Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 系统篇
在Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 应用篇[1]这篇文章中我们列举了应用自身原因导致的手机卡顿问题 , 这一篇文章我们主要列举一些由 Android 平台自身原因导致的卡顿问题. 各大国内 Android 厂商的产品由于硬件性能有高有低 , 功能实现各有差异 , 团队技术能力各有千秋 , 所以其系统的质量也有高有低 , 这里我们就来列举一下 , 由于系统的硬件和软件原因导致的性能问题.
Android 手机使用中的卡顿问题 , 一般来说手机厂商和 App 开发商都会非常重视 , 所以不管是手机厂商还是 App 开发者 , 都会对卡顿问题非常重视 , 内部一般也会有专门的基础组或者优化组来进行优化 . 目前市面上有一些非常棒的第三方性能监控工具 , 比如腾讯的 Matrix ; 手机厂商一般也会有自己的性能监控方案 , 由于可以修改源码和避免权限问题 , 所以手机厂商可以拿到更多的数据 , 分析起来也会更方便一些.
说回流畅度 , 其实就是操作过程中的丢帧 , 本来一秒中画面需要更新 60 帧,但是如果这期间只更新了 55 帧 , 那么在用户看来就是丢帧了 , 主观感觉就是卡了 , 尤其是帧率波动 , 用户的感知会更明显. 引起丢帧的原因非常多, 有硬件层面的 , 有软件层面的 , 也有 App 自身的问题. 所以这一部分我分为四篇文章去讲 , 会简单讲一下哪些原因会用户觉得卡顿丢帧 :
Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 方法论[2] Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 系统篇[3] Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 应用篇[4] Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 低内存篇[5]
Android 平台性能导致的性能案例
下面我会列出来一些实际的卡顿案例 , 这些导致卡顿的原因都是由于 Android 系统平台的一些问题导致的 , 有些问题在开发阶段就会暴露出来 , 这一类通常会在发给用户之前就解决掉 ; 有些问题是用户在长时间使用之后才会暴露出来 , 这一类问题最多 , 但是也比较难以解决 ; 还有一些问题 , 只有非常特殊的场景或者特殊的硬件才会暴露出来 .
这些实际的案例 , 很多都可以在 Systrace 上看出来 , 所以我的很多贴图都是 Systrace 上实际被发现的问题 , 如果你对 Systrace 不了解 , 可以查看这个 Systrace 系列[6] , 这里你只需要知道 , Systrace 从系统全局的角度 , 来展示当前系统的运行状况 , 通常被用来 Debug Android 性能问题 .
1.SurfaceFlinger 主线程耗时
SurfaceFlinger 负责 Surface 的合成 , 一旦 SurfaceFlinger 主线程调用超时 , 就会产生掉帧 .
SurfaceFlinger 主线程耗时会也会导致 hwc service 和 crtc 不能及时完成, 也会阻塞应用的 binder 调用, 如 dequeueBuffer \ queueBuffer 等.
下图中的 SurfaceFlinger 主线程在后半部分明显超时:
SurfaceFlinger 主线程处理不及时导致应用卡顿(第一帧卡顿,后续都为黄帧)
2.屏下光感截图导致 SurfaceFlinger 渲染不及时
有的 Android 机型使用了屏下光感 , 屏下光感的实现方法也会影响 SurfaceFlinger 主线程的运行 . 屏下指纹需要频繁截图 , 来区分光线和屏幕的变化 , 进行对应的亮度变化, 但是其主线程截图的方法会导致 SurfaceFlinger 主线程被截图操作所耽误, 从而导致卡顿
3.WHC Service 执行耗时
hwc Service 耗时也会导致 SurfaceFlinger 下一帧不会做合成操作, 导致应用的 dequeueBuffer 和 setTransationState 方法被阻塞, 导致卡顿. 如下图, 可以看到 SurfaceFlinger 的掉帧情况, Binder 的阻塞情况 和 CRTC 的耗时情况
hwc 耗时
crtc 等待 hwc
4.CRTC 执行耗时
crtc 执行耗时的结果就是 SurfaceFlinger 下一帧不会做合成操作, 导致应用的 dequeueBuffer 和 setTransationState 方法被阻塞, 导致卡顿. 如下图, 可以看到 SurfaceFlinger 的掉帧情况, Binder 的阻塞情况 和 CRTC 的耗时情况
5.CPU 调度问题
重要任务跑小核性能不足导致卡顿
如下图 , RenderThread 跑到了小核, 导致这一帧执行时间过长,造成卡顿图片:
如下图 , cpu 频率对性能的影响
优先级低未能及时获取 cpu 时间片导致卡顿
在调度器看来的低优先级任务 , 在用户这里未必是低优先级任务 , 他可能正在和 App 的主线程交互 , 或者正在和 system_server 进行交互
被 RT 进程抢占
App 主线程或者渲染线程被 RT 进程抢占也会导致系统卡顿或者响应慢 , Google 也意识到了这个问题 , 也在尝试在应用启动的时候 , 把 App 主线程和渲染线程的优先级也设置为 RT , 不过这个属性一直没开 , 因为会导致应用启动速度变慢.
大小核调度导致
大小核调度的问题通常表现在该跑在大核的任务跑到了小核 , 或者该在小核运行的任务却持续跑到大核 ,或者错误的被绑定在了某一个核心上 .
如下图, 这是一个 CTS 问题, CTS 主线程由于被绑定到了 cpu7 , 由于 cpu7 在执行 RenderThread , 所以主线程没有调度到, 导致 CTS 失败
6.触发 Thermal 导致限频
触发 Thermal 发热限频也有可能导致卡顿 , 这算是一种硬件级别的保护 , 如果手机已经过热 , 此时如果不进行干涉 , 那么可能会导致用户手机太烫而无法持续使用手机. 一般这个时候都会对系统的资源进行一些限制 , 比如降低 cpu\gpu 的最高频率之类的 , 这么做的话 , 势必也会对流畅性造成影响.
如果你手机非常热 , 而且变卡了 , 那么放下手机休息一会 , 查杀一下后台 , 或者重启一下手机 .
7.后台活动进程太多导致系统繁忙
后台进程活动太多,会导致系统非常繁忙, cpu \ io \ memory 等资源都会被占用, 这时候很容易出现卡顿问题 , 这也是系统这边经常会碰到的问题
CPU 繁忙
dumpsys cpuinfo 可以查看一段时间内 cpu 的使用情况
主线程调度不到 , 处于 Runnable 状态
当线程为 Runnable 状态的时候 , 调度器如果迟迟不能对齐进行调度 , 那么就会产生长时间的 Runnable 线程状态 , 导致错过 Vsync 而产生流畅性问题.
无关进程活跃耗时
无关进程通常是人为定义的 , 指的是与当前前台 App 运行无关的进程 , 这些活跃进程势必会对 App 主线程的调度产生影响 , 不管这些无关进程是系统的还是 App 自身的 , 或者是其他三方 App 的.
cpu 被占用
原因同上 , 当后台任务过多的时候 , cpu 资源就会异常紧缺 , 如下图就是在系统低内存的时候 , HeapTask 和 kswapD 几乎占满了整个 cpu , 在疯狂地向系统申请内存 .
SystemServer 锁
system_server 的 AMS 锁和 WMS 锁 , 在系统异常的情况下 , 会变得非常严重 , 如下图所示 , 许多系统的关键任务都被阻塞 , 等待锁的释放 , 这时候如果有 App 发来的 Binder 请求带锁 , 那么也会进入等待状态 , 这时候 App 就会产生性能问题 ; 如果此时做 Window 动画 , 那么 system_server 的这些锁也会导致窗口动画卡顿
8.Layer 过多导致 SurfaceFlinger Layer Compute 耗时
Android P 修改了 Layer 的计算方法 , 把这部分放到了 SurfaceFlinger 主线程去执行, 如果后台 Layer 过多, 就会导致 SurfaceFlinger 在执行 rebuildLayerStacks 的时候耗时 , 导致 SurfaceFlinger 主线程执行时间过长.
所以在使用 Android 系统的时候 , 记得多用多任务清理后台任务.
9.Input 报点不均匀
如果出现 Input 报点不均匀或者没有报点的情况, 那么主线程由于没有收到 Input 事件, 所以不去做绘制, 也会导致卡顿 如下图 , 这是一个连续滑动的 Systrace 图 , 最下面两行是 InputReader 和 InputDispatcher , 可以看到在滑动的过程中, InputReader 和 InputDispatcher 没有读出来 Input 事件, 导致卡顿
10.LMK 频繁工作抢占 cpu
LMK 工作时, 会占用 cpu 资源 , 其表现主要有下面几点
CPU 资源 : 由于 LMK 杀掉的进程通常都是一些 Cache 或者 Service , 这些进程由于低内存被杀之后 , 通常会很快就被其主进程拉起来, 然后又被 LMK 杀掉, 从而进入了一种循环. 由于起进程是一件很消耗 cpu 的操作, 所以如果后台一直有进程被杀和重启, 那么前台的进程很容易出现卡顿 Memory : 由于低内存的原因, 很容易触发各个进程的 GC , 如下图的 CPU 状态可以看到, 用于内存回收的 HeapTaskDeamon 出现非常频繁 IO : 低内存会导致磁盘 IO 变多, 如果频繁进行磁盘 IO , 由于磁盘 IO 很慢, 那么主线程会有很多进程处于等 IO 的状态, 也就是我们经常看到的 Uninterruptible Sleep
11.低内存导致 IO 耗时
低内存情况下, 很容易出现主线程 IO 从而导致应用卡顿
主线程 IO 导致卡顿
主线程 IO 导致应用启动速度慢
滑动列表时候 IO 导致卡顿
12.GPU 渲染导致 SurfaceFlinger 耗时
当 SurfaceFlinger 有 GPU 渲染时, 其主线程的执行时间就会变长, 也会导致合成不及时而卡顿
13.KSWAPD 跑大核
低内存时, kswapd 由于负载比较高 , 其 cpu 占用比较高, 且经常会跑到大核上 , 导致机器发热限频, 或者抢占主线程的 cpu 时间片
14.SurfaceFlinger Vsync 不均匀
SurfaceFlinger 有时候会出现 Vsync 不均匀的情况, 不均匀指的是 Vsync 间隔会持续地变化, 一会大一会小, 就会导致用户看到的画面不均匀, 有卡顿感 如下图 , 可以明显看到 SurfaceFlinger 的 VSYNC-sf 这一行间隔是不一样的. 这种问题一般是由于 SurfaceFlinger 这边的修改或者 HWC 的修改导致的 .
15.三方应用使用 Accessibility 服务导致系统卡顿
三方应用如果使用 Accessibility 服务监听了 Input 事件的话, InputDispatcher 的行为就会与预期的出现偏差, 导致 InputDispatcher 没有及时把事件传给主线程导致卡顿
总结
Android 原生系统是一个不断进化的过程 , 目前已经进化到了 Android R , 每个版本都会解决非常多的性能问题 , 同时也会引进一些问题 ; 到了手机厂商这里 , 由于硬件差异和软件定制 , 会在系统中加入大量的自己的代码 , 这无疑也会影响系统的性能 .
上面列出的这些影响流畅性的案例 , 只是 Android 系统开发中遇到的性能问题的冰山一角 , 任何一个问题都会对用户的使用产生影响 , 这也是为什么手机厂商越来越重视系统优化 . 手机厂商非常重视开发过程中和用户使用过程中遇到的性能问题 , 并开发和提出各项优化措施 , 从硬件到软件 , 从用户行为优化到系统策略动态学习 . 这也是为什么现在的手机厂商的系统越做越好 , 质量越来越高的一个原因 , 那些不重视质量只重视设计和产品的手机厂商 , 都渐渐地被消费者淘汰了.
大家可以看看这个问题 : 当手机厂商说安卓手机性能优化的时候，他们到底在做什么[7]
参考资料
Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 应用篇: https://www.androidperformance.com/2019/09/05/Android-Jank-Due-To-App/
[2]Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 方法论: https://www.androidperformance.com/2019/09/05/Android-Jank-Debug/
[3]Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 系统篇: https://www.androidperformance.com/2019/09/05/Android-Jank-Due-To-System/
[4]Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 应用篇: https://www.androidperformance.com/2019/09/05/Android-Jank-Due-To-App/
[5]Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 低内存篇: https://www.androidperformance.com/2019/09/18/Android-Jank-Due-To-Low-Memory/
[6]Systrace 系列: https://www.androidperformance.com/2019/05/26/Android_Systrace_0/
[7]当手机厂商说安卓手机性能优化的时候，他们到底在做什么: https://www.zhihu.com/question/335226118/answer/751587534