電腦知識網: Android APP 性能優化的一些思考

說到 Android 系統手機，大部分人的印象是用了一段時間就變得有點卡頓，有些程序在運行期間莫名其妙的出現崩潰，打開系統文件夾一看，發現多了很多文件，然後用手機管家 APP 不斷地進行清理優化，才感覺運行速度稍微提高了點，就算手機在各種性能跑分軟體面前分數遙遙領先，還是感覺無論有多大的內存空間都遠遠不夠用。相信每個使用 Android 系統的用戶都有過以上類似經歷，確實，Android 系統在流暢性方面不如 IOS 系統，為何呢，明明在看手機硬體配置上時，Android 設備都不會輸於 IOS 設備，甚至都強於它，關鍵是在於軟體上。造成這種現象的原因是多方面的，簡單羅列幾點如下：

其實近年來，隨著 Android 版本不斷迭代，Google 提供的Android 系統已經越來越流暢，目前最新發布的版本是 Android 8.0 Oreo 。但是在國內大部分用戶用的 Android 手機系是各大廠商定製過的版本，往往不是最新的原生系統內核，可能絕大多數還停留在 Android 5.0 系統上，甚至 Android 6.0 以上所佔比例還偏小，更新存在延遲性。

由於 Android 系統源碼是開放的，每個人只要遵從相應的協議，就可以對源碼進行修改，那麼國內各個廠商就把基於 Android 源碼改造成自己對外發布的系統，比如我們熟悉的小米手機 Miui 系統、華為手機 EMUI 系統、Oppo 手機 ColorOS 系統等。由於每個廠商都修改過 Android 原生系統源碼，這裡面就會引發一個問題，那就是著名的Android 碎片化問題，本質就是不同 Android 系統的應用兼容性不同，達不到一致性。

由於存在著各種 Android 碎片化和兼容性問題，導致 Android 開發者在開發應用時需要對不同系統進行適配，同時每個 Android 開發者的開發水平參差不齊，寫出來的應用性能也都存在不同類型的問題，導致用戶在使用過程中用戶體驗感受不同，那麼有些問題用戶就會轉化為 Android 系統問題，進而影響對Android 手機的評價。

性能優化

今天想說的重點是Android APP 性能優化，也就是在開發應用程序時應該注意的點有哪些，如何更好地提高用戶體驗。一個好的應用，除了要有吸引人的功能和交互之外，在性能上也應該有高的要求，即時應用非常具有特色，在產品前期可能吸引了部分用戶，但是用戶體驗不好的話，也會給產品帶來不好的口碑。那麼一個好的應用應該如何定義呢?主要有以下三方面：

業務/功能

符合邏輯的交互

優秀的性能

眾所周知，Android 系統作為以移動設備為主的操作系統，硬體配置是有一定的限制的，雖然配置現在越來越高級，但仍然無法與 PC 相比，在 CPU 和內存上使用不合理或者耗費資源多時，就會碰到內存不足導致的穩定性問題、CPU 消耗太多導致的卡頓問題等。

面對問題時，大家想到的都是聯繫用戶，然後查看日誌，但殊不知有關性能類問題的反饋，原因也非常難找，日誌大多用處不大，為何呢?因為性能問題大部分是非必現的問題，問題定位很難復現，而又沒有關鍵的日誌，當然就無法找到原因了。這些問題非常影響用戶體驗和功能使用，所以了解一些性能優化的一些解決方案就顯得很重要了，並在實際的項目中優化我們的應用，進而提高用戶體驗。

四個方面

可以把用戶體驗的性能問題主要總結為4個類別：

流暢

穩定

省電、省流量

安裝包小

性能問題的主要原因是什麼，原因有相同的，也有不同的，但歸根到底，不外乎內存使用、代碼效率、合適的策略邏輯、代碼質量、安裝包體積這一類問題，整理歸類如下：

Android APP 性能優化的一些思考

性能優化圖

從圖中可以看到，打造一個高質量的應用應該以4個方向為目標：快、穩、省、小。

快：使用時避免出現卡頓，響應速度快，減少用戶等待的時間，滿足用戶期望。

穩：減低 crash 率和 ANR 率，不要在用戶使用過程中崩潰和無響應。

省：節省流量和耗電，減少用戶使用成本，避免使用時導致手機發燙。

小：安裝包小可以降低用戶的安裝成本。

要想達到這4個目標，具體實現是在右邊框里的問題：卡頓、內存使用不合理、代碼質量差、代碼邏輯亂、安裝包過大，這些問題也是在開發過程中碰到最多的問題，在實現業務需求同時，也需要考慮到這點，多花時間去思考，如何避免功能完成後再來做優化，不然的話等功能實現後帶來的維護成本會增加。

卡頓優化

Android 應用啟動慢，使用時經常卡頓，是非常影響用戶體驗的，應該盡量避免出現。卡頓的場景有很多，按場景可以分為4類：UI 繪製、應用啟動、頁面跳轉、事件響應，如圖：

Android APP 性能優化的一些思考

卡頓場景

這4種卡頓場景的根本原因可以分為兩大類：

界面繪製。主要原因是繪製的層級深、頁面複雜、刷新不合理，由於這些原因導致卡頓的場景更多出現在 UI 和啟動後的初始界面以及跳轉到頁面的繪製上。

數據處理。導致這種卡頓場景的原因是數據處理量太大，一般分為三種情況，一是數據在處理 UI 線程，二是數據處理佔用 CPU 高，導致主線程拿不到時間片，三是內存增加導致 GC 頻繁，從而引起卡頓。

引起卡頓的原因很多，但不管怎麼樣的原因和場景，最終都是通過設備屏幕上顯示來達到用戶，歸根到底就是顯示有問題，所以，要解決卡頓，就要先了解 Android 系統的顯示原理。

Android系統顯示原理

Android 顯示過程可以簡單概括為：Android 應用程序把經過測量、布局、繪製後的 surface 緩存數據，通過 SurfaceFlinger 把數據渲染到顯示屏幕上，通過 Android 的刷新機制來刷新數據。也就是說應用層負責繪製，系統層負責渲染，通過進程間通信把應用層需要繪製的數據傳遞到系統層服務，系統層服務通過刷新機制把數據更新到屏幕上。

我們都知道在 Android 的每個 View 繪製中有三個核心步驟：Measure、Layout、Draw。具體實現是從 ViewRootImp 類的performTraversals() 方法開始執行，Measure 和 Layout都是通過遞歸來獲取 View 的大小和位置，並且以深度作為優先順序，可以看出層級越深、元素越多、耗時也就越長。

真正把需要顯示的數據渲染到屏幕上，是通過系統級進程中的 SurfaceFlinger 服務來實現的，那麼這個SurfaceFlinger 服務主要做了哪些工作呢?如下：

響應客戶端事件，創建 Layer 與客戶端的 Surface 建立連接。

接收客戶端數據及屬性，修改 Layer 屬性，如尺寸、顏色、透明度等。

將創建的 Layer 內容刷新到屏幕上。

維持 Layer 的序列，並對 Layer 最終輸出做出裁剪計算。

既然是兩個不同的進程，那麼肯定是需要一個跨進程的通信機制來實現數據傳遞，在 Android 顯示系統中，使用了 Android 的匿名共享內存：SharedClient，每一個應用和 SurfaceFlinger 之間都會創建一個SharedClient ，然後在每個 SharedClient 中，最多可以創建 31 個 SharedBufferStack，每個 Surface 都對應一個 SharedBufferStack，也就是一個 Window。

一個 SharedClient 對應一個Android 應用程序，而一個 Android 應用程序可能包含多個窗口，即 Surface 。也就是說 SharedClient 包含的是 SharedBufferStack的集合，其中在顯示刷新機制中用到了雙緩衝和三重緩衝技術。最後總結起來顯示整體流程分為三個模塊：應用層繪製到緩存區，SurfaceFlinger 把緩存區數據渲染到屏幕，由於是不同的進程，所以使用 Android 的匿名共享內存 SharedClient 緩存需要顯示的數據來達到目的。

除此之外，我們還需要一個名詞：FPS。FPS 表示每秒傳遞的幀數。在理想情況下，60 FPS 就感覺不到卡，這意味著每個繪製時長應該在16 ms 以內。但是 Android 系統很有可能無法及時完成那些複雜的頁面渲染操作。Android 系統每隔 16ms 發出 VSYNC 信號，觸發對 UI 進行渲染，如果每次渲染都成功，這樣就能夠達到流暢的畫面所需的 60FPS。如果某個操作花費的時間是 24ms ，系統在得到 VSYNC 信號時就無法正常進行正常渲染，這樣就發生了丟幀現象。那麼用戶在 32ms 內看到的會是同一幀畫面，這種現象在執行動畫或滑動列表比較常見，還有可能是你的 Layout 太過複雜，層疊太多的繪製單元，無法在 16ms 完成渲染，最終引起刷新不及時。

卡頓根本原因

根據Android 系統顯示原理可以看到，影響繪製的根本原因有以下兩個方面：

繪製任務太重，繪製一幀內容耗時太長。

主線程太忙，根據系統傳遞過來的 VSYNC 信號來時還沒準備好數據導致丟幀。

繪製耗時太長，有一些工具可以幫助我們定位問題。主線程太忙則需要注意了，主線程關鍵職責是處理用戶交互，在屏幕上繪製像素，並進行載入顯示相關的數據，所以特別需要避免任何主線程的事情，這樣應用程序才能保持對用戶操作的即時響應。總結起來，主線程主要做以下幾個方面工作：

UI 生命周期控制

系統事件處理

消息處理

界面布局

界面繪製

界面刷新

除此之外，應該盡量避免將其他處理放在主線程中，特別複雜的數據計算和網路請求等。

性能分析工具

性能問題並不容易復現，也不好定位，但是真的碰到問題還是需要去解決的，那麼分析問題和確認問題是否解決，就需要藉助相應的的調試工具，比如查看 Layout 層次的 Hierarchy View、Android 系統上帶的 GPU Profile 工具和靜態代碼檢查工具 Lint 等，這些工具對性能優化起到非常重要的作用，所以要熟悉，知道在什麼場景用什麼工具來分析。

1，Profile GPU Rendering

在手機開發者模式下，有一個卡頓檢測工具叫做：Profile GPU Rendering，如圖：

Android APP 性能優化的一些思考

Profile GPU Rendering

它的功能特點如下：

一個圖形監測工具，能實時反應當前繪製的耗時

橫軸表示時間，縱軸表示每一幀的耗時

隨著時間推移，從左到右的刷新呈現

提供一個標準的耗時，如果高於標準耗時，就表示當前這一幀丟失

2，TraceView

TraceView 是 Android SDK 自帶的工具，用來分析函數調用過程，可以對 Android 的應用程序以及 Framework 層的代碼進行性能分析。它是一個圖形化的工具，最終會產生一個圖表，用於對性能分析進行說明，可以分析到每一個方法的執行時間，其中可以統計出該方法調用次數和遞歸次數，實際時長等參數維度，使用非常直觀，分析性能非常方便。

3，Systrace UI 性能分析

Systrace 是 Android 4.1及以上版本提供的性能數據採樣和分析工具，它是通過系統的角度來返回一些信息。它可以幫助開發者收集 Android 關鍵子系統，如 surfaceflinger、WindowManagerService 等 Framework 部分關鍵模塊、服務、View系統等運行信息，從而幫助開發者更直觀地分析系統瓶頸，改進性能。Systrace 的功能包括跟蹤系統的 I/O 操作、內核工作隊列、CPU 負載等，在 UI 顯示性能分析上提供很好的數據，特別是在動畫播放不流暢、渲染卡等問題上。

優化建議

1，布局優化

布局是否合理主要影響的是頁面測量時間的多少，我們知道一個頁面的顯示測量和繪製過程都是通過遞歸來完成的，多叉樹遍歷的時間與樹的高度h有關，其時間複雜度 O(h)，如果層級太深，每增加一層則會增加更多的頁面顯示時間，所以布局的合理性就顯得很重要。

那布局優化有哪些方法呢，主要通過減少層級、減少測量和繪製時間、提高復用性三個方面入手。總結如下：

減少層級。

合理使用 RelativeLayout 和 LinerLayout，合理使用Merge。

提高顯示速度。

使用 ViewStub，它是一個看不見的、不佔布局位置、佔用資源非常小的視圖對象。

布局復用。

可以通過標籤來提高復用。

儘可能少用wrap_content。

wrap_content 會增加布局 measure 時計算成本，在已知寬高為固定值時，不用wrap_content 。

刪除控制項中無用的屬性。

2，避免過度繪製

過度繪製是指在屏幕上的某個像素在同一幀的時間內被繪製了多次。在多層次重疊的 UI 結構中，如果不可見的 UI 也在做繪製的操作，就會導致某些像素區域被繪製了多次，從而浪費了多餘的 CPU 以及 GPU 資源。

如何避免過度繪製呢，如下：

布局上的優化。

移除 XML 中非必須的背景，移除 Window 默認的背景、按需顯示佔位背景圖片

自定義View優化。

使用 canvas.clipRect()來幫助系統識別那些可見的區域，只有在這個區域內才會被繪製。

3，啟動優化

通過對啟動速度的監控，發現影響啟動速度的問題所在，優化啟動邏輯，提高應用的啟動速度。啟動主要完成三件事：UI 布局、繪製和數據準備。因此啟動速度優化就是需要優化這三個過程：

4，合理的刷新機制

在應用開發過程中，因為數據的變化，需要刷新頁面來展示新的數據，但頻繁刷新會增加資源開銷，並且可能導致卡頓發生，因此，需要一個合理的刷新機制來提高整體的 UI 流暢度。合理的刷新需要注意以下幾點：

盡量減少刷新次數。

盡量避免後台有高的 CPU 線程運行。

縮小刷新區域。

5，其他

在實現動畫效果時，需要根據不同場景選擇合適的動畫框架來實現。有些情況下，可以用硬體加速方式來提供流暢度。

內存優化

在 Android 系統中有個垃圾內存回收機制，在虛擬機層自動分配和釋放內存，因此不需要在代碼中分配和釋放某一塊內存，從應用層面上不容易出現內存泄漏和內存溢出等問題，但是需要內存管理。Android 系統在內存管理上有一個 Generational Heap Memory 模型，內存回收的大部分壓力不需要應用層關心， Generational Heap Memory 有自己一套管理機制，當內存達到一個閾值時，系統會根據不同的規則自動釋放系統認為可以釋放的內存，也正是因為 Android 程序把內存控制的權力交給了 Generational Heap Memory，一旦出現內存泄漏和溢出方面的問題，排查錯誤將會成為一項異常艱難的工作。除此之外，部分 Android 應用開發人員在開發過程中並沒有特別關注內存的合理使用，也沒有在內存方面做太多的優化，當應用程序同時運行越來越多的任務，加上越來越複雜的業務需求時，完全依賴 Android 的內存管理機制就會導致一系列性能問題逐漸呈現，對應用的穩定性和性能帶來不可忽視的影響，因此，解決內存問題和合理優化內存是非常有必要的。

Android內存管理機制

Android 應用都是在 Android 的虛擬機上運行，應用程序的內存分配與垃圾回收都是由虛擬機完成的。在 Android 系統，虛擬機有兩種運行模式：Dalvik 和 ART。

1，Java對象生命周期

Android APP 性能優化的一些思考

一般Java對象在虛擬機上有7個運行階段：

創建階段->應用階段->不可見階段->不可達階段->收集階段->終結階段->對象空間重新分配階段

2，內存分配

在 Android 系統中，內存分配實際上是對堆的分配和釋放。當一個 Android 程序啟動，應用進程都是從一個叫做 Zygote 的進程衍生出來，系統啟動 Zygote 進程後，為了啟動一個新的應用程序進程，系統會衍生 Zygote 進程生成一個新的進程，然後在新的進程中載入並運行應用程序的代碼。其中，大多數的 RAM pages 被用來分配給Framework 代碼，同時促使 RAM 資源能夠在應用所有進程之間共享。

但是為了整個系統的內存控制需要，Android 系統會為每一個應用程序都設置一個硬性的 Dalvik Heap Size 最大限制閾值，整個閾值在不同設備上會因為 RAM 大小不同而有所差異。如果應用佔用內存空間已經接近整個閾值時，再嘗試分配內存的話，就很容易引起內存溢出的錯誤。

3，內存回收機制

我們需要知道的是，在 Java 中內存被分為三個區域：Young Generation(年輕代)、Old Generation(年老代)、Permanent Generation(持久代)。最近分配的對象會存放在 Young Generation 區域。對象在某個時機觸發 GC 回收垃圾，而沒有回收的就根據不同規則，有可能被移動到 Old Generation，最後累積一定時間在移動到 Permanent Generation 區域。系統會根據內存中不同的內存數據類型分別執行不同的 GC 操作。GC 通過確定對象是否被活動對象引用來確定是否收集對象，進而動態回收無任何引用的對象佔據的內存空間。但需要注意的是頻繁的 GC 會增加應用的卡頓情況，影響應用的流暢性，因此需要盡量減少系統 GC 行為，以便提高應用的流暢度，減小卡頓發生的概率。

內存分析工具

做內存優化前，需要了解當前應用的內存使用現狀，通過現狀去分析哪些數據類型有問題，各種類型的分布情況如何，以及在發現問題後如何發現是哪些具體對象導致的，這就需要相關工具來幫助我們。

1，Memory Monitor

Memory Monitor 是一款使用非常簡單的圖形化工具，可以很好地監控系統或應用的內存使用情況，主要有以下功能：

顯示可用和已用內存，並且以時間為維度實時反應內存分配和回收情況。

快速判斷應用程序的運行緩慢是否由於過度的內存回收導致。

快速判斷應用是否由於內存不足導致程序崩潰。

2，Heap Viewer

Heap Viewer 的主要功能是查看不同數據類型在內存中的使用情況，可以看到當前進程中的 Heap Size 的情況，分別有哪些類型的數據，以及各種類型數據佔比情況。通過分析這些數據來找到大的內存對象，再進一步分析這些大對象，進而通過優化減少內存開銷，也可以通過數據的變化發現內存泄漏。

3，Allocation Tracker

Memory Monitor 和 Heap Viewer 都可以很直觀且實時地監控內存使用情況，還能發現內存問題，但發現內存問題後不能再進一步找到原因，或者發現一塊異常內存，但不能區別是否正常，同時在發現問題後，也不能定位到具體的類和方法。這時就需要使用另一個內存分析工具 Allocation Tracker，進行更詳細的分析， Allocation Tracker 可以分配跟蹤記錄應用程序的內存分配，並列出了它們的調用堆棧，可以查看所有對象內存分配的周期。

4，Memory Analyzer Tool(MAT)

MAT 是一個快速，功能豐富的 Java Heap 分析工具，通過分析 Java 進程的內存快照 HPROF 分析，從眾多的對象中分析，快速計算出在內存中對象佔用的大小，查看哪些對象不能被垃圾收集器回收，並可以通過視圖直觀地查看可能造成這種結果的對象。

常見內存泄漏場景

如果在內存泄漏發生後再去找原因並修復會增加開發的成本，最好在編寫代碼時就能夠很好地考慮內存問題，寫出更高質量的代碼，這裡列出一些常見的內存泄漏場景，在以後的開發過程中需要避免這類問題。

除此之外，內存泄漏可監控，常見的就是用LeakCanary 第三方庫，這是一個檢測內存泄漏的開源庫，使用非常簡單，可以在發生內存泄漏時告警，並且生成 leak tarce 分析泄漏位置，同時可以提供 Dump 文件進行分析。

優化內存空間

沒有內存泄漏，並不意味著內存就不需要優化，在移動設備上，由於物理設備的存儲空間有限，Android 系統對每個應用進程也都分配了有限的堆內存，因此使用最小內存對象或者資源可以減小內存開銷，同時讓GC 能更高效地回收不再需要使用的對象，讓應用堆內存保持充足的可用內存，使應用更穩定高效地運行。常見做法如下：

穩定性優化

Android 應用的穩定性定義很寬泛，影響穩定性的原因很多，比如內存使用不合理、代碼異常場景考慮不周全、代碼邏輯不合理等，都會對應用的穩定性造成影響。其中最常見的兩個場景是：Crash 和 ANR，這兩個錯誤將會使得程序無法使用，比較常用的解決方式如下：

耗電優化

在移動設備中，電池的重要性不言而喻，沒有電什麼都幹不成。對於操作系統和設備開發商來說，耗電優化一致沒有停止，去追求更長的待機時間，而對於一款應用來說，並不是可以忽略電量使用問題，特別是那些被歸為「電池殺手」的應用，最終的結果是被卸載。因此，應用開發者在實現需求的同時，需要盡量減少電量的消耗。

在 Android5.0 以前，在應用中測試電量消耗比較麻煩，也不準確，5.0 之後專門引入了一個獲取設備上電量消耗信息的 API:Battery Historian。Battery Historian 是一款由 Google 提供的 Android 系統電量分析工具，和Systrace 一樣，是一款圖形化數據分析工具，直觀地展示出手機的電量消耗過程，通過輸入電量分析文件，顯示消耗情況，最後提供一些可供參考電量優化的方法。

除此之外，還有一些常用方案可提供：

計算優化，避開浮點運算等。

避免 WaleLock 使用不當。

使用 Job Scheduler。

安裝包大小優化

應用安裝包大小對應用使用沒有影響，但應用的安裝包越大，用戶下載的門檻越高，特別是在移動網路情況下，用戶在下載應用時，對安裝包大小的要求更高，因此，減小安裝包大小可以讓更多用戶願意下載和體驗產品。

常用應用安裝包的構成，如圖所示：

Android APP 性能優化的一些思考

應用安裝包構成

從圖中我們可以看到：

assets文件夾。

存放一些配置文件、資源文件，assets不會自動生成對應的 ID，而是通過 AssetManager 類的介面獲取。

res。

res 是 resource 的縮寫，這個目錄存放資源文件，會自動生成對應的 ID 並映射到 .R 文件中，訪問直接使用資源 ID。

META-INF。

保存應用的簽名信息，簽名信息可以驗證 APK 文件的完整性。

AndroidManifest.xml。

這個文件用來描述 Android 應用的配置信息，一些組件的註冊信息、可使用許可權等。

classes.dex。

Dalvik 位元組碼程序，讓 Dalvik 虛擬機可執行，一般情況下，Android 應用在打包時通過 Android SDK 中的 dx 工具將 Java 位元組碼轉換為 Dalvik 位元組碼。

resources.arsc。記錄著資源文件和資源 ID 之間的映射關係，用來根據資源 ID 尋找資源。

減少安裝包大小的常用方案

代碼混淆。

使用proGuard 代碼混淆器工具，它包括壓縮、優化、混淆等功能。

資源優化。

比如使用 Android Lint 刪除冗餘資源，資源文件最少化等。

圖片優化。

比如利用 AAPT 工具對 PNG 格式的圖片做壓縮處理，降低圖片色彩位數等。

避免重複功能的庫

，使用 WebP圖片格式等。

插件化。

比如功能模塊放在伺服器上，按需下載，可以減少安裝包大小。

小結

性能優化不是更新一兩個版本就可以解決的，是持續性的需求，持續集成迭代反饋。在實際的項目中，在項目剛開始的時候，由於人力和項目完成時間限制，性能優化的優先順序比較低，等進入項目投入使用階段，就需要把優先順序提高，但在項目初期，在設計架構方案時，性能優化的點也需要提早考慮進去，這就體現出一個程序員的技術功底了。

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