iOS 性能监控（一）—— CPU功耗监控

前言：
最近，在看戴铭老师关于 “性能监控” 相关的技术分享，感觉收获很多。基于最近的学习，总结了一些性能监控相关的实践，并计划落地一系列 “性能监控” 相关的文章。
目录如下：
iOS 性能监控（一）—— CPU功耗监控
iOS 性能监控（二）—— 主线程卡顿监控
iOS 性能监控（三）—— 方法耗时监控

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本篇将介绍iOS性能监控工具（QiLagMonitor）中与 “CPU功耗监控” 相关的功能模块。

一、了解CPU架构

CPU（Central Processing Unit）：中央处理器，
主要由 “运算器” 、 “控制器” 、 “寄存器” 三部分组成。
运算器 ：负责一些运算操作。（运算）
控制器 ：负责发出CPU每条指令所需的信息。（发指令）
寄存器 ：负责存储运算过程或者指令操作的一些临时文件。（存数据）

CPU有“处理指令”、“执行操作”、“控制时间”、“处理数据”四大作用。与我们人体的大脑类似，帮助我们完成各种各样的生理活动。

市场上，我们比较熟悉的CPU架构有ARM（arm64）和Intel（x86）等等。
（PS：关于ARM与intel的区别可以查看这篇博客）

问：那么对于我们iPhone而言，有哪些CPU架构呢？

目前，市场上大部分的iPhone都是基于arm64架构。

因为arm架构有着功耗低的特点，因此广泛应用在移动设备领域。（intel虽然性能好，但功耗高。因此失去了移动端领域的市场份额。）

CPU架构	机型
armv6	iPhone、iPhone 2、iPhone 3G
armv7	iPhone3GS、iPhone 4、iPhone 4S、iPad、iPad 2
armv7s	iPhone 5、iPhone 5c
arm64	iPhone 5s、iPhone 6、iPhone 6 plus、iPhone 7、iPhone 7 plus、iPhone 8、iPhone 8 plus、iPhone X、iPhone XS、iPhone XR、iPhone 11、iPhone 11 pro、iPhone 11 pro max、iPad Air、iPad Air2、iPad mini2、iPad mini3、iPad mini4、iPad pro...

PS：CPU与GPU比较？
GPU是图像处理器。在大部分计算机中，GPU仅仅会用来绘制图像。它会迅速算出当前屏幕的所有像素，并在显示器上绘制出来。

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二、iOS如何监控CPU功耗？

说一下QiCPUMonitor的大致实现思路。

• 首先，获取当前的任务task。从任务task中获得当前所有存活的线程信息。
  这时，我们就拿到了当前任务所有存活的 “线程信息”（threads） 和 “存活的线程个数”（threadCount） 。

• 然后，设置一个预定的CPU使用阈值。
  遍历所有线程的信息，查看是否有线程的CPU使用率cpu_usage “超过” 预定的阈值（例如CPU使用率超过80%）。

• 如果有线程的CPU使用率cpu_usage超过预定阈值，就 “存储” 当前线程的调用的堆栈信息。

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三、QiCPUMonitor的具体实现

• 首先，介绍一下存储单个线程信息的结构体thread_basic_info。

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（理论上限为1000）
        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;     // 休眠时间
};

名称	介绍
user_time	用户运行时间（精确到微妙）。
system_time	系统运行时（精确到微妙）。
cpu_usage	cpu使用率（理论上限1000）。
policy	调度策略。
run_state	五种 “运行状态”： 1> running 运行中 2> stopped 已停止 3> waiting 等待中 4> uninterruptible 不可中断 5> halted 被阻塞
flags	三种 “线程标志”： 1> swapped 换出 2> idle 空闲 3> global forced idle 全局强制空闲。
suspend_count	线程已经被挂起的计数。
sleep_time	线程已经挂起的时间（精确到秒）。

• 其次，声明三个变量：threads、threadCount、thisTask。

分别表示：

参数名	参数含义
threads	用来存储当前任务task下的所有线程信息。
threadCount	用来存储有几条线程。
thisTask	用来存储当前任务task。

    thread_act_array_t threads;               //! 一个数组，用来记录当前任务下的所有线程。
    mach_msg_type_number_t threadCount = 0;   //! 一个数，该参数用来记录线程的个数。
    const task_t thisTask = mach_task_self(); //! 获取当前任务的task

• 然后，通过thisTask，获取对应的threads信息以及threadCount。

    kern_return_t kr = task_threads(thisTask, &threads, &threadCount); //! 通过thisTask，获取threads以及threadCount。

• 同时，检查是否获取成功，KERN_SUCCESS = 0代表成功，其他有对应的错误码有52种。

    if (kr != KERN_SUCCESS) { //! 检查是否成功，KERN_SUCCESS = 0 代表成功，其他有对应的错误码有52种。
        return;
    }

• 最后，遍历当前任务内所有存活的线程，查看每条线程的信息。
  每当有线程的CPU使用率（cpu_usage）超过指定阈值，就将当前线程的调用堆栈存入数据库。

    //! 遍历当前任务内存活的所有线程
    for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
        
        thread_info_data_t threadInfo; // 32位data
        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) {
            threadBaseInfo = (thread_basic_info_t)threadInfo; // 获取线程的信息
            if (!(threadBaseInfo->flags & TH_FLAGS_IDLE)) {
                integer_t cpuUsage = threadBaseInfo->cpu_usage / 10; // CPU最大usage为1000，因此除10即可获得CPU当前的利用率。
                if (cpuUsage > CPUMONITORRATE) { // 超过设定的阈值时，记录堆栈
                    //cup 消耗大于设置值时打印和记录堆栈
                    NSString *reStr = qiStackOfThread(threads[i]);
                    QiCallStackModel *model = [[QiCallStackModel alloc] init];
                    model.stackStr = reStr;
                    //记录数据库中
                    [[[QiLagDB shareInstance] increaseWithStackModel:model] subscribeNext:^(id x) {}];
                    NSLog(@"CPU useage overload thread stack：\n%@",reStr);
                }
            }
        }
    }

为了监控的同时，又不影响App性能，故这个判断用一个定时器，每3秒刷新一次即可。

    //! 监测 CPU 消耗
    self.cpuMonitorTimer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:3
                                                             target:self
                                                           selector:@selector(updateCPUInfo)
                                                           userInfo:nil
                                                            repeats:YES];

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源码：QiLagMonitor

最后，本系列我是站在iOS业界巨人的肩膀上完成的，感谢戴铭老师精彩的技术分享。 祝大家学有所成，工作顺利。
另附上，戴铭老师课程链接：《iOS开发高手课》，谢谢！