iOS耗电量优化

Posted 2021-12-29 想名真难

耗电量分析是衡量应用性能表现的一个重要指标，要做好一款app，不仅仅是实现功能，我们需要考虑很多性能指标，让用户用的更爽，在开发过程中，要充分考虑到各项性能指标，比如定位精度，更高的精度，往往意味着更高的能耗，因此要平衡好精度和功耗，避免我们的app过多的过多的电量消耗，而界面卡顿可能意味着大量的多余计算，不仅影响流畅度，影响电量消耗，网络的不合理使用，也会增加耗电量，这些都是影响耗电量和用户体验的重要因素，因此必须要重视app耗电量。

1.耗电量概念

 `x 轴`为时间，`y 轴`为电量消耗的坐标图

• Idle 表示app处于休眠状态，几乎不使用电量。
• Active状态说明app处于工作状态，用电量比较高，图中的第二个 Active 的耗电远高于第一个，这是因为app所做的工作类型不同而导致的。
• Overhead指的是调起硬件来支持app功能所消耗的电量，这部分是支持硬件工作必要的电量消耗。
• 图中横线以下所包区域是固定开销（Fixed Cost），横线以上区域是动态开销（Dynamic cost）。

2.节省电量的四个基本原则：

• 识别：想清楚你需要app在特定时刻需要完成哪些工作，如果是不必要的工作，考虑延后执行或者省去。

• 优化：优化app的功能实现，尽可能以更有效率的方式去完成功能。

• 合并：不需要立刻获取，可以延后合并执行，比如合并网络

• 减少：在满足需求的基础上，尽量减少做重复工作的频率。

一、耗电大户

 1.网络

app进行网络通信时，蜂窝数据和Wi-Fi等元器件开始工作就会消耗大量电能，应减少数据传输，合并网络请求，适当的网络延时等。

2.定位

app为了记录用户的活动或者提供基于位置的服务会进行定位。定位精度越高，定位时间越长，消耗电量也就越多。

3.CPU

app做的每件事几乎都需要用CPU，所以CPU是电能消耗大户，高CPU使用时会迅速消耗掉用户的电池电量，所以我们要更合理的使用CPU，降低能耗。

4.GPU

app内容每次更新到屏幕上都需要消耗电能处理像素信息。动画和视频格外耗电。不经意的或者不必要的内容更新同样会消耗电能，所以UI不可见时，应该避免更新其内容。

5.传感器和蓝牙

长时间用不上加速度计、陀螺仪、磁力计等设备的动作数据时，应该停止更新数据，不然也会浪费电能。应按需获取，用完即停。蓝牙活动频度太高会消耗电能，应该尽量分批、减少数据轮询等操作。

二、测试工具

1.Energy Impact

 1.1Average energy Imapct

Average energy Imapct代表的是app的耗电量评级，low（绿色区域）、high （黄色区域）、very high（红色区域）。通过这张图，我们可以大致了解 app 电量的使用情况。理想的状态是 app 处于 low、high 状态。如果处于very high状态，我们需要分析哪些功能导致耗电量大涨。

1.2Average Componet Utilization

Average Componet Utilization展示的是Overhead、CPU、NetWork、Location、GPU各部分耗电量的占比，通过这个占比，我们可以分析各部分耗电量是否较高。

1.3Energy Impact

Energy Impact会实时展示电量消耗，每个柱子代表每秒的电量消耗，通过每个柱子由不同的颜色组成，展示各部分电量消耗的比例，依次是Overhead（红色）、CPU（蓝色）、网络（深黄）、定位（淡黄）、GPU（绿色）、后台（深灰）、前台（淡灰）、Suspend（白色）。

1.4总结

在使用Energy Impact的过程中，首先可以观察Average energy Imapct。了解app的整体耗电量情况，处在什么位置，对整体有个大概的了解，然后通过Average Componet Utilization来观察app整体耗电量中，具体哪一部分占比较高，最后使用Energy Impact进行实时分析，分析页面各部分消耗是否是必要的，比如某个页面只在进入的时候需要获取经纬度，后面不需要实时获取经纬度，那么在进入页面获取经纬度以后，就要将定位关闭，以减少电量消耗。

优点：
实时性高、数据分析可以通过图形直观展示、可以获取`Overhead（红色）、CPU（蓝色）、网络（深黄）、定位（淡黄）、GPU（绿色）、后台（深灰）、前台（淡灰）、Suspend（白色）等数据和各部分数据占比。

缺点：
颗粒度较大，想做详细的分析，需要借助，其它工具。比如针对CPU的消耗情况，可以通过Time Profiler来进行分析，分析具体哪部分代码消耗较多,使用Network Profiler来分析网络的消耗情况、使用Location Profiler来分析定位的情况，详细获取各部分数据，找到电量的消耗点。

2.Energy Log

• Energy Usage Log 代表能耗消耗级别，有 0 到 20 的级别，表示应用在任何给定时间使用了多少电量，值越大表示越耗电。可以用来分析app的总体能耗。

• CPU Activity Log 代表cpu能源消耗，包括 ：Foreground app Activity、Graphics Activity、Media Activity、Other Activity。

• Network Activity Log 代表网络能源消耗，包括 ：Cellular in、Cellular out、Wi-Fi In、Wi-Fi Out。

• Display Brightness Log 代表屏幕消耗。

• Sleep/Wake Log 代表仪器捕获有关设备当前状态的信息。

• Bluetooth On/Off Log 代表蓝牙开关状态。

• Wi-Fi On/Off Log 代表Wi-Fi开关状态。

• Gps On/Off Log 代表Gps开关状态。

2.2总结

在使用Energy Log过程中，可以通过横向比较各个维度的数据，来分析各部分的能源消耗，分析能耗的使用情况，更合理的使用手机电量。

三、案例分析

 上面是使用Energy Log来测试页面的电量消耗情况，红色部分是Overhead，表示调起硬件的正常电量消耗，其占据页面57.1%，网络占10.2%，cpu占1.2%，Location占31.1%，但在这个页面中，GPS是一直开启的，也就是图中的黄色部分，实际情况是是不需要一直开启GPS定位，这一部分存在优化空间，按需要开启和关闭GPS开关。

总结

在进行电量消耗测试时，需要对页面需求进行具体分析，用来判别页面中网络、CPU、GPU、GPS各部分的电量消耗是否是合理和必要的，上面例子的情况，GPS没必要一直开启，可以在不需要使用时关闭，存在优化空间。关于更多电量优化建议，可以参考苹果官方Apple Energy Guide或者这篇翻译App功耗优化建议，会从网络、CPU、GPU、GPS等方面，更详细的角度来分析耗电量优化。

四、优化建议

1.网络

只要app执行网络操作，就会产生大量的见解能耗，网络硬件为了响应下一次任务，往往会持续活跃一段时间，下面是多次网络的能耗图。

 1.1 缩减网络请求

1. 减少、压缩网络数据。可以降低上传或下载的多媒体内容质量和尺寸等。

2. 使用缓存，不要重复下载相同的数据。

3. 使用断点续传，否则网络不稳定时可能多次传输相同的内容。

4. 网络不可用时不要尝试执行网络请求。

5. 让用户可以取消长时间运行或者速度很慢的网络操作，设置合适的超时时间。

6. 网络请求失败后用SCNetworkReachability的通知监测网络状态，网络可用后再重试。

1.2 延迟联网

1. 分批传输。比如，下载视频流时，不要传输很小的数据包，直接下载整个文件或者一大块一大块地下载。如果提供广告，一次性多下载一些，然后再慢慢展示。如果要从服务器下载电子邮件，一次下载多条，不要一条一条地下载。

2. 网络操作能推迟就推迟。如果通过HTTP上传、下载数据，建议使用NSURLSession中的后台会话，这样系统可以针对整个设备所有的网络操作优化功耗。将可以推迟的操作尽量推迟到设备充电状态并且连接Wi-Fi时进行，比如同步和备份工作。

2.定位

1. 如果你的app只是需要快速确定一下用户的位置，最好用CLLocationManager的requestLocation (ios9引入)方法。定位完成之后会自动让硬件断电。

2. 除非是在导航的时候，app大部分时间不需要实时更新，降低位置的更新频率。

3. 尽量降低定位精度。iOS设备默认采用最高精度定位，如果你的app不是确实需要米级的位置信息，不要用最高精度(kCLLocationAccuracyBest)或10米左右的精度(kCLLocationAccuracyNearestTenMeters)。一般来说Core Location提供的精度比你设置的要好，比如你设置为3公里左右的精度，可能会收到100米左右的精度信息。

4. 如果定位精度一直达不到设置的精度时，停止更新位置，稍后再试。

5. 需要后台更新位置时，尽量把pausesLocationUpdatesAutomatically设为YES，如果用户不太可能移动的时候系统会自动暂停位置更新。

6. 后台定位时延时更新位置。如果要做一个健身类的软件追踪用户徒步的距离，可以等用户移动一段距离或者过一段时间之后再更新位置，这样可以让系统优化能耗。

3.CPU

3.1尽量减少计时器使用

使用计时器时，设置一个合适的超时时，不再需要时及时关闭重复性定时器。用事件通知代替定时器。有些app用定时器监控文件内容、网络或者其他状态的变化，这会导致CPU无法进入闲置状态而增加功耗。

3.2减少后台工作

实现UIApplicationDelegate中的方法，应用进入后台前做好暂停任务，保存数据等工作。如果确实需要完成用户执行的一些任务，应该调用UIApplicationDelegate中的beginBackgroundTaskWithExpirationHandler: 方法，这样后台任务可以继续执行几分钟。任务执行完毕后一定要调用endBackgroundTask:方法，不要等着系统强行挂起进程。

3.3用QoS分级有序工作

多个app和众多操作需要共享CPU、缓存、网络等资源，为了保持高效，系统需要根据不同任务的优先级智能地管理这些工作。比如更新UI这种重要的事需要多分配资源，而一些后台任务可以延迟一些执行。服务质量(quality of service, 以下简称QoS, iOS8引入)级别可以通过NSOperation, NSOperationQueue, NSThread objects, dispatch queues, 和pthreads (POSIX threads)指定工作的优先级。

3.4优化I/O访问

app每次执行I/O任务，比如写文件，会导致系统退出闲置模式。而且写入缓存格外耗电。通过下列方法可以提高能效、改善app性能。

1. 减小写入数据。数据有变化再写文件，尽量把多个更改攒到一起一次性写入。如果只有几个字节的数据改变，不要把整个文件重新写入一次。如果你的app经常要修改大文件里很少的内容，可以考虑用数据库存储这些数据。

2. 避免访问存储频度太高。如果app要存储状态信息，要等到状态信息有变化时再写入。尽量分批修改，不要频繁地写入这些小变动。

3. 尽量顺序读写数据。在文件中跳转位置会消耗一些时间。

4. 尽量从文件读写大数据块，一次读取太多数据可能会引发一些问题。比如，读取一个32M文件的全部内容可能会在读取完成前触发内容分页。

5. 读写大量重要数据时，考虑用dispatch_io，其提供了基于GCD的异步操作文件I/O的API。用dispatch_io系统会优化磁盘访问。

6. 如果你的数据由随机访问的结构化内容组成，建议将其存储在数据库中，可以使用SQLite或Core Data访问。特别是需要操作的内容可能增长到超过几兆的时候。

7. 了解系统如何缓存文件、如何优化缓存的使用。如果你不打算多次引用某些数据，不要自己缓存数据。

4.GPU

1. 减少app使用的视图数量。

2. 少用运算获得圆角,不论view.maskToBounds还是layer.clipToBounds都会有很大的资源开销.

3. 尽量少用透明或半透明,会产生额外的运算.

4. 执行动画时不要修改帧率。比如，你的app帧率是60fps，整个动画就保持这个帧率不要变。

5. 视频播放时，app尽量不要在全屏视频上添加额外的图层（即使是隐藏的图层）

5.优化通知

1. 尽量用本地通知(local notification)，如果你的app不依赖外部数据，而是需要基于时间的通知，应该用本地通知，可以让设备的网络硬件休息一下。

2. 远程推送有两个级别，一个是立即推送，另一个是针对功耗优化过的延时推送。如果不是真的需要即时推送，尽量使用延时推送。

五、总结

耗电量分析是应用开发中很难的课题，也是衡量性能的重要指标，做好电量优化，可以大幅度提升用户体验，在实际开发过程中，电量消耗往往是一个综合的结果，小到日常的代码习惯，积少成多，大到网络的乱用、不合理的网络超时、不合理的定位使用、不合理的CPU使用，都会带来能耗的过多消耗，而这些问题仅仅会影响电量，还会影响用户体验，而对于这一个很多因素综合起来的结果，我们需要提高日常开发的代码质量，了解不同实现方式的差异点，优化页面卡顿，优化网络使用，优化GPS使用等等，只有综合这些因素，最终获得较好的用户体验。

在做耗电量分析的时候，首先要清楚耗电量较大的点，比如：网络、定位、CPU、GPU，从这些点来入手分析，再详细分析每个点，细分每个点中的一些细节的影响，比如：网络中可能会存在导致耗电量过高的因素，我们可以使用哪些优化方法，同时根据我们的需求特点，怎么来优化，最终找到可优化点的，找到解决方案，来优化耗电量。

在优化点寻找的过程中，我们首先可以使用Energy Impact来实时分析，各个维度指标是否有问题，占比是否合理，然后在通过Time Profiler、Network Profiler、Location Profiler等工具对各项指标进行详细分析，寻找优化点。
其次我们可以使用Energy Log来横向对比各个维度的数据，来分析各个维度对总功耗的影响，比如：wifi数据传输和4G数据传输时，耗电量的对比，打开蓝牙和未打开蓝牙，能耗数据的对比，查看各个维度对能耗消耗影响的权重。也可以进行各种能耗数据的对比分析，以及优化前后的能耗数据对比，获取最终的优化效果。