Android性能优化之启动速度

优化思路

优化标准

优化的过程标准要从用户体验出发，从点击图标到用户真正可以操作的整个过程。

业务梳理

首先需要梳理清楚当前启动过程正在运行的每一个模块，哪些是一定需要的、哪些可以砍掉、哪些可以懒加载。保证启动期间加载的每个功能和业务都是必须的，这对中低端机上的表现会有很大的改进。

业务优化

业务梳理完成后，剩下的都是启动过程一定要用的模块。这个时候就只能硬着头皮去做进一步的优化。优化前期需要“抓大放小”，先看看主线程究竟耗时在哪里。

比如考虑这些耗时任务是不是可以通过异步线程预加载实现，但需要注意的是过多的线程预加载会让我们的逻辑变得更复杂，建议衡量修改后的维护成本再决定是否使用这种方法。另外，懒加载要防止集中化，否则容易出现首页显示出来但用户无法操作的情形。

应用启动过程分析

启动的三种状态

应用启动的三种状态：冷启动、温启动或热启动。

在冷启动中，应用从头开始启动。在另外两种状态中，系统需要将后台运行的应用带入前台。

最好在冷启动的基础上进行优化，这样同时也可以提升温启动和热启动的性能。

冷启动

冷启动开始，系统首先要做三个任务：

系统创建应用进程后，应用进程就负责后续阶段：

整个冷启动流程图如下：

热启动

应用的热启动比冷启动简单得多，开销也更低。

在热启动中，系统的所有工作就是将您的Activity 带到前台。只要应用的所有 Activity 仍驻留在内存中，应用就不必重复执行对象初始化、布局填充和呈现。

温启动

温启动包含了在冷启动期间发生的部分操作，它的开销要比热启动高。以下情况可视为温启动：

• 用户在退出应用后又重新启动应用。进程可能已继续运行，但应用必须通过调用 onCreate() 从头开始重新创建Activity。应用只会重走Activity的生命周期，而不会重走进程的创建，Application的创建与生命周期等。
• 系统将您的应用从内存中逐出，然后用户又重新启动它。进程和Activity需要重启，但传递到 onCreate() 的 state bundle实例已保存。

启动过程的常见问题

1.点击应用图标很久没有响应

系统在拉起应用进程之前，会先根据应用的 Theme 属性创建预览窗口，这会耗费一定的时间，尤其在低中端机比较明显。

解决方法：可以禁用预览窗口或者将预览窗口指定为透明，但用户在这段时间看到的还会是桌面，给用户的感觉会是怎么没反应，是没点中图标吗？体验不是很好。

2.应用首页显示太慢了

随着应用的业务越来越复杂，用到各种框架和闪屏广告，这些都要在应用启动阶段的时候去做，这就会出现首页需要很长的时间才会显示出来。

3.首页显示出来了也没法操作

对于问题2，容易想到的一个方法是，尽量把启动阶段的初始化任务异步化执行。

要注意的是，那些需要准备好才能正常使用的资源如果异步处理的话，很可能会造成首页出现白屏，或首页出现后却没法操作的问题。

工具善其事，必先利其器

日志和ADB

1.查看日志

在 Android 4.4（API 级别 19）及更高版本中，logcat包含一个输出行，其中包含名为 Displayed 的值。此值代表从启动进程到在屏幕上完成对应 Activity 的绘制所用的时间。

因为提供此日志的是系统服务器，不是应用本身，所以记得查看是关闭过滤器

可以看到类似这样的日志：

I/ActivityManager: Displayed com.xxx.xxx/.activity.xxxActivity: +1s539ms

2.adb命令行

adb shell am start -S -W  com.xxx.xxx/com.xxx.xxx.activity.xxxActivity

-S：在启动 Activity 前，强行停止目标应用

-W：等待启动完成

启动成功后，可以看到启动时间数据：一般只要关心TotalTime即可，这个时间才是自己应用真正启动的耗时。

Status: ok
Activity: com.xxx.xxx/com.xxx.xxx.activity.xxxActivity
ThisTime: 1539  
TotalTime: 1539 
WaitTime: 1621  
Complete

ThisTime：表示一连串启动Activity的最后一个Activity`的启动耗时

TotalTime：表示新应用启动的耗时，包括新进程的启动和Activity的启动，但不包括前一个应用Activity pause的耗时

WaitTime：总的耗时，包括前一个应用Activity pause的时间和新应用启动的时间

如果对这条命令是如何得出的三个时间感兴趣的，可以看知乎Groffa的回答：

怎么计算apk的启动时间？

一款合适的启动优化分析工具

常用的启动分析工具有Traceview和systrace：

Traceview性能损耗太大，得出的结果并不真实。

systrace可以很方便地追踪关键系统调用的耗时情况，但是不支持应用程序代码的耗时分析。

TraceView试图收集某个阶段所有函数的运行信息，它希望在你并不知道哪个函数有问题的时候直接定位到关键函数；但可惜的是，收集所有信息这个是不现实的，它的运行时开销严重干扰了运行环境。

Systrace的思路是反过来的，它会统计出一些基本的信息，让开发者通过假设－分析－验证 的过程一步一步找出问题的原因。

选择systrace，再配合上函数插桩，是一个优秀的方式。

systrace + 函数插桩 。通过对需要统计耗时的函数进行插桩后，就可以借助systrace生成HTML报告进行分析。

函数插桩很简单，借助系统自带的Trace类即可，具体使用下面就详细介绍～

优化过程分析

Systrace

systrace 是Android4.1 中新增的性能数据采样和分析工具。它可帮助开发者收集 Android 关键子系统（如 SurfaceFlinger/SystemServer/Kernel/Input/Display 等 Framework 部分关键模块、服务，View系统等）的运行信息，从而帮助开发者更直观的分析系统瓶颈，改进性能。

systrace脚本文件位置：xxx/Android/sdk/platform-tools/systrace

执行以下命令就可以生成HTML报告：

python xxx/Android/sdk/platform-tools/systrace/systrace.py -o mynewtrace.html sched ss dalvik am

通过命令参数，可以查看常用的数据，分析启动过程，dalvik、sched、ss、am类型是我们比较关心的：

• sched：CPU Scheduling， CPU调度的信息，可看出CPU在每个时间段在运行什么线程，线程调度情况，比如锁信息。
• ss：System Server
• dalvik: Dalvik VM，虚拟机相关信息，比如GC停顿
• am: Activity Manager，分析Activity的启动过程很有用

以上的类型可能在某些机型不支持，adb连接到测试机，通过以下命令可查看systrace支持的类型，

python systrace.py --list-categories

systrace命令行使用

Perfetto分析报告

直接在浏览器打开上述的HTML文件，可以查看报告

在mac电脑上，Chrome直接打开上述生成的HTML是空白的。

解决办法：在chrome地址栏中输入chrome:tracing，然后点击load按钮选择你的trace.html文件。

不过更推荐使用Perfetto工具：

Perfetto 是 Android 10 中引入的全新平台级跟踪工具。这是适用于 Android、Linux 和 Chrome 的更加通用和复杂的开源跟踪项目。与 Systrace 不同，它提供数据源超集，可让您以 protobuf 编码的二进制流形式记录任意长度的跟踪记录。

我们的设备可能是Android10以下，不能使用Perfetto提供的新追踪方式。但它也支持打开通过systrace生成的trace文件，它的UI交互使用起来更舒服。

Trace跟踪

通过Trace类，可跟踪方法到调用流程，配合systrace视图分析，非常好用，比如跟踪下onResume方法

protected void onResume() {
  super.onResume();
  Trace.beginSection("START_TEST");
  // 你的操作
  ...
  Trace.endSection();
  Log.i(TAG, "[onResume]");
}

注意: 如果要想再systrace查看到跟踪阶段，需要在之前的命令行加上 -a 【包名】

python xxx/Android/sdk/platform-tools/systrace/systrace.py -o mynewtrace.html sched ss dalvik am -a 【包名】

在Perfetto打开生成mynewtrace.html文件，找到【包名】的进程，可以看到我们添加的Trace跟踪出现了（蓝颜色条目）：

小栗子

运行一个demo程序，先退出应用。执行命令：

python xxx/Android/sdk/platform-tools/systrace/systrace.py -o mynewtrace.html sched ss dalvik am -a 【包名】

启动demo程序，页面成功打开后，结束命令，会生成一份HTML报告，使用Perfetto打开该文件，找到该应用进程，里面有应用启动的多个阶段：

选择其中一个阶段，可以看到很多时间统计，有两个比较重要的时间指标：

• Wall Duration : 代码持续耗时时间，即这段代码的耗时时间
• CPU Duration : 这段代码在CPU上真正的耗时

如果发现Wall Duration和CPU Duration的时间差很大，就说明这部分代码有明显的耗时，可以考虑优化了。

比如上图的ActivityStart过程的耗时情况：

Wall Duration	78.282 ms
CPU Duration	71.004 ms

可以看到代码耗时和CPU实际耗时差距不大

接下来再分析bindApplication过程：

Wall Duration	3,053.505 ms
CPU Duration	49.767 ms

发现Wall Duration用了3s+，CPU实际耗时才49ms，这就不对头了，CPU这个阶段并没有一直在做事。

此时就要从代码上分析bindApplication过程，应用层就可以分析Application的代码，我的代码是这样的：

public class SampleApplication extends Application {
    private static Context sContext;
  
    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        sContext = this;
        try {
          // 模拟耗时操作
          Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
  
    public static Context getContext(){
        return sContext;
    }
}

显而易见，原因是我在Application的onCreate做了3s睡眠。当然这里只是简单模拟了耗时操作，实际业务肯定比这复杂的，但整体的分析思路是一样的。

统计方法耗时方案

如何查看每一个方法执行所耗时呢？

通过AOP统计方法耗时并打印

如果只是想更方便的统计方法耗时，可以通过AOP方式插入统计耗时的代码，在每个方法上添加一行注解就可以获取到该方法的耗时日志打印。

具体实现方式可以参考笔者的这篇博客写给Android工程师的AOP知识

自定义插件

如果想通过systrace工具查看每个方法的耗时，就需要在每个方法的前后加Trace检测代码

如果通过手动添加，这肯定是个体力活，不是一个对摸鱼有追求的程序猿做的事。这个时候就要想办法自动化，我们可以通过自定义插件的方法，去插桩我们的Trace代码。

好在这个插件已经有大佬写了，我们可以参考学习下：

插件使用

该插件的使用方式在插件的readme写的很详细了，这里就不copy了。

插件解析

插件的源码比较多，笔者抽出最核心的结构代码剖析下：

1.自定义Extension：该扩展类支持在build.gradle下使用的属性

class SystraceExtension {
    boolean enable
    String baseMethodMapFile
    String blackListFile
    String output
​
    SystraceExtension() {
        enable = true
        baseMethodMapFile = ""
        blackListFile = ""
        output = ""
    }
}

2.应用自定义的Plugin：

@Override
void apply(Project project) {
    project.extensions.create("systrace", SystraceExtension)
    if (!project.plugins.hasPlugin('com.android.application')) {
        throw new GradleException('Systrace Plugin, Android Application plugin required')
    }
    project.afterEvaluate {
      def android = project.extensions.android
      def configuration = project.systrace
      android.applicationVariants.all { variant ->
        String output = configuration.output
         if (Util.isNullOrNil(output)) {
            configuration.output = project.getBuildDir().getAbsolutePath() + File.separator + "systrace_output"
            Log.i(TAG, "set Systrace output file to " + configuration.output)
        }
        Log.i(TAG, "Trace enable is %s", configuration.enable)
        // 判断是否配置了开启
        if (configuration.enable) {
           SystemTraceTransform.inject(project, variant)
         }
        }
    }
}

3.自定义Transform：对需要插桩的方法，插桩Trace方法

public void transform(TransformInvocation transformInvocation) throws TransformException, InterruptedException, IOException {
  transformInvocation.inputs.each { TransformInput input ->
     input.directoryInputs.each { DirectoryInput dirInput ->
         collectAndIdentifyDir(scrInputMap, dirInput, rootOutput, isIncremental)
     }
     input.jarInputs.each { JarInput jarInput ->
         if (jarInput.getStatus() != Status.REMOVED) {
             collectAndIdentifyJar(jarInputMap, scrInputMap, jarInput, rootOutput, isIncremental)
         }
     }
  }
  MethodCollector methodCollector = new MethodCollector(traceConfig, mappingCollector)
  // 收集源代码和jar文件中的所有方法
  HashMap<String, TraceMethod> collectedMethodMap = methodCollector.collect(
    scrInputMap.keySet().toList(), jarInputMap.keySet().toList())
  MethodTracer methodTracer = new MethodTracer(traceConfig, collectedMethodMap, methodCollector.getCollectedClassExtendMap())
  // 对所有的方法插桩代码
  methodTracer.trace(scrInputMap, jarInputMap)
  origTransform.transform(transformInvocation)
}

4.遍历所有的方法插桩trace代码

# MethodTracer
private void innerTraceMethodFromSrc(File input, File output) {
  for (File classFile : classFileList) {
    if (mTraceConfig.isNeedTraceClass(classFile.getName())) {
      is = new FileInputStream(classFile);
      ClassReader classReader = new ClassReader(is);
      ClassWriter classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
      ClassVisitor classVisitor = new TraceClassAdapter(Opcodes.ASM5, classWriter);
      classReader.accept(classVisitor, ClassReader.EXPAND_FRAMES);
      is.close();
      if (output.isDirectory()) {
          os = new FileOutputStream(changedFileOutput);
      } else {
          os = new FileOutputStream(output);
      }
      os.write(classWriter.toByteArray());
      os.close();
    }
  }
}
​
@Override
public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc,
                                 String signature, String[] exceptions) {
    if (isABSClass) {
        return super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
    } else {
        MethodVisitor methodVisitor = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
        return new TraceMethodAdapter(api, methodVisitor, access, name, desc, this.className,
                isMethodBeatClass);
    }
}

5.利用ASM工具修改字节码

public final static String MATRIX_TRACE_METHOD_BEAT_CLASS = "com/sample/systrace/TraceTag";
# MethodTracer
private class TraceMethodAdapter extends AdviceAdapter {
  // 进入方法
  protected void onMethodEnter() {
    TraceMethod traceMethod = mCollectedMethodMap.get(methodName);
    if (traceMethod != null) {
        traceMethodCount.incrementAndGet();
        String sectionName = methodName;
        int length = sectionName.length();
        if (length > TraceBuildConstants.MAX_SECTION_NAME_LEN) {
            // 先去掉参数
            int parmIndex = sectionName.indexOf('(');
            sectionName = sectionName.substring(0, parmIndex);
            // 如果依然更大，直接裁剪
            length = sectionName.length();
            if (length > TraceBuildConstants.MAX_SECTION_NAME_LEN) {
                sectionName = sectionName.substring(length - TraceBuildConstants.MAX_SECTION_NAME_LEN);
            }
        }
      // visitLdcInsn：加载到堆栈上的常量
      mv.visitLdcInsn(sectionName);
      // visitMethodInsn：调用方法的指令，这里调用TraceTag的i方法
      mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, TraceBuildConstants.MATRIX_TRACE_METHOD_BEAT_CLASS, "i", "(Ljava/lang/String;)V", false);
    }
  }
  
  // 退出方法
  protected void onMethodExit(int opcode) {
    TraceMethod traceMethod = mCollectedMethodMap.get(methodName);
    if (traceMethod != null) {
      traceMethodCount.incrementAndGet();
      // visitMethodInsn：调用方法的指令，这里调用TraceTag的o方法
      mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, TraceBuildConstants.MATRIX_TRACE_METHOD_BEAT_CLASS, "o", "()V", false);
    }
  }
}