iOS 性能优化

前言

本文将从发现问题、解决问题和预防问题进行总结

如何发现性能问题

业务性能监控，是指在App本地，业务的开始和结束处打点上报，然后后台统计达到监控目的；
卡顿监控。卡顿监控的实现一般有两种方案：

1）主线程卡顿监控。通过子线程监测主线程的 runLoop，判断两个状态区域之间的耗时是否达到一定阈值。具体原理和实现，这篇文章介绍得比较详细。

（2）FPS监控。要保持流畅的UI交互，App 刷新率应该当努力保持在 60fps。监控实现原理比较简单，通过记录两次刷新时间间隔，就可以计算出当前的 FPS。

在实际应用过程，无论是主线程监控，还是 FPS 监控，抖动都比较大。因此，一套综合的判断方法，结合了主线程监控、FPS监控，以及CPU使用率等指标，作为判断卡顿的标准。

性能问题的解决方法

优化业务流程。
性能优化看似高深，真正落到实处才会发现，最大的坑往往都隐藏在于业务不断累积和频繁变更之处。
合理的线程分配
由于 GCD实在太方便了，如果不加控制，大部分需要抛到子线程操作都会被直接加到 global 队列，这样会导致两个问题：
(1). 开的子线程越来越多，线程的开销逐渐明显，因为开启线程需要占用一定的内存空间（默认的情况下，主线程占1M,子线程占用512KB）。
(2).多线程情况下，网络回调的时序问题，导致数据处理错乱，而且不容易发现。为此，我们项目定了一些基本原则。

UI 操作和 DataSource 的操作一定在主线程。
DB 操作、日志记录、网络回调都在各自的固定线程。
不同业务，可以通过创建队列保证数据一致性。

合理的线程分配，最终目的就是保证主线程尽量少的处理非UI操作，同时控制整个App的子线程数量在合理的范围内。

预处理和延时加载

预处理：是将初次显示需要耗费大量线程时间的操作，提前放到后台线程进行计算，再将结果数据拿来显示。

延时加载：是指首先加载当前必须的可视内容，在稍后一段时间内或特定事件时，再触发其他内容的加载。这种方式可以很有效的提升界面绘制速度，使体验更加流畅。（UITableView 就是最典型的例子）

这两种方法都是在资源比较紧张的情况下，优先处理马上要用到的数据，同时尽可能提前加载即将要用到的数据。

缓存
cache可能是所有性能优化中最常用的手段，但也是我们极不推荐的手段。cache建立的成本低，见效快，但是带来维护的成本却很高。如果一定要用，也请谨慎使用，并注意以下几点：

并发访问 cache 时，数据一致性问题。

cache 线程安全问题，防止一边修改一边遍历的 crash。
cache 查找时性能问题。
cache 的释放与重建，避免占用空间无限扩大，同时释放的粒度也要依实际需求而定。

使用正确的API
使用正确的 API，是指在满足业务的同时，能够选择性能更优的API。

选择合适的容器;

了解 imageNamed: 与 imageWithContentsOfFile:的差异(imageNamed: 适用于会重复加载的小图片，因为系统会自动缓存加载的图片，imageWithContentsOfFile: 仅加载图片)

缓存 NSDateFormatter 的结果。

寻找 (NSDate *)dateFromString:(NSString )string 的替换品。
//#include <time.h>
time_t t;
struct tm tm;
strptime([iso8601String cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding], "%Y-%m-%dT%H:> %M:%S%z", &tm);
tm.tm_isdst = -1;
t = mktime(&tm);
[NSDate dateWithTimeIntervalSince1970:t + [[NSTimeZone localTimeZone] secondsFromGMT]];
不要随意使用 NSLog().

当试图获取磁盘中一个文件的属性信息时，使用 [NSFileManager attributesOfItemAtPath:error:] 会浪费大量时间读取可能根本不需要的附加属性。这时可以使用stat代替NSFileManager，直接获取文件属性：
#import <sys/stat.h>
struct stat statbuf;
const char *cpath = [filePath fileSystemRepresentation];
if (cpath && stat(cpath, &statbuf) == 0) {
    NSNumber *fileSize = [NSNumber numberWithUnsignedLongLong:statbuf.st_size];
    NSDate *modificationDate = [NSDate dateWithTimeIntervalSince1970:statbuf.st_mtime];
    NSDate *creationDate = [NSDate dateWithTimeIntervalSince1970:statbuf.st_ctime];
    // etc
}

如何预防性能问题

内存泄露检测工具
MLeakFinder是团队成员zepo在github开源的一款内存泄露检测工具，具体原理和使用方法可以参见这篇文章。在此之前，内存泄露引起的性能问题是很难被察觉的，只有泄露到了相当严重的程度，然后通过Instrument工具，不断尝试才得以定位。MLeakFinder能在开发阶段，把内存泄露问题暴露无遗，减少了很多潜在的性能问题。
FPS/SQL性能监测工具条
该工具条是在DEBUG模式下，以浮窗的形式，实时展示当前可能存在问题的FPS次数和执行时间较长的SQL语句个数，是团队成员tower的杰作。FPS监测的原理并不复杂，前文也有介绍，虽然并不百分百准确，但非常实用，因为可以随时查看FPS低于某个阈值时的堆栈信息，再结合当时的使用场景，开发人员使用起来非常便利，可以很快定位到引起卡顿的场景和原因。SQL语句的监测也非常实用.
UI / DataSource主线程检测工具。
该工具是为了保证所有的UI的操作和 DataSource 操作一定是在主线程进行，同样是由tower同学贡献。实现原理是通过hook UIView的 -setNeedsLayout，-setNeedsDisplay，-setNeedsDisplayInRect 三个方法，确保它们都是在主线程执行。子线程操作UI可能会引起什么问题，苹果说得并不清楚，实际开发中我们遇到几种神奇的问题似乎都是跟这个有关。

app 突然丢动画，似乎 iOS 系统也有这个 bug。虽然没有确切的证据，但使用这个工具，改完所有的问题后，bug 也好了(不止一次是这样)。
UI 操作偶尔响应特别慢，从代码看没有任何耗时操作，只是简单的 push 某个 controller。
莫名的 crash，这当然是因为 UI 操作非线程安全引起的。
更多时候，子线程操作 UI 也并不一定会发生什么问题，也正因为不知道会发生什么，所以更需要我们警惕，这个工具替我们扫除了这些隐患。虽然，苹果表示，现在部分的 UI 操作也已经是线程安全了，但毕竟大部分还不是。DataSource 的监测是因为我们业务定下的原则，保证列表 DataSource 的线程安全。

卡顿产生的原因

图片.png

界面卡顿的原因：在 VSync 信号到来后，系统图形服务会通过 CADisplayLink 等机制通知 App，App 主线程开始在CPU中计算显示内容，比如视图的创建、布局计算、图片解码、文本绘制等。随后 CPU 会将计算好的内容提交到 GPU去，由 GPU 进行变换、合成、渲染。随后 GPU 会把渲染结果提交到帧缓冲区去，等待下一次VSync信号到来时显示到屏幕上。由于垂直同步的机制，如果在一个 VSync 时间内，CPU 或者 GPU 没有完成内容提交，则那一帧就会被丢弃，等待下一次机会再显示，而这时显示屏会保留之前的内容不变。
在开发中，CPU和GPU中任何一个压力过大，都会导致掉帧现象，所以在开发时，也需要分别对CPU和GPU压力进行评估和优化。

CPU：加载资源，对象创建，对象调整，对象销毁，布局计算，Autolayout，文本计算，文本渲染，图片的解码，图像的绘制（Core Graphics）都是在CPU上面进行的。

GPU：GPU是一个专门为图形高并发计算而量身定做的处理单元，比CPU使用更少的电来完成工作并且GPU的浮点计算能力要超出CPU很多。
GPU的渲染性能要比CPU高效很多，同时对系统的负载和消耗也更低一些，所以在开发中，我们应该尽量让CPU负责主线程的UI调动，把图形显示相关的工作交给GPU来处理，当涉及到光栅化等一些工作时，CPU也会参与进来，这点在后面再详细描述。
相对于CPU来说，GPU能干的事情比较单一：接收提交的纹理（Texture）和顶点描述（三角形），应用变换（transform）、混合（合成）并渲染，然后输出到屏幕上。通常你所能看到的内容，主要也就是纹理（图片）和形状（三角模拟的矢量图形）两类。

CPU 和 GPU 的协作:要在屏幕上显示视图，需要CPU和GPU一起协作，CPU计算好显示的内容提交到GPU，GPU渲染完成后将结果放到帧缓存区，随后视频控制器会按照 VSync 信号逐行读取帧缓冲区的数据，经过可能的数模转换传递给显示器显示。

缓冲机制：iOS使用的是双缓冲机制。即GPU会预先渲染好一帧放入一个缓冲区内（前帧缓存），让视频控制器读取，当下一帧渲染好后，GPU会直接把视频控制器的指针指向第二个缓冲器（后帧缓存）。当你视频控制器已经读完一帧，准备读下一帧的时候，GPU会等待显示器的VSync信号发出后，前帧缓存和后帧缓存会瞬间切换，后帧缓存会变成新的前帧缓存，同时旧的前帧缓存会变成新的后帧缓存。

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