: realtime_ts=%" PRId64 "\n", realtime_in_ms);
  if (write(fd, buffer, len) != len) { // 时间戳写入trace_marker节点中
      fprintf(stderr, "error writing clock sync marker %s (%d)\n", strerror(errno), errno);
  }
  close(fd);
}

    最终在trace文件中的输出样式为：

    # TASK-PID TGID CPU# |||| TIMESTAMP FUNCTION
# | | | | |||| | |
   atrace-18345 (18345) [006] .... 678.571923: tracing_mark_write: trace_event_clock_sync: parent_ts=678.571960
   atrace-18345 (18345) [006] .... 678.571926: tracing_mark_write: trace_event_clock_sync: realtime_ts=1596784581543

3.1.3 利用ftrace分析线程唤醒关系

在前文中关于Systrace分析技巧中我们讲解了如何从Systrace的浏览器图形显示上分析线程之间的唤醒等待关系。其实ftrace数据是包含在Systrace网页源码中，所以本文再分享一种利用ftrace分析线程唤醒关系的方法：

我们用Notepad++工具以文本的形式打开任意一份抓取好的Systrace html文件源码，其中关于线程之间唤醒关系的跟踪记录信息如下图所示：

sched_wakeup.png

  • 对应systrace与ftrace时间：

    ftrace包含在systrace网页源代码中，在systrace中时间起点0是”第一行frace的时间戳”。例如ftrace的第一个时间戳是2992.249462, 在systrace中时间戳19,419.622对应的ftrace时间戳为2992.249462 + 19.419622。

  • 例如要找到唤醒线程号1234的线程：

    用Notepad++工具打开systrace网页源代码, 利用正规表达式 “sched_wakeup.*pid=1234”搜索，然后按时间戳匹配一下就能找到某次具体的唤醒关系。

  • 找到被线程1234唤醒的线程：

    用Notepad++工具打开systrace网页源代码, 利用正规表达式 1234.*sched_wakeup搜索，然后按时间戳匹配一下就能找到某次具体的唤醒关系。

3.2 Android系统atrace运行原理

atrace是谷歌设计的一个可以实现基于ftrace抓取Trace文件的Native可执行程序，相关代码位于frameworks/native/cmds/atrace/*目录下，由于篇幅所限本文就不再展开分析其代码细节，感兴趣的读取可以自行阅读。

首先我们来看看atrace抓取的数据源包括哪些，如下图所示：

atrace.png
其中：
  1. 用户空间的数据：包括了应用层的自定义 Trace、系统层的 gfx 渲染相关 Trace、系统层打的锁相关的 Trace 信息等，其最终都是通过调用 Android SDK 提供的Trace.beginSection或者 ATRACE_BEGIN 记录到同一个文件点/sys/kernel/debug/tracing/trace_marker 中的。此节点允许用户层写入字符串，ftrace 会记录该写入操作时的时间戳，当用户在上层调用不同函数时，写入不同的调用信息，比如函数进入和退出分别写入，那么 ftrace 就可以记录跟踪函数的运行时间（本质是基于ftrace提供的trace marker功能实现）。atrace 在处理用户层的多种 trace 类别时，只是激活不同的 TAG，如选择了 Graphics，则激活 ATRACE_TAG_GRAPHICS，将渲染事件记录到 trace_marker。
  2. 内核空间的数据：基于ftrace的trace event功能实现，当用户用脚本抓取trace时给atrace传入的参数中包括有sched、mmc、binder等内核event相关的事件追踪时，atrace进程中就会去写sys/kernel/debug/tracing/events/目录下对应的节点去激活ftrace抓取对应的kernel event。例如选择了sched后，atrace就会将sys/kernel/debug/tracing/events/sched/enable节点的值写为“1”，从而激活ftrace跟踪内核CPU调度相关的所有事件写入trace文件。
  3. 最终，上述两大类事件记录都汇集到内核态的同一缓冲中，PC 端上 Systrace 工具脚本是通过指定抓取 trace 的类别等参数，然后触发手机端的/system/bin/atrace 开启对应文件节点的信息，接着 atrace 会读取 ftrace 的缓存，生成只包含 ftrace 信息的 atrace_raw 信息，最终通过脚本转换成可视化 HTML 文件。

借用一张图描述Android系统中生成Systrace的可视html文件的整个实现流程大致如下图所示：

systrace.png

4 Systrace抓取方法

开发人员最常用方式是使用Android官方sdk中提供的名为systrace.py的python脚本工具抓取Systrace报告。

4.1 运行环境准备

如需运行 Systrace脚本，请先按照如下步骤配置相关运行环境：

  1. 从 Android Studio 下载并安装最新的 Android SDK 工具。

  2. 安装 Python并将其添加到工作站的 PATH 环境变量中。

  3. 将 android-sdk/platform-tools/ 添加到 PATH 环境变量。此目录包含由 systrace 程序调用的 Android 调试桥二进制文件 (adb)。

  4. 使用 USB 调试连接将搭载 Android 4.3（API 级别 18）或更高版本的设备连接到开发系统。

4.2 命令语法

如需为应用生成Systrace的 HTML 报告，您需要使用以下语法通过命令行运行 systrace：

systrace.py [options] [categories]

例如，以下命令会调用 systrace 来记录设备活动，并生成一个名为 mynewtrace.html 的 HTML 报告。此类别列表是大多数设备的合理默认列表。

systrace.py -o mynewtrace.html sched freq idle am wm gfx view binder_driver hal dalvik camera input res

常用命令与说明如下：


systrace_python.png

更多详细的介绍请参见官方使用文档：

https://developer.android.google.cn/topic/performance/tracing/command-line

参考

Android Systrace 基础知识 - Binder 和锁竞争解读 https://www.androidperformance.com/2019/12/06/Android-Systrace-Binder/#/Binder-%E6%A6%82%E8%BF%B0
Android Systrace 基础知识 - CPU Info 解读
https://www.androidperformance.com/2019/12/21/Android-Systrace-CPU#/taskset-%E7%9A%84%E7%94%A8%E6%B3%95
抖音 Android 性能优化系列：新一代全能型性能分析工具 Rhea
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MzYzMjE0MQ==&mid=2247487720&idx=1&sn=4c1dc31b6201e420dcac49250b81055f&chksm=e9d0db0adea7521c9337aacc22877d4e6f33a774499c650f3bfb12ad23ffdc0b8ab6ef40a9a5&scene=21#wechat_redirect
系统跟踪概览
https://developer.android.google.cn/topic/performance/tracing

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    本文标题：Android卡顿掉帧问题分析之工具篇

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