iOS之如何利用 RunLoop 原理去监控卡顿?

前言

卡顿问题，就是在主线程上无法响应用户交互的问题。如果一个 App 时不时地就给你卡一下，有时还长时间无响应，这时你还愿意继续用它吗?所以说，卡顿问题对 App 的伤害是巨大的，也是我们必须要重点解决的一个问题。

卡顿原因

现在，我们先来看一下导致卡顿问题的几种原因:

复杂 UI 、图文混排的绘制量过大;
在主线程上做网络同步请求;
在主线程做大量的 IO 操作;
运算量过大，CPU 持续高占用;
死锁和主子线程抢锁。

那么，我们如何监控到什么时候会出现卡顿呢?是要监视FPS吗?
FPS 是一秒显示的帧数，也就是一秒内画面变化数量。当FPS达到60，说明界面很流程，当FPS低于24，页面流畅度不是那么流畅，但是不能说卡主了。

由此可见，简单地通过监视 FPS 是很难确定是否会出现卡顿问题了，所以我就果断弃了通过监视 FPS 来监控卡顿的方案。

那么，我们到底应该使用什么方案来监控卡顿呢?

使用RunLoop来检控卡顿

对于 iOS 开发来说，监控卡顿就是要去找到主线程上都做了哪些事儿。我们都知道，线程的消息事件是依赖于 NSRunLoop 的，所以从 NSRunLoop 入手，就可以知道主线程上都调用了哪些方法。我们通过监听 NSRunLoop 的状态，就能够发现调用方法是否执行时间过长，从而判断出是否会出现卡顿。

所以，我推荐的监控卡顿的方案是:通过监控 RunLoop 的状态来判断是否会出现卡顿。

Runloop

RunLoop是iOS开发中的一个基础概念，为了帮助你理解并用好这个对象，接下来我会先和你介绍一下它可以做哪些事儿，以及它为什么可以做成这些事儿。

RunLoop 这个对象，在 iOS 里由 CFRunLoop 实现。简单来说，RunLoop 是用来监听输入源，进行调度处理的。这里的输入源可以是输入设备、网络、周期性或者延迟时间、异步回调。

RunLoop 会接收两种类型的输入源：

一种是来自另一个线程或者来自不同应用的异步消息;
另一种是来自预订时间或者重复间隔的同步事件。

RunLoop 的目的是，当有事件要去处理时保持线程忙，当没有事件要处理时让线程进入休眠。所以，了解 RunLoop 原理不光能够运用到监控卡顿上，还可以提高用户的交互体验。通过将那些繁重而不紧急会大量占用 CPU 的任务(比如图片加载)，放到空闲的 RunLoop 模式里执行，这样就可以避开在 UITrackingRunLoopMode 这个 RunLoop 模式时是执行。

UITrackingRunLoopMode 是用户进行滚动操作时会切换到的 RunLoop 模式，避免在这个 RunLoop 模式执行繁重的 CPU 任务，就能避免影响用户交互操作上体验。

接下来，我就通过 CFRunLoop 的源码来跟你分享下 RunLoop 的原理吧。

RunLoop原理

其内部代码整理如下：

/// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
 
/// 用指定的Mode启动，允许设置RunLoop超时时间
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
 
/// RunLoop的实现
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
    
    /// 首先根据modeName找到对应mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里没有source/timer/observer, 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
    
    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    /// 内部函数，进入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
        
        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {
 
            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
            /// 4. RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
 
            /// 5. 如果有 Source1 (基于port) 处于 ready 状态，直接处理这个 Source1 然后跳转去处理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }
            
            /// 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
            
            /// 7. 调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
            /// • 一个基于 port 的Source 的事件。
            /// • 一个 Timer 到时间了
            /// • RunLoop 自身的超时时间到了
            /// • 被其他什么调用者手动唤醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }
 
            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
            
            /// 收到消息，处理消息。
            handle_msg:
 
            /// 9.1 如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 
 
            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，执行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 
 
            /// 9.3 如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }
            
            /// 执行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
 
            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 进入loop时参数说处理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出传入参数标记的超时时间了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部调用者强制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer/observer一个都没有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }
            
            /// 如果没超时，mode里没空，loop也没被停止，那继续loop。
        } while (retVal == 0);
    }
    
    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

可以看到，实际上 RunLoop 就是这样一个函数，其内部是一个 do-while 循环。当你调用 CFRunLoopRun() 时，线程就会一直停留在这个循环里；直到超时或被手动停止，该函数才会返回。

RunLoop内部的逻辑图：

RunLoop内部原理.png

如何检测卡顿

首先知道RunLoop的六个状态

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即将进入Loop
    kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1), // 即将处理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将处理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6), // 刚从休眠中唤醒
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即将退出Loop
kCFRunLoopAllActivities // loop所有状态改变

};

要想监听RunLoop，你就首先需要创建一个 CFRunLoopObserverContext 观察者，代码如下:

- (void)registerObserver {
    
    CFRunLoopObserverContext context = {0,(__bridge void*)self,NULL,NULL};
    //创建Run loop observer对象
    //第一个参数用于分配observer对象的内存
    //第二个参数用以设置observer所要关注的事件，详见回调函数myRunLoopObserver中注释
    //第三个参数用于标识该observer是在第一次进入run loop时执行还是每次进入run loop处理时均执行
    //第四个参数用于设置该observer的优先级
    //第五个参数用于设置该observer的回调函数
    //第六个参数用于设置该observer的运行环境
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
                                                            kCFRunLoopAllActivities,
                                                            YES,
                                                            0,
                                                            &runLoopObserverCallBack,
                                                            &context);
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);

}

实时获取变化的回调的方法：


//每当runloop状态变化的触发这个回调方法
static void runLoopObserverCallBack(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info) {
    MyClass *object = (__bridge MyClass*)info;
    object->activity = activity;
}

其中UI主要集中在_CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION(source0)和CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION(source1)之前。

获取kCFRunLoopBeforeSources到kCFRunLoopBeforeWaiting再到kCFRunLoopAfterWaiting的状态就可以知道是否有卡顿的情况。

检测卡顿的思路

只需要另外再开启一个线程,实时计算这两个状态区域之间的耗时是否到达某个阀值,便能揪出这些性能杀手。

监听runloop状态变化回调方法

// 就是runloop有一个状态改变 就记录一下
static void runLoopObserverCallBack(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info) {
    BGPerformanceMonitor *monitor = (__bridge BGPerformanceMonitor*)info;
    
    // 记录状态值
    monitor->activity = activity;
    
    // 发送信号
    dispatch_semaphore_t semaphore = monitor->semaphore;
    long st = dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    NSLog(@"dispatch_semaphore_signal:st=%ld,time:%@",st,[BGPerformanceMonitor getCurTime]);
    

       /* Run Loop Observer Activities */
//    typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
//        kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),    // 进入RunLoop循环(这里其实还没进入)
//        kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),  // RunLoop 要处理timer了
//        kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // RunLoop 要处理source了
//        kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // RunLoop要休眠了
//        kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),   // RunLoop醒了
//        kCFRunLoopExit = (1UL << 7),           // RunLoop退出（和kCFRunLoopEntry对应）
//        kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU //RunLoop状态变化
//    };
    if (activity == kCFRunLoopEntry) {  // 即将进入RunLoop
        NSLog(@"runLoopObserverCallBack - %@",@"kCFRunLoopEntry");
    } else if (activity == kCFRunLoopBeforeTimers) {    // 即将处理Timer
        NSLog(@"runLoopObserverCallBack - %@",@"kCFRunLoopBeforeTimers");
    } else if (activity == kCFRunLoopBeforeSources) {   // 即将处理Source
        NSLog(@"runLoopObserverCallBack - %@",@"kCFRunLoopBeforeSources");
    } else if (activity == kCFRunLoopBeforeWaiting) {   //即将进入休眠
        NSLog(@"runLoopObserverCallBack - %@",@"kCFRunLoopBeforeWaiting");
    } else if (activity == kCFRunLoopAfterWaiting) {    // 刚从休眠中唤醒
        NSLog(@"runLoopObserverCallBack - %@",@"kCFRunLoopAfterWaiting");
    } else if (activity == kCFRunLoopExit) {    // 即将退出RunLoop
        NSLog(@"runLoopObserverCallBack - %@",@"kCFRunLoopExit");
    } else if (activity == kCFRunLoopAllActivities) {
        NSLog(@"runLoopObserverCallBack - %@",@"kCFRunLoopAllActivities");
    }
}

开启runloop监听


// 开始监听
- (void)startMonitor {
    if (observer) {
        return;
    }
    
    // 创建信号
    semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
    NSLog(@"dispatch_semaphore_create:%@",[BGPerformanceMonitor getCurTime]);
    
    // 注册RunLoop状态观察
    CFRunLoopObserverContext context = {0,(__bridge void*)self,NULL,NULL};
    //创建Run loop observer对象
    //第一个参数用于分配observer对象的内存
    //第二个参数用以设置observer所要关注的事件，详见回调函数myRunLoopObserver中注释
    //第三个参数用于标识该observer是在第一次进入run loop时执行还是每次进入run loop处理时均执行
    //第四个参数用于设置该observer的优先级
    //第五个参数用于设置该observer的回调函数
    //第六个参数用于设置该observer的运行环境
    observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
                                       kCFRunLoopAllActivities,
                                       YES,
                                       0,
                                       &runLoopObserverCallBack,
                                       &context);
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
    
    // 在子线程监控时长
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (YES) {   // 有信号的话 就查询当前runloop的状态
            // 假定连续5次超时50ms认为卡顿(当然也包含了单次超时250ms)
            // 因为下面 runloop 状态改变回调方法runLoopObserverCallBack中会将信号量递增 1,所以每次 runloop 状态改变后,下面的语句都会执行一次
            // dispatch_semaphore_wait:Returns zero on success, or non-zero if the timeout occurred.
            long st = dispatch_semaphore_wait(semaphore, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 50*NSEC_PER_MSEC));
            NSLog(@"dispatch_semaphore_wait:st=%ld,time:%@",st,[self getCurTime]);
            if (st != 0) {  // 信号量超时了 - 即 runloop 的状态长时间没有发生变更,长期处于某一个状态下
                if (!observer) {
                    timeoutCount = 0;
                    semaphore = 0;
                    activity = 0;
                    return;
                }
                NSLog(@"st = %ld,activity = %lu,timeoutCount = %d,time:%@",st,activity,timeoutCount,[self getCurTime]);
                // kCFRunLoopBeforeSources - 即将处理source kCFRunLoopAfterWaiting - 刚从休眠中唤醒
                // 获取kCFRunLoopBeforeSources到kCFRunLoopBeforeWaiting再到kCFRunLoopAfterWaiting的状态就可以知道是否有卡顿的情况。
                // kCFRunLoopBeforeSources:停留在这个状态,表示在做很多事情
                if (activity == kCFRunLoopBeforeSources || activity == kCFRunLoopAfterWaiting) {    // 发生卡顿,记录卡顿次数
                    if (++timeoutCount < 5) {
                        continue;   // 不足 5 次,直接 continue 当次循环,不将timeoutCount置为0
                    }
                    
                    
                    // 收集Crash信息也可用于实时获取各线程的调用堆栈
                    PLCrashReporterConfig *config = [[PLCrashReporterConfig alloc] initWithSignalHandlerType:PLCrashReporterSignalHandlerTypeBSD symbolicationStrategy:PLCrashReporterSymbolicationStrategyAll];
                    
                    PLCrashReporter *crashReporter = [[PLCrashReporter alloc] initWithConfiguration:config];
                    
                    NSData *data = [crashReporter generateLiveReport];
                    PLCrashReport *reporter = [[PLCrashReport alloc] initWithData:data error:NULL];
                    NSString *report = [PLCrashReportTextFormatter stringValueForCrashReport:reporter withTextFormat:PLCrashReportTextFormatiOS];
                    
                    NSLog(@"---------卡顿信息\n%@\n--------------",report);
                }
            }
            NSLog(@"dispatch_semaphore_wait timeoutCount = 0，time:%@",[self getCurTime]);
            timeoutCount = 0;
        }
    });
}

记录卡顿的函数调用

监控到了卡顿现场,当然下一步便是记录此时的函数调用信息,此处可以使用一个第三方Crash收集组件PLCrashReporter,它不仅可以收集Crash信息也可用于实时获取各线程的调用堆栈,示例如下:


PLCrashReporterConfig *config = [[PLCrashReporterConfig alloc] initWithSignalHandlerType:PLCrashReporterSignalHandlerTypeBSD
                                                                   symbolicationStrategy:PLCrashReporterSymbolicationStrategyAll];
PLCrashReporter *crashReporter = [[PLCrashReporter alloc] initWithConfiguration:config];
NSData *data = [crashReporter generateLiveReport];
PLCrashReport *reporter = [[PLCrashReport alloc] initWithData:data error:NULL];
NSString *report = [PLCrashReportTextFormatter stringValueForCrashReport:reporter
                                                          withTextFormat:PLCrashReportTextFormatiOS];
NSLog(@"------------\n%@\n------------", report);

当检测到卡顿时,抓取堆栈信息,然后在客户端做一些过滤处理,便可以上报到服务器,通过收集一定量的卡顿数据后经过分析便能准确定位需要优化的逻辑,这个实时卡顿监控就大功告成了!

结尾

通过Runloop来检测卡顿，还是很有必要的。对提高app的用户使用体验还是很有帮助的。毕竟卡顿是偶显的不容易复现。所以检测卡顿来来抓取堆栈信息，分析并解决卡顿，还是很有必要的。