### 什么叫卡顿 CPU与GPU两者总共耗时超出视屏刷新帧最小间隔时间T。 如果1s刷新正常按照60帧计算，每帧时间大概为16.7ms。如果出现T多次超出这个范围，导致我们1s实际显示帧数远小于60，我们可以定义为产生了卡顿 ### CPU和GPU - 在屏幕成像的过程中，CPU和GPU起着至关重要的作用 - CPU（Central Processing Unit，中央处理器） 对象的创建和销毁、对象属性的调整、布局计算、文本的计算和排版、图片的格式转换和解码、图像的绘制（Core Graphics） - GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器） 纹理的渲染 - 在iOS中是双缓冲机制，有前帧缓存、后帧缓存 ![image.png](media/17049761585790.png) ### 屏幕成像原理 GPU 通常有一个机制叫做垂直同步（简写 V-Sync），通常以固定频率进行刷新，这个刷新率就是 VSync 信号产生的频率。CRT 的电子枪按照上面方式，从上到下一行行扫描，扫描完成后显示器就呈现一帧画面，随后电子枪回到初始位置继续下一次扫描。为了把显示器的显示过程和系统的视频控制器进行同步，显示器（或者其他硬件）会用硬件时钟产生一系列的定时信号。当电子枪换到新的一行，准备进行扫描时，显示器会发出一个水平同步信号（horizonal synchronization），简称 HSync； 简单来说，就是产生一个VSync，之后不断的进行水平同步信号HSync将屏幕显示完，再产生下一个VSync，再不断的进行水平同步信号HSync将屏幕显示完，重复这样的操作。 ![image.png](media/17049761585824.png) 按照60FPS的刷帧率，每隔16ms就会有一次VSync信号。1秒是1000ms，1000/60 = 16。 ### 卡顿原因分析 ![image.png](media/17049761585845.png) **屏幕成像原理:** * CPU计算显示内容，例如视图创建，布局计算、图片解码、文本绘制等； * 接着 CPU 会将计算好的内容提交到 GPU进行合成、渲染。 * 随后 GPU 会把渲染结果提交到帧缓冲区去，等待VSync 信号到来时显示到屏幕上。 **如果此时下一个VSync 信号到来时，CPU或GPU都没有完成相应的工作时，则那一帧将会丢失** - 如图第3步：VSync信号回来时，GPU还没有完成相应的工作，这一帧将会丢失 - 如图第4步：当第3步丢失了，可能会导致第4步操作缺失，这一步也会丢帧 **卡顿造成的原因通常是CPU和GPU导致的掉帧引起的，主要原因如下：** - 主线程在进行大量I/O操作：为了方便代码编写，直接在主线程去写入大量数据； - 主线程在进行大量计算：代码编写不合理，主线程进行复杂计算； - 大量UI绘制：界面过于复杂，UI绘制需要大量时间； - 主线程在等锁：主线程需要获得锁A，但是当前某个子线程持有这个锁A，导致主线程不得不等待主线程完成任务。 ### 怎么监控应用的卡顿情况 - FPS 监控：这是最容易想到的一种方案，如果帧率越高意味着界面越流畅，上文也给出了计算 FPS 的实现方式，通过一段连续的 FPS 计算丢帧率来衡量当前页面绘制的质量 - 主线程卡顿监控：这是业内常用的一种检测卡顿的方法，通过开辟一个子线程来监控主线程的 RunLoop，当两个状态区域之间的耗时大于阈值时，就记为发生一次卡顿。美团的移动端性能监控方案 Hertz 采用的就是这种方式 ### Runloop监控卡顿 原理: 平时所说的“卡顿”主要是因为在主线程执行了比较耗时的操作，可以添加Observer到主线程RunLoop中，通过监听RunLoop状态切换的耗时，以达到监控卡顿的目的。 ![image.png](media/17049761585857.jpg) runloop的伪代码 ``` /// 1. 通知Observers，即将进入RunLoop /// 此处有Observer会创建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPush(); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry); do { /// 2. 通知 Observers: 即将触发 Timer 回调。 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers); /// 3. 通知 Observers: 即将触发 Source (非基于port的,Source0) 回调。 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block); /// 4. 触发 Source0 (非基于port的) 回调。 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0); /// 5. GCD处理main block __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block); /// 6. 通知Observers，即将进入休眠 /// 此处有Observer释放并新建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop(); _objc_autoreleasePoolPush(); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeWaiting); /// 7. sleep to wait msg. mach_msg() -> mach_msg_trap(); /// 8. 通知Observers，线程被唤醒 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting); /// 9. 如果是被Timer唤醒的，回调Timer __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer); /// 9. 如果是被dispatch唤醒的，执行所有调用 dispatch_async 等方法放入main queue 的 block __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block); /// 9. 如果如果Runloop是被 Source1 (基于port的) 的事件唤醒了，处理这个事件 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1); } while (...); /// 10. 通知Observers，即将退出RunLoop /// 此处有Observer释放AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop(); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit); } ``` 发现NSRunLoop调用方法主要就是在`kCFRunLoopBeforeSources`和`kCFRunLoopBeforeWaiting`之间,还有`kCFRunLoopAfterWaiting`之后,也就是如果我们发现这两个时间内耗时太长,那么就可以判定出此时主线程卡顿。 那么，我们卡顿监控在 Runloop 的起始最开始和结束最末尾位置添加 Observer，从而获得主线程的开始和结束状态。卡顿监控起一个子线程定时检查主线程的状态，当主线程的状态运行超过一定阈值则认为主线程卡顿，从而标记为一个卡顿 使用Runloop进行卡顿监控之后，需要定义一个阀值来判定卡顿的出现 1. 主程序 Runloop 超时的阈值是 2 秒，子线程的检查周期是 1 秒。每隔 1 秒，子线程检查主线程的运行状态；如果检查到主线程 Runloop 运行超过 2 秒则认为是卡顿，并获得当前的线程快照, 获取当前的调用栈。 2. 假定连续5次超时50ms认为卡顿(当然也包含了单次超时250ms) ``` // 开始监听 - (void)startMonitor { if (observer) { return; } // 创建信号 semaphore = dispatch_semaphore_create(0); NSLog(@"dispatch_semaphore_create:%@",[BGPerformanceMonitor getCurTime]); // 注册RunLoop状态观察 CFRunLoopObserverContext context = {0,(__bridge void*)self,NULL,NULL}; //创建Run loop observer对象 //第一个参数用于分配observer对象的内存 //第二个参数用以设置observer所要关注的事件，详见回调函数myRunLoopObserver中注释 //第三个参数用于标识该observer是在第一次进入run loop时执行还是每次进入run loop处理时均执行 //第四个参数用于设置该observer的优先级 //第五个参数用于设置该observer的回调函数 //第六个参数用于设置该observer的运行环境 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) { // 有信号的话 就查询当前runloop的状态 // 假定连续5次超时50ms认为卡顿(当然也包含了单次超时250ms) // 因为下面 runloop 状态改变回调方法runLoopObserverCallBack中会将信号量递增 1,所以每次 runloop 状态改变后,下面的语句都会执行一次 // dispatch_semaphore_wait:Returns zero on success, or non-zero if the timeout occurred. long st = dispatch_semaphore_wait(semaphore, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 50*NSEC_PER_MSEC)); NSLog(@"dispatch_semaphore_wait:st=%ld,time:%@",st,[self getCurTime]); if (st != 0) { // 信号量超时了 - 即 runloop 的状态长时间没有发生变更,长期处于某一个状态下 if (!observer) { timeoutCount = 0; semaphore = 0; activity = 0; return; } NSLog(@"st = %ld,activity = %lu,timeoutCount = %d,time:%@",st,activity,timeoutCount,[self getCurTime]); // kCFRunLoopBeforeSources - 即将处理source kCFRunLoopAfterWaiting - 刚从休眠中唤醒 // 获取kCFRunLoopBeforeSources到kCFRunLoopBeforeWaiting再到kCFRunLoopAfterWaiting的状态就可以知道是否有卡顿的情况。 // kCFRunLoopBeforeSources:停留在这个状态,表示在做很多事情 if (activity == kCFRunLoopBeforeSources || activity == kCFRunLoopAfterWaiting) { // 发生卡顿,记录卡顿次数 if (++timeoutCount < 5) { continue; // 不足 5 次,直接 continue 当次循环,不将timeoutCount置为0 } // 收集Crash信息也可用于实时获取各线程的调用堆栈 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(@"---------卡顿信息\n%@\n--------------",report); } } NSLog(@"dispatch_semaphore_wait timeoutCount = 0，time:%@",[self getCurTime]); timeoutCount = 0; } }); } ```