iOS开发性能监控

App 的性能问题虽然不会导致 App不可用，但依然会影响到用户体验。如果这个性能问题不断累积，达到临界点以后，问题就会爆发出来。这时，影响到的就不仅仅是用户了，还有负责App开发的你。

线下性能监控

其中线下监控使用的还是Instruments，Instruments功能很强大，下图是Instruments的各种性能检测工具。

Instruments性能检测.png

最新版本的Instruments 10还有以下两大优势：

1.Instruments基于os_signpost 架构，可以支持所有平台。
2.Instruments由于标准界面（Standard UI）和分析核心（Analysis Core）技术，使得我们可以非常方便地进行自定义性能监测工具的开发。当你想要给Instruments内置的工具换个交互界面，或者新创建一个工具的时候，都可以通过自定义工具这个功能来实现。

从整体架构来看，Instruments 包括Standard UI 和 Analysis Core 两个组件，它的所有工具都是基于这两个组件开发的。而且，你如果要开发自定义的性能分析工具的话，完全基于这两个组件就可以实现。

开发一款自定义Instruments工具，主要包括以下这几个步骤：

1.在Xcode中，点击File > New > Project；
2.在弹出的Project模板选择界面，将其设置为macOS；
3.选择 Instruments Package，点击后即可开始自定义工具的开发了。如下图所示。

开发自定义Instrument工具.png

经过上面的三步之后，会在新创建的工程里面生成一个.instrpkg 文件，接下来的开发过程主要就是对这个文件的配置工作了。这些配置工作中最主要的是要完成Standard UI 和 Analysis Core 的配置。

上面这些内容，就是你在开发一个自定义Instruments工具时，需要完成的编码工作了。可以看到，Instruments 10版本的自定义工具开发还是比较简单的。与此同时，苹果公司还提供了大量的代码片段，帮助你进行个性化的配置。你可以点击这个链接，查看官方指南中的详细教程。

再说一下，线上性能监控

对于线上性能监控，我们需要先明白两个原则：
1、监控代码不要侵入到业务代码中；
2、采用性能消耗最小的监控方案。

接下来我们从CPU使用率、FPS的帧率和内存这三个方面，说一下线上性能监控

CPU使用率的线上监控方法

App作为进程运行起来后会有多个线程，每个线程对CPU 的使用率不同。各个线程对CPU使用率的总和，就是当前App对CPU 的使用率。明白了这一点以后，我们也就摸清楚了对CPU使用率进行线上监控的思路。

在iOS系统中，你可以在 usr/include/mach/thread_info.h 里看到线程基本信息的结构体，其中的cpu_usage 就是 CPU使用率。结构体的完整代码如下所示：

struct thread_basic_info {
  time_value_t    user_time;     // 用户运行时长
  time_value_t    system_time;   // 系统运行时长
  integer_t       cpu_usage;     // CPU 使用率
  policy_t        policy;        // 调度策略
  integer_t       run_state;     // 运行状态
  integer_t       flags;         // 各种标记
  integer_t       suspend_count; // 暂停线程的计数
  integer_t       sleep_time;    // 休眠的时间
};

因为每个线程都会有这个 thread_basic_info 结构体，所以接下来的事情就好办了，你只需要定时（比如，将定时间隔设置为2s）去遍历每个线程，累加每个线程的 cpu_usage 字段的值，就能够得到当前App所在进程的 CPU 使用率了。实现代码如下：

- (integer_t)cpuUsage {
    thread_act_array_t threads; //int 组成的数组比如 thread[1] = 5635
    mach_msg_type_number_t threadCount = 0; //mach_msg_type_number_t 是 int 类型
    const task_t thisTask = mach_task_self();
    //根据当前 task 获取所有线程
    kern_return_t kr = task_threads(thisTask, &threads, &threadCount);
    
    if (kr != KERN_SUCCESS) {
        return 0;
    }
    
    integer_t cpuUsage = 0;
    // 遍历所有线程
    for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
        
        thread_info_data_t threadInfo;
        thread_basic_info_t threadBaseInfo;
        mach_msg_type_number_t threadInfoCount = THREAD_INFO_MAX;
        
        if (thread_info((thread_act_t)threads[i], THREAD_BASIC_INFO, (thread_info_t)threadInfo, &threadInfoCount) == KERN_SUCCESS) {
            // 获取 CPU 使用率
            threadBaseInfo = (thread_basic_info_t)threadInfo;
            if (!(threadBaseInfo->flags & TH_FLAGS_IDLE)) {
                cpuUsage += threadBaseInfo->cpu_usage;
            }
        }
    }
    assert(vm_deallocate(mach_task_self(), (vm_address_t)threads, threadCount * sizeof(thread_t)) == KERN_SUCCESS);
    return cpuUsage;
}

在上面这段代码中，task_threads 方法能够取到当前进程中的线程总数 threadCount 和所有线程的数组 threads。

接下来，我们就可以通过遍历这个数组来获取单个线程的基本信息。其中，线程基本信息的结构体是 thread_basic_info_t，这个结构体里就包含了我们需要的 CPU 使用率的字段 cpu_usage。然后，我们累加这个字段就能够获取到当前的整体 CPU 使用率。

接下来我们说说关于FPS的监控

FPS 线上监控方法

FPS 是指图像连续在显示设备上出现的频率。FPS低，表示App不够流畅，还需要进行优化。

但是，和前面对CPU使用率和内存使用量的监控不同，iOS系统中没有一个专门的结构体，用来记录与FPS相关的数据。但是，对FPS的监控也可以比较简单的实现：通过注册 CADisplayLink 得到屏幕的同步刷新率，记录每次刷新时间，然后就可以得到 FPS。具体的实现代码如下：

- (void)startMonitoring {
    if (_link) {
        [_link removeFromRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
        [_link invalidate];
        _link = nil;
    }
    _link = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(fpsDisplayLinkAction:)];
    [_link addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
}

- (void)fpsDisplayLinkAction:(CADisplayLink *)link {
    if (_lastTime == 0) {
        _lastTime = link.timestamp;
        return;
    }
    
    self.count++;
    NSTimeInterval delta = link.timestamp - _lastTime;
    if (delta < 1) return;
    _lastTime = link.timestamp;
    _fps = _count / delta;
    NSLog(@"count = %d, delta = %f,_lastTime = %f, _fps = %.0f",_count, delta, _lastTime, _fps);
    self.count = 0;
}

FPS指标总结.png

内存使用量的线上监控方法

通常情况下，我们在获取 iOS 应用内存使用量时，都是使用task_basic_info 里的 resident_size 字段信息。但是，我们发现这样获得的内存使用量和 Instruments 里看到的相差很大。后来，在 2018 WWDC Session 416 iOS Memory Deep Dive中，苹果公司介绍说 phys_footprint 才是实际使用的物理内存。

内存信息存在 task_info.h （完整路径 usr/include/mach/task.info.h）文件的 task_vm_info 结构体中，其中phys_footprint 就是物理内存的使用，而不是驻留内存 resident_size。结构体里和内存相关的代码如下：

struct task_vm_info {
  mach_vm_size_t  virtual_size;       // 虚拟内存大小
  integer_t region_count;             // 内存区域的数量
  integer_t page_size;
  mach_vm_size_t  resident_size;      // 驻留内存大小
  mach_vm_size_t  resident_size_peak; // 驻留内存峰值

  ...

  /* added for rev1 */
  mach_vm_size_t  phys_footprint;     // 物理内存

  ...

我们只要从这个结构体里取出phys_footprint 字段的值，就能够监控到实际物理内存的使用情况了。具体实现代码如下：

- (unsigned long)memoryUsage {    
    task_vm_info_data_t vmInfo;
    mach_msg_type_number_t count = TASK_VM_INFO_COUNT;
    kern_return_t result = task_info(mach_task_self(), TASK_VM_INFO, (task_info_t) &vmInfo, &count);
    if (result != KERN_SUCCESS)
        return 0;
    return vmInfo.phys_footprint;
}

从以上三个线上性能监控方案可以看出，它们的代码和业务逻辑是完全解耦的，监控时基本都是直接获取系统本身提供的数据，没有额外的计算量，因此对 App 本身的性能影响也非常小，满足了我们要考虑的两个原则。

你可以点击这个链接，查看具体demo，欢迎大家点赞。

本文参考 iOS开发高手课，感谢作者。