一、前言
iOS研发助手DoraemonKit技术实现（一）中介绍了几个常用工具集的技术实现，大家如果有疑问的话，可以在文章中进行留言，也希望大家接入试用，或者加入到DoraemonKit交流群一起交流。
性能问题极大程度的会影响到用户的体验，对于我们开发者和测试同学要随时随地保证我们app的质量，避免不好的体验带来用户的流失。本篇文章我们来讲一下，性能监控的几款工具的技术实现。主要包括，帧率监控、CPU监控、内存监控、流量监控、卡顿监控和自定义监控这几个功能。
有人说帧率、CPU和内存这些信息我们都可以在Xcode中的Instruments工具进行联调的时候可以查看，为什么还要在客户端中打印出来呢？
- 第一、很多测试同学比较关注App质量，但是他们却没有Xcode运行环境，他们对于质量数据无法很有效的查看。
- 第二、App端实时的查看App的质量数据，不依赖IDE，方便快捷直观。
- 第三、实时采集性能数据，为后期结合测试平台产生性能数据报表提供数据来源。
二、技术实现
3.1：帧率展示
app的流畅度是最直接影响用户体验的，如果我们app持续卡顿，会严重影响我们app的用户留存度。所以对于用户App是否流畅进行监控，能够让我们今早的发现我们app的性能问题。对于App流畅度最直观最简单的监控手段就是对我们App的帧率进行监控。
帧率（FPS）是指画面每秒传输帧数，通俗来讲就是指动画或视频的画面数。FPS是测量用于保存、显示动态视频的信息数量。每秒钟帧数愈多，所显示的动作就会越流畅。对于我们App开发来说，我们要保持FPS高于50以上，用户体验才会流畅。
在YYKit Demo工程中有一个工具类叫YYFPSLabel，它是基于CADisplayLink这个类做FPS计算的，CADisplayLink是CoreAnimation提供的另一个类似于NSTimer的类，它会在屏幕每次刷新回调一次。既然CADisplayLink可以以屏幕刷新的频率调用指定selector，而且iOS系统中正常的屏幕刷新率为60Hz（60次每秒），那只要在这个方法里面统计每秒这个方法执行的次数，通过次数/时间就可以得出当前屏幕的刷新率了。
大致实现思路如下：
- (void)startRecord{
if (_link) {
_link.paused = NO;
}else{
_link = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(trigger:)];
[_link addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
_record = [DoraemonRecordModel instanceWithType:DoraemonRecordTypeFPS];
_record.startTime = [[NSDate date] timeIntervalSince1970];
}
}
- (void)trigger:(CADisplayLink *)link{
if (_lastTime == 0) {
_lastTime = link.timestamp;
return;
}
_count++;
NSTimeInterval delta = link.timestamp - _lastTime;
if (delta < 1) return;
_lastTime = link.timestamp;
CGFloat fps = _count / delta;
_count = 0;
NSInteger intFps = (NSInteger)(fps+0.5);
// 0~60 对应 高度0~200
[self.record addRecordValue:fps time:[[NSDate date] timeIntervalSince1970]];
[_oscillogramView addHeightValue:fps*200./60. andTipValue:[NSString stringWithFormat:@"%zi",intFps]];
}
复制代码值得注意的是基于CADisplayLink实现的 FPS 在生产场景中只有指导意义，不能代表真实的 FPS，因为基于CADisplayLink实现的 FPS 无法完全检测出当前 Core Animation 的性能情况，它只能检测出当前 RunLoop 的帧率。但要真正定位到准确的性能问题所在，最好还是通过Instrument来确认。具体原因可以参考iOS中基于CADisplayLink的FPS指示器详解。
所有代码请参考：DorameonKit/Core/Plugin/FPS
3.2：CPU展示
CPU是移动设备的运算核心和控制核心，如果我们的App的使用率长时间处于高消耗的话，我们的手机会发热，电量使用加剧，导致App产生卡顿，严重影响用户体验。所以对于CPU使用率进行实时的监控，也有利于及时的把控我们App的整体质量，阻止不合格的功能上线。
对于app使用率的获取，网上的方案还是比较统一的。
- 使用task_threads函数，获取当前App行程中所有的线程列表。
- 对于第一步中获取的线程列表进行遍历，通过thread_info函数获取每一个非闲置线程的cpu使用率，进行相加。
- 使用vm_deallocate函数释放资源。
代码实现如下：
+ (CGFloat)cpuUsageForApp {
kern_return_t kr;
thread_array_t thread_list;
mach_msg_type_number_t thread_count;
thread_info_data_t thinfo;
mach_msg_type_number_t thread_info_count;
thread_basic_info_t basic_info_th;
// get threads in the task
// 获取当前进程中 线程列表
kr = task_threads(mach_task_self(), &thread_list, &thread_count);
if (kr != KERN_SUCCESS)
return -1;
float tot_cpu = 0;
for (int j = 0; j < thread_count; j++) {
thread_info_count = THREAD_INFO_MAX;
//获取每一个线程信息
kr = thread_info(thread_list[j], THREAD_BASIC_INFO,
(thread_info_t)thinfo, &thread_info_count);
if (kr != KERN_SUCCESS)
return -1;
basic_info_th = (thread_basic_info_t)thinfo;
if (!(basic_info_th->flags & TH_FLAGS_IDLE)) {
// cpu_usage : Scaled cpu usage percentage. The scale factor is TH_USAGE_SCALE.
//宏定义TH_USAGE_SCALE返回CPU处理总频率：
tot_cpu += basic_info_th->cpu_usage / (float)TH_USAGE_SCALE;
}
} // for each thread
// 注意方法最后要调用 vm_deallocate，防止出现内存泄漏
kr = vm_deallocate(mach_task_self(), (vm_offset_t)thread_list, thread_count * sizeof(thread_t));
assert(kr == KERN_SUCCESS);
return tot_cpu;
}
复制代码测试结果基本和Xcode测量出来的cpu使用率是一样的，还是比较准确的。
所有代码请参考：DorameonKit/Core/Plugin/CPU
3.3：内存展示
设备内存和CPU一样都是系统中最稀少的资源，也是最有可能产生竞争的资源，应用内存跟app的性能直接相关。如果一个app在前台消耗内存过多，会引起系统强杀，这种现象叫做OOM。表现跟crash一样，而且这种crash事件无法被捕获到的。
获取app消耗的内存，刚开始使用的是获取使用的物理内存大小resident_size,网上大部分也是这种方案。
- (NSUInteger)getResidentMemory{
struct mach_task_basic_info info;
mach_msg_type_number_t count = MACH_TASK_BASIC_INFO_COUNT;
int r = task_info(mach_task_self(), MACH_TASK_BASIC_INFO, (task_info_t)& info, & count);
if (r == KERN_SUCCESS)
{
return info.resident_size;
}
else
{
return -1;
}
}
复制代码使用这种方式之后方向，会与Xcode自带统计内存消耗的工具有一些偏差。这个时候，多谢yxjxx同学提交的PRuse phys_footprint to get instruments memory usage。使用phys_footprint代替resident_size获取的内存消耗基本与Xcode自带的统计工具相同。具体原因可以参考正确地获取 iOS 应用占用的内存。
修改之后，具体实现的主要代码如下：
//当前app消耗的内存
+ (NSUInteger)useMemoryForApp{
task_vm_info_data_t vmInfo;
mach_msg_type_number_t count = TASK_VM_INFO_COUNT;
kern_return_t kernelReturn = task_info(mach_task_self(), TASK_VM_INFO, (task_info_t) &vmInfo, &count);
if(kernelReturn == KERN_SUCCESS)
{
int64_t memoryUsageInByte = (int64_t) vmInfo.phys_footprint;
return memoryUsageInByte/1024/1024;
}
else
{
return -1;
}
}
//设备总的内存
+ (NSUInteger)totalMemoryForDevice{
return [NSProcessInfo processInfo].physicalMemory/1024/1024;
}
复制代码所有代码请参考：DorameonKit/Core/Plugin/Memory
3.4：流量监控
在线下开发阶段，我们开发要和服务端联调结果，我们需要Xcode断点调试服务器返回的结果是否正确。测试阶段，测试同学会通过Charles设置代理查看结果，这些操作都需要依赖第三方工具才能实现流量监控。能不能有一个工具，能够随身携带，对流量进行监控拦截，能够方便我们很多。我们DoraemonKit就做了这件事。
对于流量监控，业界基本有以上几个方案:
方案1 : 腾讯GT的方案，监控系统的上行流量和下行流量。这样监控的话，力度太粗了，不能得到每一个app的流量统计，更不能的得到每一个接口的流量和统计，不符合我们的需求。
方案2 : 浸入业务方自己的网路库，做流量统计，这种方案可以做的非常细节，但是不是特别通用。我们公司内部omega监控平台就是这么做的，omega的流量监控代码是写在OneNetworking中的。不是特别通用。比如我们杭州团队的网路库是自研的，如果要接入omega的网络监控功能，就需要在自己的网络库中，写流量统计代码。
方案3 : hook系统底层网络库，这种方式比较通用，但是非常繁琐，需要hook很多个类和方法。阿里有篇文档化介绍了他们流量监控的方案，就是采用这种，下面这张图我截取过来的，看一下，还是比较复杂的。
方案4 : 也是DoraemonKit采用的方案，使用iOS中一个非常强大的类，叫NSURLProtocol，这个类可以拦截NSURLConnection、NSUrlSession、UIWebView中所有的网络请求，获取每一个网络请求的request和response对象。但是这个类无法拦截tcp的请求，这个是他的缺点。美团的内部监控工具赫兹就是基于该类进行处理的。之余这个类具体怎么使用，由于时间原因，我在这里就不说，我想大家推荐一下我的博客，我有篇文章专门写了这个类的使用。
下面就是DoraemonKit中NSURLProtocol的具体实现：
@interface DoraemonNSURLProtocol()<NSURLConnectionDelegate,NSURLConnectionDataDelegate>
@property (nonatomic, strong) NSURLConnection *connection;
@property (nonatomic, assign) NSTimeInterval startTime;
@property (nonatomic, strong) NSURLResponse *response;
@property (nonatomic, strong) NSMutableData *data;
@property (nonatomic, strong) NSError *error;
@end
@implementation DoraemonNSURLProtocol
+ (BOOL)canInitWithRequest:(NSURLRequest *)request{
if ([NSURLProtocol propertyForKey:kDoraemonProtocolKey inRequest:request]) {
return NO;
}
if (![DoraemonNetFlowManager shareInstance].canIntercept) {
return NO;
}
if (![request.URL.scheme isEqualToString:@"http"] &&
![request.URL.scheme isEqualToString:@"https"]) {
return NO;
}
//NSLog(@"DoraemonNSURLProtocol == %@",request.URL.absoluteString);
return YES;
}
+ (NSURLRequest *)canonicalRequestForRequest:(NSURLRequest *)request{
//NSLog(@"canonicalRequestForRequest");
NSMutableURLRequest *mutableReqeust = [request mutableCopy];
[NSURLProtocol setProperty:@YES forKey:kDoraemonProtocolKey inRequest:mutableReqeust];
return [mutableReqeust copy];
}
- (void)startLoading{
//NSLog(@"startLoading");
self.connection = [[NSURLConnection alloc] initWithRequest:[[self class] canonicalRequestForRequest:self.request] delegate:self];
[self.connection start];
self.data = [NSMutableData data];
self.startTime = [[NSDate date] timeIntervalSince1970];
}
- (void)stopLoading{
//NSLog(@"stopLoading");
[self.connection cancel];
DoraemonNetFlowHttpModel *httpModel = [DoraemonNetFlowHttpModel dealWithResponseData:self.data response:self.response request:self.request];
if (!self.response) {
httpModel.statusCode = self.error.localizedDescription;
}
httpModel.startTime = self.startTime;
httpModel.endTime = [[NSDate date] timeIntervalSince1970];
httpModel.totalDuration = [NSString stringWithFormat:@"%f",[[NSDate date] timeIntervalSince1970] - self.startTime];
[[DoraemonNetFlowDataSource shareInstance] addHttpModel:httpModel];
}
#pragma mark - NSURLConnectionDelegate
- (void)connection:(NSURLConnection *)connection didFailWithError:(NSError *)error{
[[self client] URLProtocol:self didFailWithError:error];
self.error = error;
}
- (BOOL)connectionShouldUseCredentialStorage:(NSURLConnection *)connection {
return YES;
}
- (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveAuthenticationChallenge:(NSURLAuthenticationChallenge *)challenge {
[[self client] URLProtocol:self didReceiveAuthenticationChallenge:challenge];
}
- (void)connection:(NSURLConnection *)connection didCancelAuthenticationChallenge:(NSURLAuthenticationChallenge *)challenge {
[[self client] URLProtocol:self didCancelAuthenticationChallenge:challenge];
}
#pragma mark - NSURLConnectionDataDelegate
- (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveResponse:(NSURLResponse *)response{
[[self client] URLProtocol:self didReceiveResponse:response cacheStoragePolicy:NSURLCacheStorageAllowed];
self.response = response;
}
- (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveData:(NSData *)data{
[[self client] URLProtocol:self didLoadData:data];
[self.data appendData:data];
}
- (NSCachedURLResponse *)connection:(NSURLConnection *)connection willCacheResponse:(NSCachedURLResponse *)cachedResponse{
return cachedResponse;
}
- (void)connectionDidFinishLoading:(NSURLConnection *)connection {
[[self client] URLProtocolDidFinishLoading:self];
}
复制代码所有代码请参考：DorameonKit/Core/Plugin/NetFlow
3.5：自定义监控
以上所有的操作都是针对于单个指标，无法提供一套全面的监控数据，自定义监控可以选择你需要监控的数据，目前包括帧率、CPU使用率、内存使用量和流量监控，这些监控没有波形图进行显示，均在后台进行监控，测试完毕，会把这些数据上传到我们后台进行分析。
因为目前后台是基于我们内部平台上开发的，暂时不提供开源。不过后续的话，我们也会考虑将后台的功能的功能对外提供，请大家拭目以待。对于开源版本的话，目前性能测试的结果保存在沙盒Library/Caches/DoraemonPerformance中，使用者可以使用沙盒浏览器功能导出来之后自己进行分析。
所有代码请参考：DorameonKit/Core/Plugin/AllTest
三、总结
写这篇文章主要是为了能够让大家对于DorameonKit进行快速的了解，大家如果有什么好的想法，或者发现我们的这个项目有bug，欢迎大家去github上提Issues或者直接Pull requests，我们会第一时间处理，也可以加入我们的qq交流群进行交流，也希望我们这个工具集合能在大家的一起努力下，继续做大做好。
如果大家觉得我们这个项目还可以的话，点上一颗star吧。
DoraemonKit项目地址：github.com/didi/Doraem…