Android流畅度评估及卡顿优化

Google定义：界面呈现是指从应用生成帧并将其显示在屏幕上的动作。要确保用户能够流畅地与应用互动，应用呈现每帧的时间不应超过16ms，以达到每秒60帧的呈现速度（为什么是60fps？）。

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如果应用存在界面呈现缓慢的问题，系统会不得不跳过一些帧，这会导致用户感觉应用不流畅，我们将这种情况称为卡顿。

来源于： Google Android的为什么是60fps？

16ms意味着1000/60hz，相当于60fps。这是因为人眼与大脑之间的协作无法感知超过60fps的画面更新。12fps大概类似手动快速翻动书籍的帧率， 这明显是可以感知到不够顺滑的。24fps使得人眼感知的是连续线性的运动，这其实是归功于运动模糊的效果。 24fps是电影胶圈通常使用的帧率，因为这个帧率已经足够支撑大部分电影画面需要表达的内容，同时能够最大的减少费用支出。 但是低于30fps是 无法顺畅表现绚丽的画面内容的，此时就需要用到60fps来达到想要的效果，超过60fps就没有必要了。如果我们的应用没有在16ms内完成屏幕刷新的全部逻辑操作，就会发生卡顿。

首先要了解Android显示1帧图像，所经历的完整过程。

如图所示，屏幕显示1帧图像需要经历5个步骤：

常见的丢帧情况： 渲染期间可能出现的情况，渲染大于16ms和小于16ms的情况：

上图中应该绘制 4 帧数据 , 但是实际上只绘制了 3 帧 , 实际帧率少了一帧

判断APP是否出现卡顿，我们从通用应用和游戏两个纬度的代表公司标准来看，即Google的Android vitals性能指标和地球第一游戏大厂腾讯的PrefDog性能指标。

以Google Vitals的卡顿描述为准，即呈现速度缓慢和帧冻结两个维度判断：

PerfDog Jank计算方法：

帧率FPS高并不能反映流畅或不卡顿。比如：FPS为50帧，前200ms渲染一帧，后800ms渲染49帧，虽然帧率50，但依然觉得非常卡顿。同时帧率FPS低，并不代表卡顿，比如无卡顿时均匀FPS为15帧。所以平均帧率FPS与卡顿无任何直接关系)

当了解卡顿的标准以及渲染原理之后，可以得出结论，只有丢帧情况才能准确判断是否卡顿。

dumpsys 是一种在设备上运行并转储需要关注的系统服务状态信息的 Android 工具。通过向 dumpsys 传递 gfxinfo 命令，可以提供 logcat 格式的输出，其中包含与录制阶段发生的动画帧相关的性能信息。

借助 Android 6.0（API 级别 23），该命令可将在整个进程生命周期中收集的帧数据的聚合分析输出到 logcat。例如：

这些总体统计信息可以得到期间的FPS、Jank比例、各类渲染异常数量统计。

命令 adb shell dumpsys gfxinfo PACKAGE_NAME framestats 可提供最近120个帧中，渲染各阶段带有纳秒时间戳的帧时间信息。

关键参数说明：

通过gfxinfo输出的帧信息，通过定时reset和打印帧信息，可以得到FPS(帧数/打印间隔时间)、丢帧比例（(janky_frames / total_frames_rendered)*100 %）、是否有帧冻结(帧耗时700ms)。

根据第2部分的通用应用卡顿标准，可以通过丢帧比例和帧冻结数量，准确判断当前场景是否卡顿。并且通过定时截图，还可以根据截图定位卡顿的具体场景。

如上图所示，利用gfxinfo开发的检查卡顿的小工具，图中参数和卡顿说明如下：

根据上面对gfxinfo的帧信息解析，可以准确计算出每一帧的耗时。从而可以开发出满足腾讯PerfDog中关于普通卡顿和严重卡顿的判断。

依赖定时截图，即可准确定位卡顿场景。如下图所示（此处以PerfDog截图示例）：

通过第3部分的卡顿评估方法，我们可以定位到卡顿场景，但是如何定位到具体卡顿原因呢。

首先了解卡顿问题定位工具，然后再了解常见的卡顿原因，即可通过复现卡顿场景的同时，用工具去定位具体卡顿问题。

重点就是，充分利用gfxinfo输出的帧信息，对卡顿问题进行分类。

了解了高效定位卡顿的方法和卡顿问题定位工具，再熟悉一下常见的卡顿原因，可以更熟练的定位和优化卡顿。

SurfaceFlinger 负责 Surface 的合成，一旦 SurfaceFlinger 主线程调用超时，就会产生掉帧。

SurfaceFlinger 主线程耗时会也会导致 hwc service 和 crtc 不能及时完成，也会阻塞应用的 binder 调用，如 dequeueBuffer、queueBuffer 等。

后台进程活动太多，会导致系统非常繁忙，cpu \ io \ memory 等资源都会被占用，这时候很容易出现卡顿问题，这也是系统这边经常会碰到的问题。

dumpsys cpuinfo 可以查看一段时间内 cpu 的使用情况：

当线程为 Runnable 状态的时候，调度器如果迟迟不能对齐进行调度，那么就会产生长时间的 Runnable 线程状态，导致错过 Vsync 而产生流畅性问题。

system_server 的 AMS 锁和 WMS 锁 , 在系统异常的情况下 , 会变得非常严重 , 如下图所示 , 许多系统的关键任务都被阻塞 , 等待锁的释放 , 这时候如果有 App 发来的 Binder 请求带锁 , 那么也会进入等待状态 , 这时候 App 就会产生性能问题 ; 如果此时做 Window 动画 , 那么 system_server 的这些锁也会导致窗口动画卡顿。

Android P 修改了 Layer 的计算方法 , 把这部分放到了 SurfaceFlinger 主线程去执行, 如果后台 Layer 过多，就会导致 SurfaceFlinger 在执行 rebuildLayerStacks 的时候耗时 , 导致 SurfaceFlinger 主线程执行时间过长。

主线程执行 Input \ Animation \ Measure \ Layout \ Draw \ decodeBitmap 等操作超时都会导致卡顿 。

Activity resume 的时候, 与 AMS 通信要持有 AMS 锁, 这时候如果碰到后台比较繁忙的时候, 等锁操作就会比较耗时, 导致部分场景因为这个卡顿, 比如多任务手势操作。

应用里面涉及到 WebView 的时候, 如果页面比较复杂, WebView 的性能就会比较差, 从而造成卡顿。

如果屏幕帧率和系统的 fps 不相符 , 那么有可能会导致画面不是那么顺畅. 比如使用 90 Hz 的屏幕搭配 60 fps 的动画。

由上面的分析可知对象分配、垃圾回收(GC)、线程调度以及Binder调用 是Android系统中常见的卡顿原因，因此卡顿优化主要以下几种方法，更多的要结合具体的应用来进行：

在计算机和通信领域，帧是一个包括“帧同步串行”的数字数据传输单元或数字数据包。

在视频领域，电影、电视、数字视频等可视为随时间连续变换的许多张画面，其中帧是指每一张画面。

Android -- 音视频基础知识

帧，是视频的一个基本概念，表示一张画面，如上面的翻页动画书中的一页，就是一帧。一个视频就是由许许多多帧组成的。

帧率，即单位时间内帧的数量，单位为：帧/秒 或fps（frames per second）。一秒内包含多少张图片，图片越多，画面越顺滑，过渡越自然。 帧率的一般以下几个典型值：

24/25 fps：1秒 24/25 帧，一般的电影帧率。

30/60 fps：1秒 30/60 帧，游戏的帧率，30帧可以接受，60帧会感觉更加流畅逼真。

85 fps以上人眼基本无法察觉出来了，所以更高的帧率在视频里没有太大意义。

这里我们只讲常用到的两种色彩空间。

RGB的颜色模式应该是我们最熟悉的一种，在现在的电子设备中应用广泛。通过R G B三种基础色，可以混合出所有的颜色。

这里着重讲一下YUV，这种色彩空间并不是我们熟悉的。这是一种亮度与色度分离的色彩格式。

早期的电视都是黑白的，即只有亮度值，即Y。有了彩色电视以后，加入了UV两种色度，形成现在的YUV，也叫YCbCr。

Y：亮度，就是灰度值。除了表示亮度信号外，还含有较多的绿色通道量。

U：蓝色通道与亮度的差值。

V：红色通道与亮度的差值。

音频数据的承载方式最常用的是 脉冲编码调制 ，即 PCM 。

在自然界中，声音是连续不断的，是一种模拟信号，那怎样才能把声音保存下来呢？那就是把声音数字化，即转换为数字信号。

我们知道声音是一种波，有自己的振幅和频率，那么要保存声音，就要保存声音在各个时间点上的振幅。

而数字信号并不能连续保存所有时间点的振幅，事实上，并不需要保存连续的信号，就可以还原到人耳可接受的声音。

根据奈奎斯特采样定理：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。

根据以上分析，PCM的采集步骤分为以下步骤：

采样率，即采样的频率。

上面提到，采样率要大于原声波频率的2倍，人耳能听到的最高频率为20kHz，所以为了满足人耳的听觉要求，采样率至少为40kHz，通常为44.1kHz，更高的通常为48kHz。

采样位数，涉及到上面提到的振幅量化。波形振幅在模拟信号上也是连续的样本值，而在数字信号中，信号一般是不连续的，所以模拟信号量化以后，只能取一个近似的整数值，为了记录这些振幅值，采样器会采用一个固定的位数来记录这些振幅值，通常有8位、16位、32位。

位数越多，记录的值越准确，还原度越高。

最后就是编码了。由于数字信号是由0，1组成的，因此，需要将幅度值转换为一系列0和1进行存储，也就是编码，最后得到的数据就是数字信号：一串0和1组成的数据。

整个过程如下：

声道数，是指支持能不同发声（注意是不同声音）的音响的个数。 单声道：1个声道

双声道：2个声道

立体声道：默认为2个声道

立体声道（4声道）：4个声道

码率，是指一个数据流中每秒钟能通过的信息量，单位bps（bit per second）

码率 = 采样率 * 采样位数 * 声道数

这里的编码和上面音频中提到的编码不是同个概念，而是指压缩编码。

我们知道，在计算机的世界中，一切都是0和1组成的，音频和视频数据也不例外。由于音视频的数据量庞大，如果按照裸流数据存储的话，那将需要耗费非常大的存储空间，也不利于传送。而音视频中，其实包含了大量0和1的重复数据，因此可以通过一定的算法来压缩这些0和1的数据。

特别在视频中，由于画面是逐渐过渡的，因此整个视频中，包含了大量画面/像素的重复，这正好提供了非常大的压缩空间。

因此，编码可以大大减小音视频数据的大小，让音视频更容易存储和传送。

视频编码格式有很多，比如H26x系列和MPEG系列的编码，这些编码格式都是为了适应时代发展而出现的。

其中，H26x（1/2/3/4/5）系列由ITU（International Telecommunication Union）国际电传视讯联盟主导

MPEG（1/2/3/4）系列由MPEG（Moving Picture Experts Group, ISO旗下的组织）主导。

当然，他们也有联合制定的编码标准，那就是现在主流的编码格式H264，当然还有下一代更先进的压缩编码标准H265。

H264是目前最主流的视频编码标准，所以我们后续的文章中主要以该编码格式为基准。

H264由ITU和MPEG共同定制，属于MPEG-4第十部分内容。

我们已经知道，视频是由一帧一帧画面构成的，但是在视频的数据中，并不是真正按照一帧一帧原始数据保存下来的（如果这样，压缩编码就没有意义了）。

H264会根据一段时间内，画面的变化情况，选取一帧画面作为完整编码，下一帧只记录与上一帧完整数据的差别，是一个动态压缩的过程。

在H264中，三种类型的帧数据分别为

I帧：帧内编码帧。就是一个完整帧。

P帧：前向预测编码帧。是一个非完整帧，通过参考前面的I帧或P帧生成。

B帧：双向预测内插编码帧。参考前后图像帧编码生成。B帧依赖其前最近的一个I帧或P帧及其后最近的一个P帧。

全称：Group of picture。指一组变化不大的视频帧。

GOP的第一帧成为关键帧：IDR

IDR都是I帧，可以防止一帧解码出错，导致后面所有帧解码出错的问题。当解码器在解码到IDR的时候，会将之前的参考帧清空，重新开始一个新的序列，这样，即便前面一帧解码出现重大错误，也不会蔓延到后面的数据中。

DTS全称：Decoding Time Stamp。标示读入内存中数据流在什么时候开始送入解码器中进行解码。也就是解码顺序的时间戳。

PTS全称：Presentation Time Stamp。用于标示解码后的视频帧什么时候被显示出来。

前面我们介绍了RGB和YUV两种图像色彩空间。H264采用的是YUV。

YUV存储方式分为两大类：planar 和 packed。

planar如下：

packed如下：

上面说过，由于人眼对色度敏感度低，所以可以通过省略一些色度信息，即亮度共用一些色度信息，进而节省存储空间。因此，planar又区分了以下几种格式：YUV444、 YUV422、YUV420。

YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。

YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。

YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。

其中，最常用的就是YUV420。

YUV420属于planar存储方式，但是又分两种类型：

YUV420P：三平面存储。数据组成为YYYYYYYYUUVV（如I420）或YYYYYYYYVVUU（如YV12）。

YUV420SP：两平面存储。分为两种类型YYYYYYYYUVUV（如NV12）或YYYYYYYYVUVU（如NV21）

原始的PCM音频数据也是非常大的数据量，因此也需要对其进行压缩编码。

和视频编码一样，音频也有许多的编码格式，如：WAV、MP3、WMA、APE、FLAC等等，音乐发烧友应该对这些格式非常熟悉，特别是后两种无损压缩格式。

但是，我们今天的主角不是他们，而是另外一个叫AAC的压缩格式。

AAC是新一代的音频有损压缩技术，一种高压缩比的音频压缩算法。在MP4视频中的音频数据，大多数时候都是采用AAC压缩格式。

AAC格式主要分为两种：ADIF、ADTS。

ADIF：Audio Data Interchange Format。音频数据交换格式。这种格式的特征是可以确定的找到这个音频数据的开始，不需进行在音频数据流中间开始的解码，即它的解码必须在明确定义的开始处进行。这种格式常用在磁盘文件中。

ADTS：Audio Data Transport Stream。音频数据传输流。这种格式的特征是它是一个有同步字的比特流，解码可以在这个流中任何位置开始。它的特征类似于mp3数据流格式。

ADIF数据格式：

ADTS 一帧 数据格式（中间部分，左右省略号为前后数据帧）：

AAC内部结构也不再赘述，可以参考AAC 文件解析及解码流程

细心的读者可能已经发现，前面我们介绍的各种音视频的编码格式，没有一种是我们平时使用到的视频格式，比如：mp4、rmvb、avi、mkv、mov...

没错，这些我们熟悉的视频格式，其实是包裹了音视频编码数据的容器，用来把以特定编码标准编码的视频流和音频流混在一起，成为一个文件。

例如：mp4支持H264、H265等视频编码和AAC、MP3等音频编码。

我们在一些播放器中会看到，有硬解码和软解码两种播放形式给我们选择，但是我们大部分时候并不能感觉出他们的区别，对于普通用户来说，只要能播放就行了。

那么他们内部究竟有什么区别呢？

在手机或者PC上，都会有CPU、GPU或者解码器等硬件。通常，我们的计算都是在CPU上进行的，也就是我们软件的执行芯片，而GPU主要负责画面的显示（是一种硬件加速）。

所谓软解码，就是指利用CPU的计算能力来解码，通常如果CPU的能力不是很强的时候，一则解码速度会比较慢，二则手机可能出现发热现象。但是，由于使用统一的算法，兼容性会很好。

硬解码，指的是利用手机上专门的解码芯片来加速解码。通常硬解码的解码速度会快很多，但是由于硬解码由各个厂家实现，质量参差不齐，非常容易出现兼容性问题。

MediaCodec 是Android 4.1(api 16)版本引入的编解码接口，是所有想在Android上开发音视频的开发人员绕不开的坑。

由于Android碎片化严重，虽然经过多年的发展，Android硬解已经有了很大改观，但实际上各个厂家实现不同， 还是会有一些意想不到的坑。

相对于FFmpeg，Android原生硬解码还是相对容易入门一些，所以接下来，我将会从MediaCodec入手，讲解如何实现视频的编解码，以及引入OpenGL实现对视频的编辑，最后才引入FFmpeg来实现软解，算是一个比较常规的音视频开发入门流程吧。

Android性能测试（内存、cpu、fps、流量、GPU、电量）——adb篇

3）查看进程列表：adb shell "ps"，同时也能获取到应用的UID，方式如下（不需root权限）：

u0_a开头的都是Android的应用进程，Android的应用的UID是从10000开始，到19999结束，可以在Process.java中查看到（FIRST_APPLICATION_UID和LAST_APPLICATION_UID），u0_a后面的数字就是该应用的UID值减去FIRST_APPLICATION_UID所得的值，所以，对于截图这个应用进程，它是u0_a155，按前面的规制，它的UID就是155 + FIRST_APPLICATION_UID = 10155。

VSS - Virtual Set Size 虚拟耗用内存（包含共享库占用的内存）

RSS - Resident Set Size 实际使用物理内存（包含共享库占用的内存）

PSS - Proportional Set Size 实际使用的物理内存（比例分配共享库占用的内存）

USS - Unique Set Size 进程独自占用的物理内存（不包含共享库占用的内存）

一般来说内存占用大小有如下规律：VSS = RSS = PSS = USS

使用 adb shell "dumpsys meminfo -s pakagename | pid"命令，输出结果分以下4部分:

PS：在apk内调用运行获取其他app的内存数据则需要root权限

adb命令：adb shell dumpsys gfxinfo package | pid

正常情况下帧率应该在16.67ms左右，1秒60帧，执行结果如下：

详细计算方法如下：

还有一个命令是: adb shell dumpsys SurfaceFlinger --latency LayerName

其中LayerName在各个不同系统中获取的命令是不一样的

在Android 6系统直接就是SurfaceView

在Android 7系统中可以通过 dumpsys window windows | grep mSurface | grep SurfaceView 然后通过数据截取到

在Android 8系统中可以通过 dumpsys SurfaceFlinger | grep android包名获取到

执行命令结果如下：

计算方法比较简单，一般打印出来的数据是129行（部分机型打印两次257行，但是第一部分是无效数据，取后半部分），取len-2的第一列数据为end_time，取len-128的第一列数据为start_time

fps = 127/((end_time - start_time) / 1000000.0)

至于为啥要取第一列数据，这里不做过多介绍，欢迎参看这两篇文章

老罗的文章SurfaceView原理

Android性能测试之fps获取

至于为啥要处于1000000，因为命令打印出来的是纳秒单位，要转为毫秒进行计算，127就是因为命令一次打印出来127帧的数据而已

有两种方法可以获取

1） adb shell "top -n 5 | grep package | pid" ，第三列就是实时监控的CPU占用率（-n 指定执行次数，不需root权限），这边top命令执行需要2到3s左右，一般可以采用busybox 的top命令执行，效率会快很多

2） adb shell "dumpsys cpuinfo | grep package | pid"

两种方法直接区别在于，top是持续监控状态，而dumpsys cpuinfo获取的实时CPU占用率数据

adb命令：adb shell "dumpsys batterystats package | pid" (Android 5.0后引入)

获取单个应用的耗电量信息，具体返回结果待研究

adb命令：adb shell "dumpsys battery"

出现信息解读：

AC powered：false 是否连接AC（电源）充电线

USB powered：true 是否连接USB（PC或笔记本USB插口）充电

Wireless powered：false 是否使用了无线电源

status: 1 电池状态，2为充电状态，其他为非充电状态

level：58 电量（%）

scale: 100. 电量最大数值

voltage: 3977 当前电压（mV）

current now: -335232. 当前电流（mA）

temperature:355 电池温度，单位为0.1摄氏度

adb 命令：adb shell "dumpsys package | pid | grep UID" [通过ps命令，获取app的UID（安装后唯一且固定）]

adb shell cat /proc/uid_stat/UID/tcp_rcv [cat为查看命令，读取tcp_rcv获取应用接收流量信息（设备重启后清零）]

adb shell cat /proc/uid_stat/UID/tcp_snd [cat为查看命令，读取tcp_snd获取应用发送流量信息（设备重启后清零）]

计算流量消耗步骤：

或者还有一种方式获取应用流量消耗：

首先判断类型：

cat /sys/class/thermal/thermal_zone*/type

只有红框框出来的是有效的

cat /sys/class/thermal/thermal_zone*/temp

获取CPU温度

dumpsys battery | grep temperature 单位0.1摄氏度

获取/proc/stat文件内容（无权限限制）

总的cpu时间片是 total = user+nice+system+idle+iowait+irq+softirq

忙碌时间为 notidle = user+nice+system +iowait+irq+softirq

cpu使用率计算方法为，先取开始的total值和忙碌时间notidle，隔一段时间片，再取一次计算total2，notidle2, cpuuse = (notidle2 – notidle) * 100 / (total2 - total)%

PS:由于Android 8权限收紧，在Android 8系统手机内apk内读取文件内容为空，需要shell权限才可获取文件内容，下同

读/sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/scaling_cur_freq文件的值，X不定，看是几核手机，scaling_cur_freq是否存在也不一定，需要判断

至于为啥不取cpuinfo_cur_freq文件的值，原因是android 6,7系统获取的时候，这个文件shell没有读取权限，需要root权限

参考文章：

Android 6,7系统可执行

dumpsys window windows | grep "mCurrentFocus"

执行结果一般为类似：

mCurrentFocus=Window{81caaa5 u0 com.tencent.mobileqq/com.tencent.mobileqq.activity.SplashActivity}

按照一定规则把com.tencent.mobileqq提取出来即可

直接apk内读取文件即可，不需要shell权限（支持到Android8）

Gpu使用率获取：会得到两个值，（前一个/后一个）*100%=使用率

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/gpubusy

Gpu工作频率：

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/gpuclk

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/devfreq/cur_freq

Gpu最大、最小工作频率：

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/devfreq/max_freq

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/devfreq/min_freq

Gpu可用频率

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/gpu_available_frequencies

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/devfreq/available_frequencies

Gpu可用工作模式：

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/devfreq/available_governors

Gpu当前工作模式：

adb shell cat /sys/class/kgsl/kgsl-3d0/devfreq/governor

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