进阶应用启动分析，这一篇就够了！

Language 2021-12-30 15:50:13 views: null

前言

了解过启动时长的原理以后，下一步就是分析启动时长！

有了启动时长，我们才能进行下一步的分析，哪里的时间长了，哪里应该放到子线程初始化等。

现在很多教程中的分析启动时长的工具的落伍了，所以，在本文中，我会带你了解比较新的启动分析工具 Profiler 和 Perfetto 以及大厂常用的性能分析库。

当然，如果你对对应用启动的原理还不熟悉，可以查看我的上一篇文章：

《Android启动这些事儿，你都拎得清吗？》

一、如何定义启动时长

通常说启动时长的时候，我们一般指的是冷启动，用户对冷启动的感知最为明显，如果我们的应用启动时间太长，好家伙，用户分分钟抛弃我们的应用。

表情包

那冷启动一般包括哪些部分呢？

正常而言，一般是包括创建应用进程前和应用进程后两个部分。

创建应用进程前：

  1. 加载并启动应用。
  2. 在启动后立即显示应用的空白启动窗口。
  3. 创建应用进程。

创建应用进程后：

  1. 创建应用对象。
  2. 启动主线程。
  3. 创建主 Activity。
  4. 扩充视图。
  5. 布局屏幕。
  6. 执行初始绘制。

一旦应用完成第一次绘制以后，系统进程就会换掉当前显示的后台窗口，替换为主 Activity。

对于用户来说，能够见到我们应用的第一个界面就算启动完成了，一般的启动时长就是指的这个。

谷歌又在此基础上创建了 完全显示所用时间 和 初步显示所用时间，我们在下面分析。

二、完全显示所用时间和初步显示所用时间

image.png

初步显示时间的英文是 Time-To-Initial-Display，简称是 TTID。

对应的是上图中的 「Displayed Time」 部分，也就是我们应用第一个 Activity 完成绘制后的时间，怎么看这个时间呢？

系统已经为我们准备好了，手机连上电脑，安装好我们的App，在启动的时候过滤 Displayed 日志，会出现以下信息：

I/ActivityManager: Displayed com.test.demo/.ui.activity.SplashActivity: +2s645ms
复制代码

见到了App第一页就意味着启动好了吗？显然并不是这样的，有的时候，你还需要从网络上拉取一些数据，这些数据加载好了，才意味着 App 的真正启动完成，所以还有一个完全显示所用时间。

完全显示所用时间的英文 Time-To-Full-Display，简称是 TTFD。

对应的是图中的 reportFullyDraw() 方法，注意！这个方法是需要手动调用的，因为系统也不知道我们应用什么时候算完全显示成功。当我们调用过这个方法以后，会出现下面的日志：

I/ActivityManager: Fully drawn com.test.demo/.ui.activity.SplashActivity: +2s312ms
复制代码

我们还有一种方法去测试初步显示时间，就是使用 ADB 工具，像这样使用 ADB 命令：

adb [-d|-e|-s <serialNumber>] shell am start -S -W
    com.example.app/.MainActivity
    -c android.intent.category.LAUNCHER
    -a android.intent.action.MAIN
复制代码

得出来的结果跟刚刚其实差不多，就不展示了。

三、更深入的分析

虽然知道了初步显示所用时间，但是我们并不知道细节每个方法运行了多长时间，所以就有了 Profiler 和 Perfetto，它们也是官方给我们推荐的性能分析利器。

1. 性能分析利器 - Profiler

在早期的版本中， 大家都喜欢使用 TraceView 去做性能分析。

不过，在 AS 3.2 或者更高的版本中，TraceView 已经成为过去式，取而代之的是更加强悍的性能分析工具 Profiler。

说起这个工具，那可太强了！当我们录制完我们想要的运行轨迹后，可以帮助我们分析CPU、内存、网路和耗电，比如说像这样；

检测图片

它支持四种模式录制程序运行轨迹，分别是：

  1. Sample Java Methods：简单来说，就是以一定的频率去记录 Java 代码执行的调用堆栈
  2. Trace Java Methods：记录每一个 Java 方法的的时间和CPU信息，也就是每一段 Java 执行代码的调用堆栈都会被记录下来。对性能的消耗很高
  3. Sample C/C++ Functions：通过 simpleperf 去记录 native 代码的调用轨迹，不过设备等级要在 Android 8.0 以上
  4. Trace System Calls：基于 Systrace，跟 Systrace 的功能一样，它主要记录了与系统资源的交互，比如多核CPU的线程执行情况、帧率等等你需要的设备信息

掌握了四种操作方式后，对于只统计启动时长而言，前面两种足够进行初步分析了，那么选哪一种呢？

  • Sample Java Methods 时间计算更加精确，但是可能会漏掉记录一些执行时间超级超级短的一些方法

  • Trace Java Methods 会记录每一个 Java 方法，这也造成了性能负担，会拉长启动时长。但如果想暴露启动过程中的耗时方法，那么这种方式无疑是最合适的

对我而言，我初期就想暴露主线程的耗时方法，所以会选择 Trace Java Methods，虽然统计方法耗时没有那么精确，但是每个方法的相对在执行过程的耗时占比还是比较准确的。

整个使用过程是这样的：

第一步 更改运行App的配置项

点击启动 「App配置」图标，如图：

点击配置

之后选中第四个 Tab 下的 「Profiling」，点击下拉框选中 「Trace Java Methods」，点击确认。

image.png

第二步 启动App

在用手机连接上 Android Studio 以后，点击 「Profile App」 按钮：

启动按钮

之后会出现 Profie 工具，录制过程就开始了：

image.png

当我们的应用启动完成以后，可以点击 「Stop」按钮，录制过程就完成了。

第三步 分析调用堆栈

录制完成我们就可以见到分析界面：

调用区域

整个界面我给分成了A、B和C三个部分。

A部分可以记录对应时间的CPU、用户的操作和对应活动的生命周期的情况。

B部分记录了当前进程对应的线程的代码调度情况，其中横轴代表时间轴，纵轴代表代码的调度顺序，代码调度又分为了三种情况：

    1. 绿色部分：应用中自有代码的执行。
    1. 橙色部分：系统API的执行。
    1. 蓝色部分：第三方SDK的代码执行，包括Java语言API。

通过对B部分的一顿分析，我们大概就清楚哪些方法在主线程比较耗时了！

最后就是C部分了，C部分可以查看 Flame Chart、Top Down 和 Bottom up，如果你还清楚这些图该怎么看，建议看一下官方文档：《检查轨迹》。

如何只统计我想统计的代码调用栈时长？

很多时候，我们不需要记录整个启动流程，一个方法或者一段代码就够了，这种情况我们可以通过 Debug Api 去实现。

就两静态方法，我们用 Debug.startMethodTracing 方法启动调用堆栈的生成，最终回生成 .trace 文件，调用处主要有两个参数：

  1. tracePath：.trace 文件的生成路径。
  2. bufferSize：.trace 文件大小的限制，默认可就只有 8 MB 哟。

当我们觉得需要结束的时候调用 Debug.stopMethodTracing

我们可以在代码的结束处调用 Debug.startMethodTracing 方法，在我们指定的地址生成 .trace 文件。

导入Trace

生成的 Trace 文件，可以通过点击 AS 底部的 「Profiler」 栏目下的 「+」按钮添加，分析方法跟刚刚一样。

2. 性能分析利器 - Perfetto

正常情况下，通过 Profiler 记录 Trace System Calls 已经足够我们去分析和系统资源交互的情况了，如下图：

Trace System Calls

它记录了 CPU 的资源调度、显示信息、用户交互、Activity的生命周期、进程内存和当前进程拥有的线程等重要信息

使用 Profiler 的缺点就是只能记录当前进程的信息，想要更多进程内容，还得靠 Systrace 和 Perfetto，Profiler 的 Trace System Calls 就是基于 Systrace，不过 Systrace 是过去式了，官方推荐我们使用 Perfetto！

详细的文档可以查看：《官方文档》

perfetto 从我们的设备上收集性能跟踪数据时会使用多种来源，例如：

  • 使用 ftrace 收集内核信息
  • 使用 atrace 收集服务和应用中的用户空间注释
  • 使用 heapprofd 收集服务和应用的本地内存使用情况信息

下面就是具体的操作。

第一步 生成一份配置文件

电脑上创建一个文件，以 .pbtxt 结尾，我是把它当 .txt 文件处理的，内容是：

buffers: {
    size_kb: 20522240
    fill_policy: DISCARD
}
data_sources: {
    config {
        name: "linux.process_stats"
        target_buffer: 1
        process_stats_config {
            scan_all_processes_on_start: true
        }
    }
}
data_sources: {
    config {
        name: "android.log"
        android_log_config {
            log_ids: LID_DEFAULT
            log_ids: LID_SYSTEM
        }
    }
}
data_sources: {
    config {
        name: "linux.sys_stats"
        sys_stats_config {
            stat_period_ms: 250
            stat_counters: STAT_CPU_TIMES
            stat_counters: STAT_FORK_COUNT
        }
    }
}
data_sources: {
    config {
        name: "linux.ftrace"
        ftrace_config {
            ftrace_events: "sched/sched_switch"
            ftrace_events: "power/suspend_resume"
            ftrace_events: "sched/sched_wakeup"
            ftrace_events: "sched/sched_wakeup_new"
            ftrace_events: "sched/sched_waking"
            ftrace_events: "power/cpu_frequency"
            ftrace_events: "power/cpu_idle"
            ftrace_events: "power/gpu_frequency"
            ftrace_events: "raw_syscalls/sys_enter"
            ftrace_events: "raw_syscalls/sys_exit"
            ftrace_events: "sched/sched_process_exit"
            ftrace_events: "sched/sched_process_free"
            ftrace_events: "task/task_newtask"
            ftrace_events: "task/task_rename"
            ftrace_events: "ftrace/print"
            atrace_categories: "gfx"
            atrace_categories: "input"
            atrace_categories: "view"
            atrace_categories: "wm"
            atrace_categories: "am"
            atrace_categories: "hal"
            atrace_categories: "res"
            atrace_categories: "dalvik"
            atrace_categories: "bionic"
            atrace_categories: "pm"
            atrace_categories: "ss"
            atrace_categories: "database"
            atrace_categories: "aidl"
            atrace_categories: "binder_driver"
            atrace_categories: "binder_lock"
            atrace_apps: "*"
        }
    }
}
duration_ms: 10000
复制代码

因为我的应用代码量比较多，所以我设置的缓存 buffers 比较多，测试时间 duration_ms 也比较长，在 10000 ms。

文件生成好后，使用 adb 命令将电脑上的文件导入到手机中：

adb push 电脑文件路径 /data/local/tmp/perfetto.pbtxt
复制代码

第二步 开始抓日志

生成Trace命令：

adb shell 'cat /data/local/tmp/perfetto.pbtxt | perfetto --txt -c - -o /data/misc/perfetto-traces/trace'
复制代码

之后再使用 adb pull 命令，将手机中的文件导出到电脑，像这样

adb pull /data/misc/perfetto-traces/trace /Users/jiuxin/Downloads/
复制代码

第三步 将文件导入到Perfetto

在 Chrome 打开地址 ui.perfetto.dev/, 将生成文件直接移进去，就可以生成我们想要的信息了：

Perfetto生成信息

剩下的就得靠自己分析了！

四、初步监控启动时长

不知道大家发现了没有，虽然上面的操作骚得狠，挖掘到的信息也很丰富，但也只能在本地用。

不能将启动时长上传到线上，也就意味着不能进行很好的监控，开发仔也不可能每次开发应用的时候，都去统计一下启动时长吧。

这里有一个简单的方法，思路是：

利用函数打点的方式统计一下每个重要过程的时间，然后将这些信息上传到埋点，之后利用自动化工具每周查询启动时长发布到企业微信或者钉钉里，一个简单的监控方案就形成了！

具体的操作就是写一个计时工具类，在 Application#attachBaseContext 方法里面记一个时间戳，然后在下面几个点进行时间统计：

  • Application#onCreate 方法结束处
  • 第一个 Activity 的 onWindowFocusChanged 方法
  • 主界面的 onWindowFocusChanged 方法

如需统计更加详细的方法，可多加入一些时间戳，监控具体方法的耗时。

五、进阶监控启动时长

用代码打点这种方式对代码的侵入性比较高，看着不太优雅，那就换一种方式！

思路是这样的：

  1. 启动点同样可以设置在 Application 的构造方法或者 attachBaseContext方法
  2. 接着用反射的方法拦截 ActivityThread 中的 mH 中的消息，当第一个 Activity\Service\BroadCastReceiver 启动后，就预示着启动完成。
  3. 在 Activity 的 onWindowFocusChanged 插入方法，统计用户看见第一个 Activity 时的启动时长

1、3部分我们不直接写，而使用字节码插桩，库选择 ASM。

ASM 是一个字节码操作库，它可以直接修改已经存在的 Class 文件或者生成 Class 文件。与其他的一些字节码操作框架对比，ASM 更底层，可直接操作字节码，设计上更小更快，性能也更好！

如果各位同学对 ASM 不太了解，可以阅读以下网站：

asm官网
《Android ASM快速入门》

除了入门 ASM，我们还得具备自定义 Plugin 和 Transform 的基础。简单聊聊具体的步骤吧。

第一步 构建插件

自定义插件的知识就不细讲了，感兴趣可以移步：《Android 自定义Gradle插件的3种方式》。

完成后：

class CusPlugin implements Plugin<Project>{
    @Override
    void apply(Project project) {
        AppExtension appExtension = project.extensions.getByType(AppExtension)
        appExtension.registerTransform(new AsmTran())
    }
}
复制代码

第二步 实现Transform

Transform 的作用时间就在打包流程中下图的红色箭头处，所以它可以帮助我们修改字节码。

打包流程

Transform 过程像这样：

image.png

其实我们只需要处理 class 文件：

void handleDirectoryInput(DirectoryInput directoryInput, TransformOutputProvider outputProvider) {
    directoryInput.file.eachFileRecurse {File file ->
        def fileName = file.name
        if(checkClassFile(fileName)){
            println "fileName: ${fileName}"
            ClassReader cr =new ClassReader(file.bytes)
            ClassWriter cw = new ClassWriter(cr, ClassWriter.COMPUTE_MAXS)
            ClassVisitor cv = new LifecycleClassVisitor(cw)
            cr.accept(cv, ClassReader.EXPAND_FRAMES)
            byte[] bytes = cw.toByteArray()

            FileOutputStream ots = new FileOutputStream(file.path)
            ots.write(bytes)
            ots.close()
        }
    }
    File dest = outputProvider.getContentLocation(
            directoryInput.getName(),
            directoryInput.getContentTypes(),
            directoryInput.getScopes(),
            Format.DIRECTORY
    )
    FileUtils.copyDirectory(directoryInput.getFile(), dest)
}
复制代码

上面的代码中，ClassReader 对 Class 文件进行读取和解析，ClassWriter 对 Class 文件进行写入，ClassVisitor 可以访问 Class 的各个部分，比如成员变量、成员方法、静态变量、注解和类等信息。

第三步 字节码访问

我在上面自己实现了一个 LifecycleClassVisitor 的类，目的是用来拦截对应的类方法：

public class LifecycleClassVisitor extends ClassVisitor {
    //...

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
        System.out.println("ClassVisitor visitMethod name-------" + name);
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
        if(name.startsWith("on")){
            return new LifecycleMethodVisitor(mv, className, name);
        }
        return mv;
    }

    //...
}
复制代码

上面拦截了以 on 开头的方法，并替换成了对应的 LifecycleMethodVisitor 方法字节码读取工具。

public class LifecycleMethodVisitor extends MethodVisitor {

    private String className;
    private String methodName;

    public LifecycleMethodVisitor(MethodVisitor methodVisitor, String className, String methodName) {
        super(Opcodes.ASM6, methodVisitor);

        this.className = className;
        this.methodName = methodName;
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        super.visitCode();

        if(methodName != null && methodName.equals("onWindowFocusChanged")){
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "com/example/transformdemo/hook/ActivityThreadHacker", "getCurActivityDisplayTime", "()V", false);
        }else {
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "com/example/transformdemo/hook/ActivityThreadHacker", "hackSysHandlerCallback", "()V", false);
        }
    }
}
复制代码

这个方法里面很简单，如果是 onWindowFocusChanged 方法，就插入 ActivityThreadHacker#getCurActivityDisplayTime 静态方法，否则就插入 ActivityThreadHacker#hackSysHandlerCallback 静态方法，这个方法就是我前面说，用来统计时间的。

当然，实际做的时候不可能这么简单，比如，当 Activity 没有 onWindowFocusChanged 方法，你还需要考虑去插入这个方法，再进行插桩。

第四步 拦截ActivityThread中的Handler

ActivityThreadHacker 就是一个统计时长的工具，并对 ActivityThread 中的 Handler 消息处理进行一遍拦截，用的是反射的方式，代码虽然比较多，但是一遍就能懂：

public class ActivityThreadHacker {

    private static final String TAG = "T.ActivityThreadHacker";
    private static long sApplicationCreateBeginTime = 0L;
    private static long sApplicationCreateEndTime = 0L;
    private static long sLastLaunchActivityTime = 0L;
    private static long sCurActivityDisplayTime = 0L;
    public static int sApplicationCreateScene = -100;
    private static boolean sIsInit = false;

    public static void hackSysHandlerCallback(){
        if(sIsInit)
            return;
        try {
            sApplicationCreateBeginTime = SystemClock.uptimeMillis();
            Log.d("wangjie", "hackSysHandlerCallback begin");
            Class<?> forName = Class.forName("android.app.ActivityThread");
            Field field = forName.getDeclaredField("sCurrentActivityThread");
            field.setAccessible(true);
            Object activityThreadValue = field.get(forName);
            Field mH = forName.getDeclaredField("mH");
            mH.setAccessible(true);
            Object handler = mH.get(activityThreadValue);
            Class<?> handlerClass = handler.getClass().getSuperclass();
            Field callbackField = handlerClass.getDeclaredField("mCallback");
            callbackField.setAccessible(true);
            Handler.Callback originCallback = (Handler.Callback) callbackField.get(handler);
            HackCallback hackCallback = new HackCallback(originCallback);
            callbackField.set(handler, hackCallback);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        sIsInit = true;
    }

    public static long getApplicationCost() {
        return ActivityThreadHacker.sApplicationCreateEndTime - ActivityThreadHacker.sApplicationCreateBeginTime;
    }

    public static long getEggBrokenTime() {
        return ActivityThreadHacker.sApplicationCreateBeginTime;
    }

    public static long getLastLaunchActivityTime() {
        return ActivityThreadHacker.sLastLaunchActivityTime;
    }

    public static long curActivityDisplayTime() {
        return sCurActivityDisplayTime;
    }

    public static void getCurActivityDisplayTime() {
        sCurActivityDisplayTime =  SystemClock.uptimeMillis() - ActivityThreadHacker.sLastLaunchActivityTime;
    }

    private final static class HackCallback implements Handler.Callback {
        private static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
        private static final int CREATE_SERVICE = 114;
        private static final int RECEIVER = 113;
        public static final int EXECUTE_TRANSACTION = 159; // for Android 9.0
        private static boolean isCreated = false;
        private static int hasPrint = 10;

        private final Handler.Callback mOriginCallback;

        public HackCallback(Handler.Callback mOriginCallback) {
            this.mOriginCallback = mOriginCallback;
        }

        @Override
        public boolean handleMessage(@NonNull Message msg) {

            boolean isLaunchActivity = isLaunchActivity(msg);

            if(isLaunchActivity) {
                Log.d("wangjie", "hook handleMessage begin isLaunchActivity");
                ActivityThreadHacker.sLastLaunchActivityTime = SystemClock.uptimeMillis();
            }

            if(!isCreated) {
                if(isLaunchActivity || msg.what == CREATE_SERVICE || msg.what == RECEIVER){
                    ActivityThreadHacker.sApplicationCreateEndTime = SystemClock.uptimeMillis();
                    ActivityThreadHacker.sApplicationCreateScene = msg.what;
                    isCreated = true;
                }
            }
            return null != mOriginCallback && mOriginCallback.handleMessage(msg);
        }

        private Method method = null;

        private boolean isLaunchActivity(Message msg) {
            if (Build.VERSION.SDK_INT > Build.VERSION_CODES.O_MR1) {
                if (msg.what == EXECUTE_TRANSACTION && msg.obj != null) {
                    try {
                        if (null == method) {
                            Class clazz = Class.forName("android.app.servertransaction.ClientTransaction");
                            method = clazz.getDeclaredMethod("getCallbacks");
                            method.setAccessible(true);
                        }
                        List list = (List) method.invoke(msg.obj);
                        if (!list.isEmpty()) {
                            return list.get(0).getClass().getName().endsWith(".LaunchActivityItem");
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        Log.d(TAG, "[isLaunchActivity] %s", e);
                    }
                }
                return msg.what == LAUNCH_ACTIVITY;
            } else {
                return msg.what == LAUNCH_ACTIVITY;
            }
        }
    }
}
复制代码

等应用启动后，我们就可以通过调用 ActivityThreadHacker 静态方法去获取对应的时间。

熟悉 Matrix 的同学可能发现了，这不是跟 Matrix 的启动分析类似吗？

事实确实如此，只不过 Matrix 整个流程远比整个复杂的多，记得第一次反编译我们自己应用，几乎所有方法都被插了记时统计方法的时候，我整个人都惊呆了！

麻了

不过，我们性能分析的工具仍然是基于 Matrix 实现的，毕竟，有这么强大的工具！

总结

Profiler、Perfetto 可以帮助我们分析启动时长，利用方法打点或者Matrix可以帮助我们建立一套启动时长监控，一套组合拳下来，简单的启动时长治理就可以做完了。

下一篇文章将和大家分析，如何进行启动速度优化，如果有什么问题，评论区见！

如果觉得本文不错，「点赞」是最好的肯定！

参考文章

《性能工具Traceview》
《手把手教你使用Systrace（一）》
《Android ASM快速入门》
《Android Gradle Transform 详解》
《Matrix源码分析系列-如何计算App启动耗时》
《# 深入探索Android启动速度优化（上）》

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