android性能分析之Systrace

启动

-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的功能包括跟踪系统的I/O操作、内核工作队列、CPU负载以及Android各个子系统的运行状况（如surfaceflinger、WindowManagerService等Framework部分关键模块、服务）等,。
在Android平台中，它主要由3部分组成：

• 内核部分：Systrace利用了Linux Kernel中的ftrace功能。必须开启kernel中和ftrace相关的模块。
• 数据采集部分：Android定义了一个Trace类。应用程序可利用该类把统计信息输出给ftrace。同时，Android还有一个atrace程序，它可以从ftrace中读取统计信息然后交给数据分析工具来处理。
• 数据分析工具：Android 提供一个 systrace.py（ python 脚本文件，位于 Android SDK目录/platform-tools/systrace 中，其内部将调用 atrace 程序）用来配置数据采集的方式（如采集数据的标签、输出文件名等）和收集 ftrace 统计数据并生成一个结果网页文件供用户查看。 从本质上说，Systrace 是对 Linux Kernel中 ftrace 的封装。应用进程需要利用 Android 提供的 Trace 类来使用 Systrace.。

关于 Systrace 的官方介绍和使用可以看这里
了解 Systrace
Systrace 概览

添加代码的跟踪方式native和java
native层用法

头文件：<utils/Trace.h>
定义ATRACE_TAG：如使用了ATRACE_TAG_GRAPHICS，表示它和Graphics相关。
ATRACE_INIT：用于统计某个变量使用的情况。ATRACE_INIT(“变量TAG”， 变量名)
ATRACE_CALL：用于统计函数的调用情况ATRACE_CALL()

app层

Trace.beginSection(“Fragement_onCreateView”);
// … 其他代码
// …
// … 结束处
Trace.endSection()
然后通过指令：python systrace.py --app=sectionName 指定APK，或者通过DDMS选择指定APK，抓取systrace分析

Java framework层

Trace.traceBegin(long traceTag, String methodName)
Trace.traceEnd(long traceTag)

打开方式：
进入Android/Sdk/platform-tools/systrace目录下
python systrace.py [options] [category1] [category2] … [categoryN]

[options]”是一些命令参数；“[category]”等是你感兴趣的系统模块，比如view代表View系统（包含绘制流程），am代表ActivityManager（包含Activity的创建过程等
如：python systrace.py --time=10 -o mynewtrace.html sched gfx view wm

要在 Pixel/Pixel XL 上调试抖动问题，请从以下命令开始：

./systrace.py sched freq idle am wm gfx view sync binder_driver irq workq input -b 96000
如果报错apt-get install python-six，请执行sudo apt-get install python-six

options:

options	描述
-o < FILE >	输出的目标文件
-t N, –time=N	执行时间，默认5s
-b N, –buf-size=N	buffer大小（单位kB),用于限制trace总大小，默认无上限
-k < KFUNCS >，–ktrace=< KFUNCS >	追踪kernel函数，用逗号分隔
-a < APP_NAME >,–app=< APP_NAME >	追踪应用包名，用逗号分隔
–from-file=< FROM_FILE >	从文件中创建互动的systrace
-e < DEVICE_SERIAL >,–serial=< DEVICE_SERIAL >	指定设备
-l, –list-categories	列举可用的tags

category常用取值

sched：CPU调度的信息，非常重要；你能看到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。
gfx：Graphic系统的相关信息，包括SurfaceFlinger，VSYNC消息，Texture，RenderThread等；分析卡顿非常依赖这个。
view：View绘制系统的相关信息，比如onMeasure，onLayout等；对分析卡顿比较有帮助。
am：ActivityManager调用的相关信息；用来分析Activity的启动过程比较有效。
dalvik： 虚拟机相关信息，比如GC停顿等。
binder_driver：Binder驱动的相关信息，如果你怀疑是Binder IPC的问题，不妨打开这个。
core_services：SystemServer中系统核心Service的相关信息，分析特定问题用。
input： Input
webview ： WebView
wm ： Window Manager
audio： Audio
video ： Video
camera ： Camera
hal ： Hardware Modules
res ： Resource Loading
rs ： RenderScript
freq ： CPU Frequency
membus ： Memory Bus Utilization
idle ： CPU Idle
disk ： Disk input and output
load ： CPU Load
sync ： Synchronization Manager

我们一般会把这个命令配置成Alias，配置如下：

alias st-start=‘python /sdk/platform-tools/systrace/systrace.py’
alias st-start-gfx-trace = ‘st-start -t 8 gfx input view sched freq wm am hwui workq res dalvik sync disk load perf hal rs idle mmc’

这样在使用的时候，可以直接敲 st-start 即可，当然为了区分和保持各个文件，还需要加上 -o xxx.html .上面的命令和参数不必一次就理解，只需要记住如何简单使用即可，在分析的过程中，这些东西都会慢慢熟悉的。

一般来说比较常用的是

-o : 指示输出文件的路径和名字
-t : 抓取时间
-b : 指定 buffer 大小
-a : 指定 app 包名

快捷键使用

快捷键的使用可以加快查看 Systrace 的速度,下面是一些常用的快捷键

• W : 放大 Systrace , 放大可以更好地看清局部细节
• S : 缩小 Systrace, 缩小以查看整体
• A : 左移
• D : 右移
• M : 高亮选中当前鼠标点击的段(这个比较常用,可以快速标识出这个方法的左右边界和执行时间,方便上下查看)

鼠标模式快捷切换 : 主要是针对鼠标的工作模式进行切换 , 默认是 1 ,也就是选择模式,查看 Systrace 的时候,需要经常在各个模式之间切换 , 所以点击切换模式效率比较低,直接用快捷键切换效率要高很多

• 数字键1 : 切换到 Selection 模式 , 这个模式下鼠标可以点击某一个段查看其详细信息, 一般打开 Systrace 默认就是这个模式 , 也是最常用的一个模式 , 配合 M 和 ASDW 可以做基本的操作
• 数字键2 : 切换到 Pan 模式 , 这个模式下长按鼠标可以左右拖动, 有时候会用到
• 数字键3 : 切换到 Zoom 模式 , 这个模式下长按鼠标可以放大和缩小, 有时候会用到
• 数字键4 : 切换到 Timing 模式 , 这个模式下主要是用来衡量时间的,比如选择一个起点, 选择一个终点, 查看起点和终点这中间的操作所花费的时间.

线程状态查看

Systrace 会用不同的颜色来标识不同的线程状态, 在每个方法上面都会有对应的线程状态来标识目前线程所处的状态.
通过查看线程状态我们可以知道目前的瓶颈是什么, 是 CPU 执行慢还是因为 Binder 调用, 又或是进行 IO 操作, 又或是拿不到 CPU 时间片

线程状态主要有下面几个

• 绿色 : 运行中

只有在该状态的进程才可能在CPU上运行。而同一时刻可能有多个进程处于可执行状态，这些进程的task_struct结构（进程控制块）被放入对应CPU的可执行队列中（一个进程最多只能出现在一个CPU的可执行队列中）。进程调度器的任务就是从各个CPU的可执行队列中分别选择一个进程在该CPU上运行。
作用：我们经常会查看 Running 状态的线程，查看其运行的时间，与竞品做对比，分析快或者慢的原因：

• 是否频率不够？
• 是否跑在了小核上？
• 是否频繁在 Running 和 Runnable 之间切换？为什么？
• 是否频繁在 Running 和 Sleep 之间切换？为什么？
• 是否跑在了不该跑的核上面？比如不重要的线程占用了超大核
  

• 蓝色 : 可运行

线程可以运行但当前没有安排，在等待 cpu 调度
作用：Runnable 状态的线程状态持续时间越长，则表示 cpu 的调度越忙，没有及时处理到这个任务：

• 是否后台有太多的任务在跑？
• 没有及时处理是因为频率太低？
• 没有及时处理是因为被限制到某个 cpuset 里面，但是 cpu 很满？
• 此时 Running 的任务是什么？为什么？
  

• 白色 : 休眠中

线程没有工作要做，可能是因为线程在互斥锁上被阻塞。
作用 ： 这里一般是在等事件驱动

• 橘色 : 不可中断的睡眠态 IO Block

线程在I / O上被阻塞或等待磁盘操作完成，一般底线都会标识出此时的 callsite ：wait_on_page_locked_killable
作用：这个一般是标示 IO 操作慢，如果有大量的橘色不可中断的睡眠态出现，那么一般是由于进入了低内存状态，申请内存的时候触发 pageFault, linux 系统的 page cache 链表中有时会出现一些还没准备好的 page(即还没把磁盘中的内容完全地读出来) , 而正好此时用户在访问这个 page 时就会出现 wait_on_page_locked_killable 阻塞了. 只有系统当 io 操作很繁忙时, 每笔的 io 操作都需要等待排队时, 极其容易出现且阻塞的时间往往会比较长.

• 紫色 : 不可中断的睡眠态

线程在另一个内核操作（通常是内存管理）上被阻塞。
作用：一般是陷入了内核态，有些情况下是正常的，有些情况下是不正常的，需要按照具体的情况取分析

进程唤醒信息分析

Systrace 会标识出一个非常有用的信息，可以帮助我们进行跨进程调用相关的分析。

一个进程被唤醒的信息往往比较重要，知道他被谁唤醒，那么我们也就知道了他们之间的调用等待关系，如果出现一段比较长的 sleep 情况，然后被唤醒，那么我们就可以去看是谁唤醒了这个线程，对应的就可以查看唤醒者的信息，看看为什么唤醒者这么晚才唤醒。

一个常见的情况是：应用进程使用 Binder 与 SystemServer 的 AMS 线程进行通信，但是恰好 AMS 的这个函数正在等待锁释放（或者这个函数本身执行时间很长），那么应用进程就需要等待比较长的时间，如果恰好是应用进程的主线程在进行等待，那么就会出现性能问题，比如响应慢或者卡顿，这就是为什么后台有大量的进程在运行，或者跑完 Monkey 之后，整机性能会下降的一个主要原因。

Systrace 可以标示出这个的一个原因是，一个任务在进入 Running 状态之前，会先进入 Runnable 状态进行等待，而 Systrace 会把这个状态也标示在 Systrace 上（非常短，需要放大进行看）

拉到最上面查看对应的 cpu 上的 taks 信息，会标识这个 task 在被唤醒之前的状态

顺便贴一下 Linux 常见的进程状态

• D 无法中断的休眠状态（通常 IO 的进程）；
• R 正在可运行队列中等待被调度的；
• S 处于休眠状态；
• T 停止或被追踪；
• W 进入内存交换 （从内核2.6开始无效）；
• X 死掉的进程 （基本很少見）；
• Z 僵尸进程；
• < 优先级高的进程
• N 优先级较低的进程
• L 有些页被锁进内存；
• s 进程的领导者（在它之下有子进程）；
• l 多进程的（使用 CLONE_THREAD, 类似 NPTL pthreads）；
• 01 位于后台的进程组；

信息区数据解析

进程状态信息解析

函数 Slice 信息解析

Counter Sample 信息解析

Async Slice 信息解析

CPU Slice 信息解析

User Expectation 信息解析
位于整个 Systrace 最上面的部分,标识了 Rendering Response 和 Input Response