在 Android Studio 中使用 CPU 性能分析器锁定界面卡顿

Posted 2022-08-30 谷歌开发者

android 的用户界面渲染是从应用中 "生成" 一帧然后显示在屏幕上，为了确保用户能够获得顺畅的交互体验，您的应用需要根据设备的刷新率完成每一帧的 "生成"。例如，Pixel 6 设备支持每秒最多渲染 90 帧，这就意味着应用的每一帧任务都要在 1000/90 = 11ms 内完成，如果没有，Android 框架就会将这一帧的渲染跳过，用户就会从视觉上感受到界面运行缓慢，我们称这种情况为 "卡顿"。

出现卡顿的原因有很多种，例如，由应用导致的卡顿或由 SurfaceFlinger 导致的卡顿。本文重点关注由应用导致的卡顿，以及 Android Studio 提供的用于发现和消除这些卡顿的工具，方法是在应用交互的过程中检查记录的轨迹来解决应用的性能问题。

• SurfaceFlinger
  https://perfetto.dev/docs/data-sources/frametimeline#janks-explained

注意: 本文所展示的是 Android Studio Chipmunk 更新后的卡顿检测界面，使用 Android 12 (API 级别 31) 或更高版本的真机或模拟器。

从实时交互记录轨迹

以下示例使用 GitHub 性能示例仓库中的 JankStatsSample 应用来展示如何使用 CPU 性能分析器锁定卡顿的原因: 

https://github.com/android/performance-samples/tree/main/JankStatsSample

1. 打开 JankStatsSample 并运行应用。

2. 打开 Android Studio 底部的 Profiler 标签页。

3. 点击 Profiler 左侧窗格中的 + 图标启动新的性能分析会话，然后选择要运行性能分析器的设备名称和应用进程。

注意: 虽然可以分析 "可调试应用" (debuggable app)，但推荐做法是分析 "可分析应用" (profileable app)，因为分析 "可调试应用" 会导致性能开销显著增加。更多详细信息，请参阅关于可分析应用的文档: 

https://developer.android.google.cn/studio/profile#profileable-apps

4. 点击 CPU 行。

5. 选择 System Trace Recording，点击 Record。

6. 与应用互动以收集数据，然后点击 Stop 按钮。Android Studio 将显示 Display 窗格，其中可见卡顿帧，也可以选中 All Frames 复选框，让轨迹记录也显示非卡顿帧。

将鼠标指针悬停在帧上或点击帧，即可查看详细的帧信息。如果选中 All Frames 复选框，将有三种类型的帧。

• 绿色帧

  不卡顿的正常帧

• 红色帧

  由于应用进程运行时间超出预期并且错过了预期帧时长的截止时间，被视为卡顿的帧。从应用开发者的角度来看，可操作帧通常是红色帧。

• 黄色帧

  被视为缓冲区填充的帧，这表示应用会在呈现前一帧之前不断将帧发送到系统。这通常是前一帧卡顿所致，应用开发者面对黄帧无能为力。

选中 Lifecycle 复选框，可以切换显示/隐藏四个附加轨迹。

四个轨迹: 

• Application

• Wait for GPU

• Composition

• Frames on display

Android Studio Bumblebee (2021.1.1) 稳定版中已经加入了这些轨迹信息的显示。您可以在文档中查看每个轨迹的详细说明: 

https://developer.android.google.cn/studio/profile/jank-detection#jank-detection-android-11

检查卡顿帧

接下来，我们来找出卡顿帧出现的原因。

1. 在 Janky frames 轨迹中选择一个卡顿帧，Display 窗格将突出显示相应的生命周期数据，Threads 窗格将突出显示相应的线程数据。

虚线 Deadline 代表截止时间。当帧的时长超过该截止时间时，该帧即被视为卡顿。

您还可以在 Android Studio 的右侧窗格中查看详细分析。

2. 如果您看一下应用主线程相应的轨迹窗格，可以看到大量的时间花费在 "View#draw" 中。

此外，如详细分析窗格中的主线程状态所示，大量线程所处的状态是正在休眠。

3. 我们看一下调用 View#draw 的代码。View#onDraw 在 JankyView 类中被复写: 

https://github.com/android/performance-samples/blob/main/JankStatsSample/app/src/main/java/com/example/jankstats/JankyView.kt#L36

override fun onDraw(canvas: Canvas) 
  simulateJank()
  super.onDraw(canvas)

从 onDraw 调用的 simulateJank 方法定义如下: 

https://github.com/android/performance-samples/blob/main/JankStatsSample/app/src/main/java/com/example/jankstats/tools/simulateJank.kt#L29

fun simulateJank(
    jankProbability: Double = 0.3,
    extremeJankProbability: Double = 0.02
) 
    val probability = nextFloat()


    if (probability > 1 - jankProbability) 
        val delay = if (probability > 1 - extremeJankProbability) 
            nextLong(500, 700)
         else 
            nextLong(32, 82)
        


        try 
            // 在分析器中通过轨迹使卡顿更易被锁定
            trace("Jank Simulation") 
                Thread.sleep(delay)
            
         catch (e: Exception) 
        
    

然后，您可以发现在 simulateJank 方法中调用了 Thread.sleep。显然，这是因为 JankStatsSample 应用是为了模拟卡顿而特别创建的。但值得注意的是，从卡顿帧的概览再到更详细的分析，可以找出实际代码。

注意: 虽然在这个示例中调用 Thread.sleep 明显有问题，但实际上，在优化实际应用代码时，您将面临更困难的决定。Microbenchmark 开发库有助于衡量所做的更改能否达成预期效果: 

https://developer.android.google.cn/topic/performance/benchmarking/microbenchmark-overview

注意: 系统轨迹显示的是由平台代码和属于应用的库捕获的多个部分，通常没有足够的信息。添加自定义轨迹能够改善这样的情况，添加的方法之一是使用 AndroidX Tracing 库中的 trace(“MySection”) /* this will be in the trace */ 。

• AndroidX Tracing
  https://developer.android.google.cn/reference/androidx/tracing/Trace

例如，此示例中的 trace(“Jank Simulation”) … 显示在相应线程的轨迹部分中。

如需了解关于读取轨迹和添加自定义轨迹的更多信息，请参阅系统轨迹概述:

https://developer.android.google.cn/topic/performance/tracing 

4. 将代码更改为在 onDraw 中不去调用 simulateJank 方法，然后查看是否仍然存在卡顿帧。

override fun onDraw(canvas: Canvas) 
  // simulateJank() 
  super.onDraw(canvas)

这一次，重新运行系统轨迹录制时，您会发现与应用的交互不再有卡顿帧啦。

加载保存的轨迹

您也可以遵循以下步骤，保存轨迹并后续再加载。保存并加载轨迹后，您可以比较不同版本的跟踪记录或者与他人共享。

注意: 您还可以使用 Macrobenchmark 库获取系统轨迹:

https://developer.android.google.cn/topic/performance/benchmarking/macrobenchmark-overview

1. 按照从第 1 步至第 6 步的相同步骤，通过实时交互操作录制轨迹。

2. 点击保存图标导出记录。

3. 然后，导航到 + -> Load from file… 加载已保存的系统轨迹录制，选择上一步中导出的已保存文件。

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4. 选择要分析的进程。显示进程列表下拉菜单后，输入进程名称的一部分即可快速查找。

然后，您可以加载保存的轨迹，像从实时互动录制一样查看卡顿帧。

总结

本期内容就到这里了，从 Android Studio Chipmunk 开始，您能够看到更精准的性能分析数据，更快锁定应用卡顿。

请查看文档进一步了解 CPU 性能分析器的用法，也欢迎您前往 Android Studio 中的 "Help -> Submit Feedback" 帮助我们改进工具。

• 文档
  https://developer.android.google.cn/studio/profile/jank-detection#jank-detection-android-11

您还可以在下方查看 Google I/O 大会上的视频演讲 —— Android 应用性能近期更新，其中涵盖了非常丰富的关于性能方面的主题，包括如何避免卡顿帧。

△ Android 应用性能近期更新

我们新发布了一个库，可用于检测和报告在用户设备上运行的应用卡顿，如果您希望了解更加详细的内容，欢迎查看 JankStats 文档:

https://developer.android.google.cn/studio/profile/jankstats 

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