Android APP 性能优化的一些思考(一)

说到 Android 系统手机,大部分人的印象是用了一段时间就变得有点卡顿,有些程序在运行期间莫名其妙的出现崩溃,打开系统文件夹一看,发现多了很多文件,然后用手机管家 APP 不断地进行清理优化 ,才感觉运行速度稍微提高了点,就算手机在各种性能跑分软件面前分数遥遥领先,还是感觉无论有多大的内存空间都远远不够用。相信每个使用 Android 系统的用户都有过以上类似经历,确实,Android 系统在流畅性方面不如 IOS 系统,为何呢,明明在看手机硬件配置上时,Android 设备都不会输于 IOS 设备,甚至都强于它,关键是在于软件上。

造成这种现象的原因是多方面的,简单罗列几点如下:

  •   其实近年来,随着 Android 版本不断迭代,Google 提供的Android 系统已经越来越流畅,目前最新发布的版本是 Android 8.0 Oreo 。但是在国内大部分用户用的 Android 手机系是各大厂商定制过的版本,往往不是最新的原生系统内核,可能绝大多数还停留在 Android 5.0 系统上,甚至 Android 6.0 以上所占比例还偏小,更新存在延迟性。

  •   由于 Android 系统源码是开放的,每个人只要遵从相应的协议,就可以对源码进行修改,那么国内各个厂商就把基于 Android 源码改造成自己对外发布的系统,比如我们熟悉的小米手机 Miui 系统、华为手机 EMUI 系统、Oppo 手机 ColorOS 系统等。由于每个厂商都修改过 Android 原生系统源码,这里面就会引发一个问题,那就是著名的Android 碎片化问题,本质就是不同 Android 系统的应用兼容性不同,达不到一致性。

  •   由于存在着各种 Android 碎片化和兼容性问题,导致 Android 开发者在开发应用时需要对不同系统进行适配,同时每个 Android 开发者的开发水平参差不齐,写出来的应用性能也都存在不同类型的问题,导致用户在使用过程中用户体验感受不同,那么有些问题用户就会转化为 Android 系统问题,进而影响对Android 手机的评价。

性能优化

今天想说的重点是Android APP 性能优化,也就是在开发应用程序时应该注意的点有哪些,如何更好地提高用户体验。一个好的应用,除了要有吸引人的功能和交互之外,在性能上也应该有高的要求,即时应用非常具有特色,在产品前期可能吸引了部分用户,但是用户体验不好的话,也会给产品带来不好的口碑。

那么一个好的应用应该如何定义呢?主要有以下三方面:
  •   业务/功能
  •   符合逻辑的交互
  •   优秀的性能

众所周知,Android 系统作为以移动设备为主的操作系统,硬件配置是有一定的限制的,虽然配置现在越来越高级,但仍然无法与 PC 相比,在 CPU 和内存上使用不合理或者耗费资源多时,就会碰到内存不足导致的稳定性问题、CPU 消耗太多导致的卡顿问题等。

面对问题时,大家想到的都是联系用户,然后查看日志,但殊不知有关性能类问题的反馈,原因也非常难找,日志大多用处不大,为何呢?因为性能问题大部分是非必现的问题,问题定位很难复现,而又没有关键的日志,当然就无法找到原因了。这些问题非常影响用户体验和功能使用,所以了解一些性能优化的一些解决方案就显得很重要了,并在实际的项目中优化我们的应用,进而提高用户体验。

四个方面

可以把用户体验的性能问题主要总结为4个类别:
  •   流畅
  •   稳定
  •   省电、省流量
  •   安装包小

性能问题的主要原因是什么,原因有相同的,也有不同的,但归根到底,不外乎内存使用、代码效率、合适的策略逻辑、代码质量、安装包体积这一类问题,整理归类如下:

Android APP 性能优化的一些思考

从图中可以看到,打造一个高质量的应用应该以4个方向为目标:快、稳、省、小。

快:使用时避免出现卡顿,响应速度快,减少用户等待的时间,满足用户期望。

稳:减低 crash 率和 ANR 率,不要在用户使用过程中崩溃和无响应。

省:节省流量和耗电,减少用户使用成本,避免使用时导致手机发烫。

小:安装包小可以降低用户的安装成本。

要想达到这4个目标,具体实现是在右边框里的问题:卡顿、内存使用不合理、代码质量差、代码逻辑乱、安装包过大,这些问题也是在开发过程中碰到最多的问题,在实现业务需求同时,也需要考虑到这点,多花时间去思考,如何避免功能完成后再来做优化,不然的话等功能实现后带来的维护成本会增加。

卡顿优化

Android 应用启动慢,使用时经常卡顿,是非常影响用户体验的,应该尽量避免出现。卡顿的场景有很多,按场景可以分为4类:UI 绘制、应用启动、页面跳转、事件响应,如图:

Android APP 性能优化的一些思考

这4种卡顿场景的根本原因可以分为两大类:

  •   界面绘制。
主要原因是绘制的层级深、页面复杂、刷新不合理,由于这些原因导致卡顿的场景更多出现在 UI 和启动后的初始界面以及跳转到页面的绘制上。

  •   数据处理。
导致这种卡顿场景的原因是数据处理量太大,一般分为三种情况:
一是数据在处理 UI 线程,
二是数据处理占用 CPU 高,导致主线程拿不到时间片,
三是内存增加导致 GC 频繁,从而引起卡顿。
引起卡顿的原因很多,但不管怎么样的原因和场景,最终都是通过设备屏幕上显示来达到用户,归根到底就是显示有问题,所以,要解决卡顿,就要先了解 Android 系统的显示原理。

Android系统显示原理

Android 显示过程可以简单概括为:Android 应用程序把经过测量、布局、绘制后的 surface 缓存数据,通过 SurfaceFlinger 把数据渲染到显示屏幕上, 通过 Android 的刷新机制来刷新数据。也就是说应用层负责绘制,系统层负责渲染,通过进程间通信把应用层需要绘制的数据传递到系统层服务,系统层服务通过刷新机制把数据更新到屏幕上。

我们都知道在 Android 的每个 View 绘制中有三个核心步骤:Measure、Layout、Draw。具体实现是从 ViewRootImp 类的performTraversals() 方法开始执行,Measure 和 Layout都是通过递归来获取 View 的大小和位置,并且以深度作为优先级,可以看出层级越深、元素越多、耗时也就越长。

真正把需要显示的数据渲染到屏幕上,是通过系统级进程中的 SurfaceFlinger 服务来实现的,那么这个SurfaceFlinger 服务主要做了哪些工作呢?如下:
  •  响应客户端事件,创建 Layer 与客户端的 Surface 建立连接。
  •  接收客户端数据及属性,修改 Layer 属性,如尺寸、颜色、透明度等。
  •  将创建的 Layer 内容刷新到屏幕上。
  •  维持 Layer 的序列,并对 Layer 最终输出做出裁剪计算。

既然是两个不同的进程,那么肯定是需要一个跨进程的通信机制来实现数据传递,在 Android 显示系统中,使用了 Android 的匿名共享内存:SharedClient,每一个应用和 SurfaceFlinger 之间都会创建一个SharedClient ,然后在每个 SharedClient 中,最多可以创建 31 个 SharedBufferStack,每个 Surface 都对应一个 SharedBufferStack,也就是一个 Window。

一个 SharedClient 对应一个Android 应用程序,而一个 Android 应用程序可能包含多个窗口,即 Surface 。也就是说 SharedClient 包含的是 SharedBufferStack的集合,其中在显示刷新机制中用到了双缓冲和三重缓冲技术。最后总结起来显示整体流程分为三个模块:应用层绘制到缓存区,SurfaceFlinger 把缓存区数据渲染到屏幕,由于是不同的进程,所以使用 Android 的匿名共享内存 SharedClient 缓存需要显示的数据来达到目的。

除此之外,我们还需要一个名词:FPS。FPS 表示每秒传递的帧数。在理想情况下,60 FPS 就感觉不到卡,这意味着每个绘制时长应该在16 ms 以内。但是 Android 系统很有可能无法及时完成那些复杂的页面渲染操作。Android 系统每隔 16ms 发出 VSYNC 信号,触发对 UI 进行渲染,如果每次渲染都成功,这样就能够达到流畅的画面所需的 60FPS。如果某个操作花费的时间是 24ms ,系统在得到 VSYNC 信号时就无法正常进行正常渲染,这样就发生了丢帧现象。那么用户在 32ms 内看到的会是同一帧画面,这种现象在执行动画或滑动列表比较常见,还有可能是你的 Layout 太过复杂,层叠太多的绘制单元,无法在 16ms 完成渲染,最终引起刷新不及时。

卡顿根本原因

根据Android 系统显示原理可以看到,影响绘制的根本原因有以下两个方面:

  •  绘制任务太重,绘制一帧内容耗时太长。
  •  主线程太忙,根据系统传递过来的 VSYNC 信号来时还没准备好数据导致丢帧。

绘制耗时太长,有一些工具可以帮助我们定位问题。主线程太忙则需要注意了,主线程关键职责是处理用户交互,在屏幕上绘制像素,并进行加载显示相关的数据,所以特别需要避免任何主线程的事情,这样应用程序才能保持对用户操作的即时响应。

总结起来,主线程主要做以下几个方面工作:
  •  UI 生命周期控制
  •  系统事件处理
  •  消息处理
  •  界面布局
  •  界面绘制
  •  界面刷新

除此之外,应该尽量避免将其他处理放在主线程中,特别复杂的数据计算和网络请求等。

性能分析工具

性能问题并不容易复现,也不好定位,但是真的碰到问题还是需要去解决的,那么分析问题和确认问题是否解决,就需要借助相应的的调试工具,比如查看 Layout 层次的 Hierarchy View、Android 系统上带的 GPU Profile 工具和静态代码检查工具 Lint 等,这些工具对性能优化起到非常重要的作用,所以要熟悉,知道在什么场景用什么工具来分析。

1,Profile GPU Rendering

在手机开发者模式下,有一个卡顿检测工具叫做:Profile GPU Rendering,如图:

Android APP 性能优化的一些思考

它的功能特点如下:
  •  一个图形监测工具,能实时反应当前绘制的耗时
  •  横轴表示时间,纵轴表示每一帧的耗时
  •  随着时间推移,从左到右的刷新呈现
  •  提供一个标准的耗时,如果高于标准耗时,就表示当前这一帧丢失

2,TraceView

TraceView 是 Android SDK 自带的工具,用来分析函数调用过程,可以对 Android 的应用程序以及 Framework 层的代码进行性能分析。它是一个图形化的工具,最终会产生一个图表,用于对性能分析进行说明,可以分析到每一个方法的执行时间,其中可以统计出该方法调用次数和递归次数,实际时长等参数维度,使用非常直观,分析性能非常方便。

3,Systrace UI 性能分析

Systrace 是 Android 4.1及以上版本提供的性能数据采样和分析工具,它是通过系统的角度来返回一些信息。它可以帮助开发者收集 Android 关键子系统,如 surfaceflinger、WindowManagerService 等 Framework 部分关键模块、服务、View系统等运行信息,从而帮助开发者更直观地分析系统瓶颈,改进性能。Systrace 的功能包括跟踪系统的 I/O 操作、内核工作队列、CPU 负载等,在 UI 显示性能分析上提供很好的数据,特别是在动画播放不流畅、渲染卡等问题上。

优化建议

1,布局优化

布局是否合理主要影响的是页面测量时间的多少,我们知道一个页面的显示测量和绘制过程都是通过递归来完成的,多叉树遍历的时间与树的高度h有关,其时间复杂度 O(h),如果层级太深,每增加一层则会增加更多的页面显示时间,所以布局的合理性就显得很重要。

那布局优化有哪些方法呢,主要通过减少层级、减少测量和绘制时间、提高复用性三个方面入手。总结如下:
  •  减少层级。合理使用 RelativeLayout 和 LinerLayout,合理使用Merge。
  •  提高显示速度。使用 ViewStub,它是一个看不见的、不占布局位置、占用资源非常小的视图对象。
  •  布局复用。可以通过 标签来提高复用。
  •  尽可能少用wrap_content。wrap_content 会增加布局 measure 时计算成本,在已知宽高为固定值时,不用wrap_content 。
  •  删除控件中无用的属性。

2,避免过度绘制

过度绘制是指在屏幕上的某个像素在同一帧的时间内被绘制了多次。在多层次重叠的 UI 结构中,如果不可见的 UI 也在做绘制的操作,就会导致某些像素区域被绘制了多次,从而浪费了多余的 CPU 以及 GPU 资源。

如何避免过度绘制呢,如下:
  •  布局上的优化。移除 XML 中非必须的背景,移除 Window 默认的背景、按需显示占位背景图片
  •  自定义View优化。使用 canvas.clipRect()来帮助系统识别那些可见的区域,只有在这个区域内才会被绘制。

3,启动优化

通过对启动速度的监控,发现影响启动速度的问题所在,优化启动逻辑,提高应用的启动速度。启动主要完成三件事:UI 布局、绘制和数据准备。因此启动速度优化就是需要优化这三个过程:
  •  UI 布局。应用一般都有闪屏页,优化闪屏页的 UI 布局,可以通过 Profile GPU Rendering 检测丢帧情况。
  •  启动加载逻辑优化。可以采用分布加载、异步加载、延期加载策略来提高应用启动速度。
  •  数据准备。数据初始化分析,加载数据可以考虑用线程初始化等策略。

4,合理的刷新机制

在应用开发过程中,因为数据的变化,需要刷新页面来展示新的数据,但频繁刷新会增加资源开销,并且可能导致卡顿发生,因此,需要一个合理的刷新机制来提高整体的 UI 流畅度。合理的刷新需要注意以下几点:
  •  尽量减少刷新次数。
  •  尽量避免后台有高的 CPU 线程运行。
  •  缩小刷新区域。

5,其他

在实现动画效果时,需要根据不同场景选择合适的动画框架来实现。有些情况下,可以用硬件加速方式来提供流畅度。

未完待续...

转自:特立独行Allen

--电子创新网--
粤ICP备12070055号