最近在写APM相关的东西，所以整理了一下iOS中卡顿监测的那些方案，不了解卡顿的原理的可以看这篇文章iOS 保持界面流畅的技巧，写的很好。
FPS
FPS (Frames Per Second) 是图像领域中的定义，表示每秒渲染帧数，通常用于衡量画面的流畅度，每秒帧数越多，则表示画面越流畅，60fps 最佳，一般我们的APP的FPS 只要保持在 50-60之间，用户体验都是比较流畅的。
监测FPS也有好几种，这里只说最常用的方案，我最早是在YYFPSLabel中看到的。
实现原理实现原理是向主线程的RunLoop的添加一个commonModes的CADisplayLink，每次屏幕刷新的时候都要执行CADisplayLink的方法，所以可以统计1s内屏幕刷新的次数，也就是FPS了，下面贴上我用Swift实现的代码：
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!
//记录方法执行次数
var count: Int = 0
//记录上次方法执行的时间，通过link.timestamp - _lastTime计算时间间隔
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 刷新执行的方法
@objc func tick(link: CADisplayLink) {
guard lastTime != 0 else {
lastTime = link.timestamp
return
}
count += 1
let timePassed = link.timestamp - lastTime
//时间大于等于1秒计算一次，也就是FPSLabel刷新的间隔，不希望太频繁刷新
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从Runloop modes中移除
deinit {
link.invalidate()
}
required init?(coder aDecoder: NSCoder) {
fatalError("init(coder:) has not been implemented")
}
}
RunLoop
其实FPS中CADisplayLink的使用也是基于RunLoop，都依赖main RunLoop。我们来看看
先来看看简版的RunLoop的代码
// 1.进入loop
__CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled)
// 2.RunLoop 即将触发 Timer 回调。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
// 3.RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
// 4.RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle)
// 5.执行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
// 6.RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
// 7.调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort)
// 进入休眠
// 8.RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting
// 9.如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调
__CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
// 10.如果有dispatch到main_queue的block，执行bloc
__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
// 11.如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
__CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
// 12.RunLoop 即将退出
__CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
我们可以看到RunLoop调用方法主要集中在kCFRunLoopBeforeSources和kCFRunLoopAfterWaiting之间，有人可能会问kCFRunLoopAfterWaiting之后也有一些方法调用，为什么不监测呢，我的理解，大部分导致卡顿的的方法是在kCFRunLoopBeforeSources和kCFRunLoopAfterWaiting之间，比如source0主要是处理App内部事件，App自己负责管理(出发),如UIEvent(Touch事件等，GS发起到RunLoop运行再到事件回调到UI)、CFSocketRef。开辟一个子线程，然后实时计算 kCFRunLoopBeforeSources 和 kCFRunLoopAfterWaiting 两个状态区域之间的耗时是否超过某个阀值，来断定主线程的卡顿情况。
这里做法又有点不同，iOS实时卡顿监控是设置连续5次超时50ms认为卡顿，戴铭在GCDFetchFeed中设置的是连续3次超时80ms认为卡顿的代码。以下是iOS实时卡顿监控中提供的代码：
- (void)start
{
if (observer)
return;
// 信号
semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
// 注册RunLoop状态观察
CFRunLoopObserverContext context = {0,(__bridge void*)self,NULL,NULL};
observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
kCFRunLoopAllActivities,
YES,
0,
&runLoopObserverCallBack,
&context);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
// 在子线程监控时长
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;
}
});
}
子线程Ping
但是由于主线程的RunLoop在闲置时基本处于Before Waiting状态，这就导致了即便没有发生任何卡顿，这种检测方式也总能认定主线程处在卡顿状态。这套卡顿监控方案大致思路为：创建一个子线程通过信号量去ping主线程，因为ping的时候主线程肯定是在kCFRunLoopBeforeSources和kCFRunLoopAfterWaiting之间。每次检测时设置标记位为YES，然后派发任务到主线程中将标记位设置为NO。接着子线程沉睡超时阙值时长，判断标志位是否成功设置成NO，如果没有说明主线程发生了卡顿。ANREye中就是使用子线程Ping的方式监测卡顿的。
@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实现的：
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超过了80%
这个是Matrix-iOS 卡顿监控提到的：
我们也认为 CPU 过高也可能导致应用出现卡顿，所以在子线程检查主线程状态的同时，如果检测到 CPU 占用过高，会捕获当前的线程快照保存到文件中。目前微信应用中认为，单核 CPU 的占用超过了 80%，此时的 CPU 占用就过高了。
这种方式一般不能单独拿来作为卡顿监测，但可以像微信Matrix一样配合其他方式一起工作。
戴铭在GCDFetchFeed中如果CPU 的占用超过了 80%也捕获函数调用栈，以下是代码：
#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 消耗大于设置值时打印和记录堆栈
NSString *reStr = smStackOfThread(threads[i]);
SMCallStackModel *model = [[SMCallStackModel alloc] init];
model.stackStr = reStr;
//记录数据库中
[[[SMLagDB shareInstance] increaseWithStackModel:model] subscribeNext:^(id x) {}];
// NSLog(@"CPU useage overload thread stack：\n%@",reStr);
}
}
}
}
}
卡顿方法的栈信息
当我们得到卡顿的时间点，就要立即拿到卡顿的堆栈，有两种方式一种是遍历栈帧，实现原理我在iOS获取任意线程调用栈写的挺详细的，同时开源了代码RCBacktrace，另一种方式是通过Signal获取任意线程调用栈，实现原理我在通过Signal handling(信号处理)获取任意线程调用栈写了，代码在backtrace-swift，但这种方式在调试时比较麻烦，建议用第一种方式。
参考文章
质量监控-卡顿检测
Matrix-iOS 卡顿监控
13 | 如何利用 RunLoop 原理去监控卡顿？
iOS实时卡顿监控
iOS开发--APP性能检测方案汇总(一)
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