TRIM：提升磁盘性能，缓解Android卡顿

在业内，Android手机一直有着“越用越慢”的口碑。根据第三方的调研数据显示，有77%的Android手机用户承认自己曾遭遇过手机变慢的影响。他们不明白为什么购买之初“如丝般顺滑”的Android手机，在使用不到一年之后都会“卡顿”得让人抓狂！根据我们初步的测试数据，手机长期所使用产生的磁盘碎片可以使得磁盘的写入效率下降为原来的50%。是不是有一种“吓死本宝宝了”的感觉。

那么怎么办呢？笔者曾经对这一问题进行分析，且让我一一向你道来。

故事起因

故事的起因是，针对“Android系统越用越卡的问题”，腾讯某产品团队希望在自身产品中进行优化，从而提升产品口碑。

经过简单的分析讨论，大家认为造成这种现象可能是由于两个方面原因：内存、磁盘：

• 先说内存。为了保证应用可以快速被再次调起，Android在内存管理上采用如下策略：进程保持在内存中，在占用内存未超过阈值之前不会系统进行主动清理。但随着应用的增多，试图保持在内存中的进程将会增多，因此影响系统的流畅度。可以说，内存与系统卡顿的关系早已是业界的共识，其解决方案也比较明了，即赋予系统主动清理内存的能力，例如待机后杀掉不必要的进程。

• 再聊磁盘。长期使用Android手机必将产生大量的磁盘碎片，而磁盘碎片将会降低磁盘的读写性能，从而影响系统流畅度。但是磁盘碎片是否能对磁盘的读写性能造成了很大影响,以至于影响系统流畅度尚未可知，且暂时也没有发现可以进行尝试的潜在优化点。

于是，产品团队找到了我们专项测试组，希望分析Android越用越卡与磁盘是否有关系，并初步探索系统在磁盘管理模式方面是否存在潜在优化点。这就有了下文。

逐步分析

Step 0：磁盘与系统流畅度的关系

其实，日常的生活经验（例如SSD可以让老笔记本焕发新生）已经我们能够感觉得到磁盘对系统流畅度的影响很大。但是，这里还是有再必要简单说一下，磁盘是如何影响系统流畅度的。

开发过Android项目的同学都知道Android在使用网络的最佳实践是使用3级缓存的设计来提升系统的流畅度并节省流量：CPU首先尝试从内存中加载图片，若此时图片存在在内存中则加载成功，否则内存会从磁盘中加载图片，若此时图片存在在磁盘中则加载成功，否则磁盘会最终向网络中下载图片。

其实上述的执行逻辑，也就解释了磁盘是如何影响系统流畅度的：对于系统流畅度（其实也是各个应用的流畅度）影响最直接的就是CPU的执行效率，但是如果这个过程中内存、磁盘以及网络的读写速度如果跟不上CPU的执行效率的话，就会造成CPU在处理任务的时候需要花费时间等待数据，从而影响了流畅度。

所以第一个问题就弄清楚了：磁盘的读写速度的降低会使得系统流畅度变差！那么，我们要分析的问题就转化成：磁盘在长期使用的过程中，其读写速度会不会降低。

Step 1：弄清Android磁盘的读写机制

为了分析清楚磁盘“磁盘在长期使用的过程中，其读写速度会不会降低”这个问题，我们有必要先弄明白Android磁盘所采用的读写机制。

通过资料查阅，我们了解到目前，Android手机大多采用NAND Flash架构的闪存卡来存储内容。NAND Flash的内部存储单位从小到大依次为：Page、Block、Plane、Die，而一个Device上可以封装若干个Die。下图就是一个NAND Flash组成结构的示意图。

NAND Flash组成结构的示意图

为了方便理解，针对一个Die，我们再抽象一下，Page、Block、Plane、Die的关系如下图所示。

NAND Flash中Page、Block、Plane、Die的关系

虽然NAND Flash的优点多多，但是为了延长驱动器的寿命，它的读写操作均是以Page为单位进行的，但擦除操作却是按Block为单位进行的。

由于有大量的读写操作，于是我们的NAND Flash制定了如下的读写规则：

1. 删除数据时，芯片将标记这些Page为闲置状态，但并不会立马执行擦除操作。
2. 写入数据时，如果目前磁盘剩余空间充足，则由芯片指定Block后直接按Page为单位进行写入即可。
3. 写入数据时，如果目前磁盘剩余空间不足，为了获得足够的空间，磁盘先将某块Block的内容读至缓存，然后再在该Block上进行擦除操作，最后将新内容与原先内容一起写入至该Block。

那么问题来了！假如现在我要向磁盘中写入一张图片的数据，这个图片的数据大小刚好为一个Page。最坏的情况就是，内存中恰好只有一个Block恰好有一个Page的无效数据可以擦除。为了存下这张图片，于是主控就把这个Block的所有数据读至缓存，擦除Block上的内容，再向缓存中加上这个4KB新数据后最后写回Block中。

我的天啊，其实想存储的就是1个Page的图片内容，但是实际上确造成了整个Block的内容都被重新写入，同时原本简单一步搞定的事情被还被分成了前后四步执行（闪存读取、缓存改、闪存擦除、闪存写入）造成延迟大大增加，速度变慢。这就是传说中的“写入放大”（Write Amplification）问题。而“写入放大”也说明了磁盘在长期使用的过程中，其读写速度（尤其是写入速度）会存在降低的现象。

Step 2：解决“写入放大”问题的技术——TRIM

不过，既然“写入放大”（Write Amplification）都这么出名了，肯定不会没有现成的解决方案的！这个很简单，Google一下，我们就知道解决方案就是TRIM技术。

TRIM是一条ATA指令，由操作系统发送给闪存主控制器，告诉它哪些数据占的地址是“无效”的。在TRIM的帮助下，闪存主控制器就可以提前知道哪些Page是“无效”的，便可以在适当的时机做出优化，从而改善性能。这里要强调下，TRIM只是条指令，让操作系统告诉闪存主控制器这个Page已经“无效”就算完了，并没有任何其它多余的操作。在测试的过程中，我们发现TRIM的触发需要操作系统、驱动程序以及闪存主控三者都支持才能真正意义上实现。例如：

• 操作系统不支持的情况：Android 4.3以下均不支持
• 闪存主控不支持的情况：Samsung Galaxy Nexus（I9250）所选用的闪存不支持

基于TRIM技术，目前常见有两种方案可以解决“写入放大”的问题：

1. discard选项。该方案将在挂载 ext4 分区时加上 discard 选项，此后操作系统在执行每一个磁盘操作时同时都会执行 TRIM 指令。该方案的优点是总体耗时短，但影响会到删除文件时的性能。
2. fstrim命令。该方案将选择合适的时机对整个分区执行TRIM操作。相对于方案一，该方案总体耗时较长，但不会影响正常操作时的磁盘性能。

不得不说，如果从用户的角度出发，还是FSTRIM的方法更靠谱一些，但如何寻找合适的TRIM时机就是一个比较讲究的问题了。

Step 3：TRIM在Android中的实现

根据前面的分析，我们不难理解在Android中的 TRIM 选择通过fstrim命令的方式进行实现。那么，Google又是如何设计触发TRIM的时机呢？

通过走读Android源码（AOSP 4.4.4），可以了解到Android通过系统服务IdleMaintenanceService来进行系统状态监控并决定何时触发TRIM。根据IdleMaintenanceService.java源码，我们绘制了fstrim的触发示意图如下：

Android中fstrim的触发逻辑

注释：

• 有/无操作：距屏幕熄灭||屏保启动已超过71分钟
• 是/否电量充足：维护期20%，非维护期（充电状态30%，非充电状态80%）
• 是/否维护超时：启动维护已超过71分钟
• 是/否已到维护期：据上次启动维护超过1天

Step 4：分析闪存碎片及TRIM对磁盘I/O性能的影响

了解了这么多技术背景，那我们通过测试数据分析闪存碎片和TRIM对磁盘I/O性能的影响。根据测试目的，具体的测试设置如下：

• 测试目的：

评估闪存碎片和TRIM对磁盘I/O性能的影响

• 测试方案：

测试对象：LG Nexus 5 with cm-11-20140805-SNAPSHOT-M9-hammerhead

测试步骤：

1. 重新刷机，使用Bonnie++测试SD卡目录的I/O性能；
2. 模拟长期使用SD卡的过程（期间需要避免TRIM触发），使用Bonnie++测试SD卡目录的I/O性能；
3. 主动触发TRIM，使用Bonnie++测试SD卡目录的I/O性能。

备注：

1. 模拟长期使用SD卡的过程的方法：开发专用的测试应用，该应用将向SD卡目录不停写入大小随机的文件，当SD卡剩余空间不足时将删除所写入的文件，然后继续上述操作直到应用退出。
2. 避免TRIM触发的方法：根据Android的触发过程分析，只需设置屏幕常亮并即可避免TRIM的触发。

• 测试数据：

闪存碎片和TRIM对磁盘I/O性能影响测试结果

数据解读：

1. 通过反复擦写SD卡，可以发现SD卡的I/O效率指标均存在一定幅度的下滑，其中反映磁盘空间分配性能及文件数据写回性能的指标下滑明显；
2. Sequential Output-Block可以反映分配磁盘文件空间的效率，经反复擦写SD卡后，该效率降低至原始值的15-20%，应该是大量的磁盘闲置数据块造成的影响；
3. Sequential Output-Rewrite可以反映文件系统缓存和数据传输的速度，经反复擦写SD卡制造闲置数据块后，该效率降低至原始值的50%。
4. 主动调用TRIM后，可以发现SD卡的I/O效率指标均恢复至接近原始值水平（但仍未完全达到初始状态的水平）。

• 测试结论：

1. 在TRIM无效的情况下，长期使用SD卡，磁盘写入速度会受到明显影响;
2. TRIM对因闲置数据块造成的I/O性能下降有一定的恢复作用；
3. 大量的读写操作对SD卡造成了一定量的不可恢复的损耗。

Step 5：FSTRIM系统自动触发测试

完成了上面的工作，不由得让我们大吃一鲸：原来TRIM对SD卡的读写速度的维护如此重要！前面也说到，Android选择FSTRIM方案的来实现TRIM，那么Android所设计的FSTRIM触发时机有没有什么问题呢？

根据Android系统的设定，FSTRIM预期是每隔24小时触发一次。所以，接下来我们需要评估一下，FSTRIM能否依据上述设定成功被系统触发。

• 测试目的：

分析FSTRIM能否被按时被系统触发

• 测试方案：

测试对象：2台Samsung Galaxy Nexus 及2台LG Nexus 5

测试步骤：

1. 刷机后，安装常用应用并启动（均无SIM卡，其中1台设备开启Wifi，另1台设备关闭Wifi）；
2. 进行Log记录；
3. 强制执行一次FSTRIM；
4. 灭屏等待30小时左右，提取Log记录进行分析。

• 测试数据：

	开启WiFi	关闭WiFi
Samsung Galaxy Nexus	启动FSTRIM 1次	启动FSTRIM 1次
LG Nexus 5	未启动FSTRIM	启动FSTRIM 1次

数据解读：

1. FSTRIM大多数情况会被自动触发，但也存在无法触发的情况；
2. 根据FSTRIM的触发逻辑，是否开启WIFI对FSTRIM的影响主要是有无推送消息（影响灭屏条件）以及不同的耗电。

• 测试结论：

测试数据显示FSTRIM大多数情况会被自动触发，但也存在无法触发的情况。可能的原因是：FSTRIM对电量的要求略高，所以一旦发生意外情况（如应用的PUSH消息）终止了计划FSTRIM的执行之后，很长时间之内都无法再满足FSTRIM的启动条件。

所以，如需提高其触发频率，我们可以考虑降低触发条件中对电量的要求。

总结&思考：

根据前面的分析，我们可以从Android源码及测试数据对前面两个问题做出回答：

1. 磁盘碎片（更准确的说法是SD卡中的闲置数据块）会严重影响磁盘的读写性能，可能会导致Android系统越用越卡，而Android系统的FSTRIM对此有恢复的作用；
2. 经过实验分析， FSTRIM并不一定能够按期（每天一次）执行。而导致这一问题的原因可能是IdleMaintenanceService对电量的要求过高（未充电状态下大于80%）。

当然，我们可以通过一下手段对这一问题做出优化尝试：

1. FSTRIM对电量的要求略高，如需提高其触发频率可以从降低触发条件中对电量的要求；
2. 在必要的情况下，可以发送特定的Intent事件，使系统强制触发FSTRIM。

至此，我们也大致解答了项目组提出的问题，这个故事也基本可以告一段落了。
回顾整个分析问题的过程，我发现，作为一名专项测试人员，尽管我并不需要实际编写项目中的任何一句代码，但这并不意味着我不需要了解Android及其Framework的代码。实际上，只有在平时的学习和工作中了解其工作机制的基础上，我们才能设计出合理的测试方案，从而更好的完成工作。