android:App卡顿监控的技术原理

目前业界主流的几种有效的监控方式如下：

• 子线程不断轮询主线程。

• Looper Printer

• Choreographer FrameCallback

方 式1

我们可以开一个子线程不断去轮询主线程，原理和实现方法也很简单：就是不断向主线程发送Message，每隔一段时间检查一次刚刚发送的消息是否被处理，如果没被处理，说明这段时间主线程被卡住了。

这种方式优点就是：实现简单，能够监控各种类型的卡顿，缺点就是：使用轮询方式，不够优雅，而且轮询时间长短不好确定，时间间隔越短，对性能影响越大，反之，容易漏报。

原因：如我的轮询间隔设了3s，在1.5s~4.5s发生了卡顿，我是监测不到的，因为0～3s 和 3s ~ 6s 都有不卡顿的地方，发送的Message 都能被处理掉, 所以当我设置卡顿阈值为 3s 时, 这个卡顿就被漏报了。没什么特别好办法，只能调整时间阈值与漏报率达到一个平衡。

代码片段：

class UiMonitorThread implements Runnable {    @Override public void run() {        while (isRunning) {            // 每隔 1.5s 往主线程发一次消息            uiMonitorHandler.sendEmptyMessage(id);            try {                Thread.sleep(1500);            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }            // 如果连续两次消息都没被处理掉，则认为发生了卡顿            checkMessageHandled();        }    }}

方式2

我们可以使用系统方法 setMessageLogging 替换掉主线程 Looper 的 Printer 对象，通过计算 Printer 打印日志的时间差，来拿到系统 dispatchMessage 方法的执行时间。

Looper.getMainLooper().setMessageLogging(str -> {    // 计算相邻两次日志时间间隔});

这种方式的优点就是：实现简单，不会漏报，缺点就是，一些类型的卡顿无法被监控到。

android.os.Looper#loop() 源码片段:

通过代码可看到，仅监控 dispatchMessage 并不能cover 住所有卡顿，mQueue.next 注释很清楚了，might block。其中包括：nativePollOnce 方法和 idler.queueIdle()方法。其中me.mQueue.next 源码片段：

nativePollOnce 方法很重要，除了主线程空闲时会阻塞在这里，view 的touch事件也都是在这里被处理的。所以如果应用内包含了很多自定义 view，或处理了很多 onTouch 事件，就很难接受了。

不仅这样，Native Message 也会卡在 nativePollOnce 方法内，所以同样无法监控到。

queueIdle() 方法会在主线程空闲的时候被调用，所以如果我们在这里有耗时操作，也有可能引起卡顿的，而这种卡顿同样无法监控。

另一种引起卡顿的场景：就是常说的同步屏障了（第一次听到这个名字一脸懵逼）。我们 Message 默认都是同步消息，当我们调用 invalidate 来刷新UI 时，最终都会调用到 ViewRootImpl中的scheduleTraversals 方法，会向主线程 Looper postSyncBarrier 插入同步屏障消息，目的是刷新 UI 时，让 Looper 中的同步消息都被跳过，使渲染UI的同步屏障消息得到优先处理。

为啥说同步屏障会引起卡顿了，根据代码可看到，scheduleTraversals 方法和 unscheduleTraversals 是配对的，但都不是线程安全的方法。如果在异步线程 invalidate，导致多次执行 scheduleTraversals 方法，而 unscheduleTraversals 又只能移除最后的 mTraversalBarrier，那就会造成主线程的 Looper 的同步消息一直得不到处理，从而引起卡死。

虽然说了这么多问题，但是呢，作为一个主流的监控方案，一些缺陷已经有了解决方案。

• nativePollOnce 的 onTouchEvent监控

我们可以通过ELF Hook, hook 到 libinput.so 的 recvform 和 sendto 方法，用我们自己的方法替换，在这里做监控，当调用 recvform 方法时，说明我们的应用接收到了 onTouch 事件，当被调用 sendto 方法时，说明 onTouch 事件已经被消费。

关于系统的 input 系统，后续文章会介绍。

• IdleHandler#queueIdle 监控

看源码可知，ArrayList mIdleHandlers 保存着全部我们所需的 IdleHandler，那么我们完全可以通过反射赋值成我们自己的MyArrayList，并重写 MyArrayList 的 add 方法，是不是就可以监控到每个被添加的 IdleHandler呢？

在 add 方法内拿到被添加的 IdleHandler 后，我们就可以监控 queueIdle 方法执行的时间了，代码片段：

static class MyArrayList<E> extends ArrayList {    @Override    public boolean add(Object o) {        if (o instanceof MessageQueue.IdleHandler) {            super.add(new MyIdleHandler((MessageQueue.IdleHandler)o));        }        return super.add(o);    }}
static class MyIdleHandler implements MessageQueue.IdleHandler {    private final MessageQueue.IdleHandler idleHandler;    MyIdleHandler(MessageQueue.IdleHandler idleHandler) {        this.idleHandler = idleHandler;    }    @Override    public boolean queueIdle() {        // 监控 idleHandler.queueIdle() 耗时即可        return this.idleHandler.queueIdle();    }}

• 同步屏障卡死监控

我们可以定时的通过反射去拿 MessageQueue 的 mMessages，如果发现 mMessages.target=null，并且 mMessages.when 已经很长时间了，就有可能发生同步屏障消息泄漏了，这时我们可以再主动向主线程Looper 发送一个同步消息和一个异步消息，如果同步消息无法执行，但异步消息被处理，这时基本可以确定泄漏了。

我们可以通过反射去 removeSyncBarrier(token)，其中token 为 mMessages.arg1。

方式3

Android 从4.1开始加入 Choreographer 用于同 VSync 机制配合，实现统一调度绘制界面。我们可以设置 Choreographer 类的 FrameCallback 函数，当每一帧被渲染时会触发 FrameCallback 回调，FrameCallback 回调 doFrame(long frameTimeNanos) 函数，一次界面渲染会回调 doFrame，如果两次 doFrame 间隔大于16.6ms 则发生了卡顿。而 1s 内有多少次 callback，就代表了实际的帧率。

Choreographer.getInstance().postFrameCallback(new Choreographer.FrameCallback() {    @Override    public void doFrame(long frameTimeNanos) {        // 这里可以统计相邻间隔，判断卡顿，也可以统计doFrame 帧率        Choreographer.getInstance().postFrameCallback(this);    }});

这种方式优点：使用简单，不仅支持卡顿监控，还支持计算帧率。缺点就是：需要另开子线程来获取堆栈信息，会消耗部分系统资源。