性能优化

卡顿
如何衡量卡顿
“卡顿” 产生的原因
Profile GPU Rendering
通用优化流程

### 卡顿

前言：关于Android性能优化,为何把”卡顿”放在前面？对于用户而言,可能注重的是App的流畅度,而如果AppUI卡顿,用户体验就不是很好了。所以想说明一下什么是”卡顿”,并了解一般卡顿的原因,这样才能解决卡顿。

“卡顿”是什么？
- “卡顿” 直观的来讲，就是人的一种视觉感受，比如我们滑动界面时，如果滑动不流程我们就会有卡顿的感觉，这种感觉我们需要有一个量化指标，在编程时如果开发的程序超过了这个指标我们认为其是卡顿的。
- FPS(帧率) ：每秒显示帧数（Frames per Second）。表示图形处理器每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。一般来说12fps大概类似手动快速翻动书籍的帧率，这明显是可以感知到不够顺滑的。30fps就是可以接受的，但是无法顺畅表现绚丽的画面内容。提升至60fps则可以明显提升交互感和逼真感，但是一般来说超过75fps就不容易察觉到有明显的流畅度提升了，如果是VR设备需要高于75fps，才可能消除眩晕的感觉。
- 开发app的性能目标就是保持60fps，这意味着每一帧你只有16ms≈1000/60的时间来处理所有的任务。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要的60fps。

如图所示

如果你的某个操作花费时间是24ms，系统在得到VSYNC信号的时候就无法进行正常渲染，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。

如图所示

如果此时用户在看动画的执行或者滚动屏幕（如RecyclerView），就会感觉到界面不流畅了（卡了一下）。丢帧导致卡顿产生。

流畅的情况下：

出现了丢帧现象（卡顿）：

严重丢帧（卡死了）：

### 如何衡量卡顿

FPS的高低不能准确的反映应用的流程度。只有有更新的时候才刷新界面。当界面没有变动的时候，手机不需要对界面进行更新，所以此时的FPS会很低，如果1秒钟内都没有变动那么FPS=0。所以我们需要利用其他方式来衡量应用的流程度，比如可以利用丢帧数来衡量。
单位时间内丢帧数可以反映出应用是否流程。不丢帧是终极目标，但每秒丢帧在6-7帧左右可以接受，如果丢10帧以上就需要优化了。

丢帧情况（单位时间内均匀分布）	卡顿情况
0-10帧	流畅
10-20帧	较卡
20-40帧	很卡
40-60帧	卡死了

对于我们开发人员来说,会使用一些工具找出卡顿比较集中的地方,找出原因,消除或减弱卡顿。(测试团队会有专门的工具去测试丢帧的情况)

### "卡顿" 产生的原因

核心：分析在16ms中我们的应用做了什么工作，哪些工作阻止我们在16ms时更新界面。

通常情况下，在16ms中我们有那些工作需要处理。单以XML布局被绘制出来为例进行说明。

处理过程：

CPU负责把UI组件计算成多边形和纹理
OpenGL负责绘制图像（Display List）
GPU栅格化需要显示内容并渲染到屏幕上

而实际开发中我们还加入交互、业务处理等工作，这些工作都需要在16ms中处理完成。对于开发人员来说，需要有一个工具，很直观的帮助我们判断出那些工作占用了多少时间。
### Profile GPU Rendering

通过手机开发者选项中提供的Profile GPU Rendering（GPU呈现模式分析）功能，我们可以清楚的看到处理流程中各部分的耗时。手机端工具（开发助手GPU渲染图）。建议大家在Android6.0及以上手机测试。

打开Profile GPU Rendering操作截图如下：

大家可以拿着真机配置一下。

条形图说明:
- 水平方向的一根绿线代表16ms。
- 每条都代表一帧画面所有工作内容。
- 每条中不同的颜色代表不同的工作内容。
Android6.0及以上的手机颜色对应关系如下：

原因分析：
https://developer.android.google.cn/topic/performance/rendering/profile-gpu.html##visrep

## 通用优化流程 ### 第一步：UI层优化

UI问题比较容易查找
一旦出现问题影响范围广（xml、mesure、layout、draw、Display List、栅格化……）

工具：设备过渡绘制查看功能、Hierarchy Viewer等
常见问题：过渡绘制、布局复杂、层级过深……

过度绘制

在屏幕一个像素上绘制多次（超过两次）。如：文本框，如果设置了背景颜色（黑色），那么显示的文字（白色）就需要在背景之上再次绘制。
打开手机开发者中的GPU过度绘制即可查看。蓝色标识这个区域绘制了两次。(6.0以上)。

过度绘制

说明：
- 如果大面积都是蓝色，属于正常情况。
- 重点关注大面积绿色及以后的，表示存在过渡绘制。

#### 自定义控件绘制优化

Clip Rect 与 Quick Reject

Clip Rect：识别可见区域
Quick Reject：控件所在的矩形区域是否有交集

在Canvas中有上述两个方法，帮助我们进行判断，避免出现过渡绘制。

案例

案例效果：

自定义绘制-1

自定义一View，初始化就不在贴代码，在onDraw的时候，通常我们都是这样写：

1
2
3

for (int i = 0; i < imgs.length; i++) {
    canvas.drawBitmap(imgs[i],i*20,0,paint);
}

这样写出来后，打开GPU过度绘制，结果：

自定义绘制-2

我们可以看出中间的部分(第三张开始)已经开始了很重的过度绘制。原因很简单：对于“大王”这张牌来说，我们不需要绘制完整的图片，如果都绘制了就会出现上面的情况。
处理思路：
- 找出牌需要绘制的区域，让canvas在绘制这张牌时仅仅按区域绘制一部分即可。对于“大王”这张牌来说我们仅仅绘制如下内容。

自定义绘制-3

在Canvas中clipRect方法可以帮助我们划定一个区域，进行绘制。
方法参数说明：clipRect(int left, int top, int right, int bottom)

1	canvas.clipRect(0, 0, 20, imgs[i].getHeight());

设置完成后，我们来绘制大王这张牌。

1	canvas.drawBitmap(imgs[0],0,0,paint);

再增加循环，快速绘制所有的牌。

for (int i = 0; i < imgs.length; i++) {
    canvas.clipRect(i * 20, 0, (i + 1) * 20, imgs[i].getHeight());
    canvas.drawBitmap(imgs[i],i*20,0,paint);
}

但是运行后发现还是只显示大王一张图片，和上图一样。我们需要借助save和restore来完成裁剪的操作。

save：用来保存Canvas的状态。save之后，可以调用Canvas的平移、放缩、旋转、错切、裁剪等操作。
restore：用来恢复Canvas之前保存的状态。防止save后对Canvas执行的操作对后续的绘制有影响。
save和restore要配对使用(restore可以比save少，但不能多)，如果restore调用次数比save多，会引发Error。save和restore之间，往往夹杂的是对Canvas的特殊操作。

代码修改如下：

for (int i = 0; i < imgs.length; i++) {
    canvas.save();
    canvas.clipRect(i * 20, 0, (i + 1) * 20, imgs[i].getHeight());
    canvas.drawBitmap(imgs[i],i*20,0,paint);
    canvas.restore();
}

自定义绘制-4

可是还是发现最后一张还不是我们想要的效果。需要修改代码：

for (int i = 0; i < imgs.length; i++) {
    canvas.save();
    if(i<imgs.length-1) {
        canvas.clipRect(i * 20, 0, (i + 1) * 20, imgs[i].getHeight());
    }else if(i==imgs.length-1){
        canvas.clipRect(i * 20, 0, i * 20+imgs[i].getWidth(), imgs[i].getHeight());
    }
    canvas.drawBitmap(imgs[i],i*20,0,paint);
    canvas.restore();
}

也可以：

for (int i = 0; i < imgs.length; i++) {
    canvas.save();
    canvas.clipRect(i * 20, 0, i== imgs.lenth - 1 ? i * 20+imgs[i].getWidth():(i + 1) * 20, imgs[i].getHeight());
    canvas.drawBitmap(imgs[i],i*20,0,paint);
    canvas.restore();
}

#### Hierarchy Viewer(层级查看器)工具使用

Hierarchy Viewer可以很直接的呈现布局的层次关系，视图组件的各种属性。我们可以通过红，黄，绿三种不同的颜色来区分布局的Measure，Layout，Executive的相对性能表现如何。
打开工具

Hierarchy Viewer-1

Hierarchy Viewer-2

查看各个节点Measure，Layout，Executive。

Hierarchy Viewer-3

三个小圆点, 依次表示Measure, Layout, Draw, 可以理解为对应View的onMeasure, onLayout, onDraw三个方法。
- 绿色, 表示该View的此项性能比该View Tree中超过50%的View都要快。
- 黄色, 表示该View的此项性能比该View Tree中超过50%的View都要慢。
- 红色, 表示该View的此项性能是View Tree中最慢的。

一般来说：

Measure红点, 可能是布局中嵌套RelativeLayout,或是嵌套LinearLayout都使用了weight属性.
Layout红点, 可能是布局层级太深.
Draw红点, 可能是自定义View的绘制有问题, 复杂计算等.

常规做法

没有用的父布局——没有背景绘制或没有大小限制的父布局，不会对界面效果产生任何影响。特别是进来的布局，很容易产生问题。可以通过标签替代。

在布局层次一样的情况下，建议使用LinearLayout代替RelativeLayout。

使用LinearLayout导致的层次变深，可以使用RelativeLayout进行替换。同样的界面我们可以使用不同的方式去实现，选择一个层级最少的方案。

不常用的UI被设置成了GONE，尝试使用代替。附上一ViewStub使用
去掉多余的背景颜色，减少过渡绘制，对于有多层背景色的布局来说，留最上面的一层即可。谨慎使用alpha，如果后渲染的元素有设置alpha值，那么这个元素就会和屏幕上已经渲染好的元素做blend处理，这样会导致不少性能问题，特别是出现在列表的Item中。
对于使用Selector当背景的布局，可以将normal状态的color设置为透明。
我们不能因为提高性能而忽略了界面需要达到的效果（平衡Design与Performance）。

### 第二步：代码问题查找

常见问题：我们重点关注Performance和Xml中的一些建议

在绘制时实例化对象（onDraw）
手机不能进入休眠状态（Wake lock）
资源忘记回收
Handler使用不当倒置内存泄漏
没有使用SparseArray代替HashMap
未被使用的资源
布局中无用的参数
可优化布局（如：ImageView与TextView的组合是否可以使用TextView独立完成）
效率低下的weight
无用的命名空间等

Lint工具使用

Android Studio中开启Lint工具,选中需要分析的Module，点击工具栏中Analyze中的Inspect Code选项。

Lint-1

选择需要分析的Module或整个项目

Lint-2

我们可以逐一阅读一下，但是重点关注性能问题，xml中的一些问题也尽可能进行修复。

Lint-3

问题处理

案例中性能问题处理

LintQuestion-1

其他的一些性能问题

LintQuestion-2

案例中xml提到的内容如下

LintQuestion-3

其他问题：

无效的命名空间

LintQuestion-4

无效的布局参数
比如在线性布局中的控件使用到了相对布局中的属性，运行时需要处理，影响代码的执行效率。

案例中关于定义声明变量的警告

LintQuestion-5

意见或建议:

不断关注Lint中提到的问题，将公司中命名规范中没有提到的内容逐一补全。
Lint不是万能的。
可使用阿里推出的插件：Alibaba Java Coding Guidelines。

### 第三步：优化App的逻辑层

常见问题：主线程耗时大的函数、滑动过程中的CPU工作问题，工具可以提供每个函数的耗时和调用次数，我们重点关注两种类型的函数：

主线程里占用CUP时间很长的函数，特别关注IO操作（文件IO、网络IO、数据库操作等）。
主线程调用次数多的函数。

使用Traceview找出卡住主线程的地方

Traceview工具使用

通过Android Studio打开里面的Android Device Monitor，切换到DDMS窗口，点击左边栏上面想要跟踪的进程，再点击上面的Start Method Profiling的按钮，如下图所示：

Traceview-1

启动跟踪之后，再操控app，做一些你想要跟踪的事件，例如滑动RecyclerView，点击某些视图进入另外一个页面等等。操作完之后，回到Android Device Monitor，再次点击相同的按钮停止跟踪。此时工具会为刚才的操作生成TraceView的详细视图。

Tranceview-2

重点关注Incl Cpu Time、Call+Recur Calls/Total、Real Time/Call
通过降序排序，我们可以分别找到这两列中数值比较大的内容。

指标说明:

Incl(Inclusive) Cpu Time：方法本身和其调用的所有子方法占用CPU时间。
Excl(Exclusive) Cpu Time：方法本身占用CPU时间。
Incl Real Time：方法(包含子方法)开始到结束用时。
Excl Real Time：方法本身开始到结束用时。
Call + Recursion Calls/Total：方法被调用次数 + 方法被递归调用次数。
Cpu Time/Call：方法调用一次占用CPU时间. 方法实际执行时间(不包括io等待时间)。
Real Time/Call：方法调用一次实际执行时间. 方法开始结束时间差(包括等待时间)。

小案例：
我们可以在ViewHolder的设置数据中做点手脚，比如睡几毫秒（8ms），通过监控滚动，我们是否可以定位到问题代码。

好的做法

不要阻塞UI线程，占用CUP较多的工作尽可能放在子线程中执行。
需要结合使用场景选择不同的线程处理方案
AsyncTask: 为UI线程与工作线程之间进行快速的切换提供一种简单便捷的机制。适用于当下立即需要启动，但是异步执行的生命周期短暂的使用场景。
HandlerThread: 为某些回调方法或者等待某些任务的执行设置一个专属的线程，并提供线程任务的调度机制。
ThreadPool: 把任务分解成不同的单元，分发到各个不同的线程上，进行同时并发处理。
IntentService: 适合于执行由UI触发的后台Service任务，并可以把后台任务执行的情况通过一定的机制反馈给UI。
如果大量操作数据库数据时建议使用批处理操作。如：批量添加数据。