基于消息调度优化启动速度方案实践-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了基于消息调度优化启动速度方案实践。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

背景

在抖音的技术博客 https://juejin.cn/post/7080065015197204511#heading-10中，其介绍了通过修改消息队列顺序实现冷启动优化的方案，不过并未对其具体实现展开详细说明。本文是对其技术方案的思考验证及实现。
详细代码见github: https://github.com/Knight-ZXW/AppOptimizeFramework

模拟劣化场景

我们首先模拟一个会影响冷启动的耗时消息场景, 在demo中，插入一个耗时消息到 startActivity对应的消息之前。

package com.knightboost.appoptimizeframework

import android.content.Intent
import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity
import android.os.Bundle
import android.os.Handler
import android.os.Looper
import android.util.Log
import com.knightboost.optimize.looperopt.ColdLaunchBoost
import com.knightboost.optimize.looperopt.ColdLaunchBoost.WatchingState

class SplashActivity : AppCompatActivity() {
    val handler = Handler(Looper.getMainLooper())

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_splash)
        Log.d("MainLooperBoost", "SplashActivity onCreate")

    }

    override fun onStart() {
        super.onStart()
        Log.d("MainLooperBoost", "SplashActivity onStart")
    }

    override fun onResume() {
        super.onResume()
        Log.d("MainLooperBoost", "SplashActivity onResume")
        Handler().postDelayed({
            //发送3秒的耗时消息到队列中
            //这里为了方便模拟，直接在主线程发送耗时任务,模拟耗时消息在 启动Activity消息之前的场景
            handler.post({
                Thread.sleep(3000)
                Log.e("MainLooperBoost", "任务处理3000ms")
            })
            val intent = Intent(this, MainActivity::class.java)
            Log.e("MainLooperBoost", "begin start to MainActivity")
            startActivity(intent)
            //标记接下来需要优化 启动Activity的相关消息
            ColdLaunchBoost.getInstance().curWatchingState = WatchingState.STATE_WATCHING_START_MAIN_ACTIVITY
        },1000)

    }

    override fun onPause() {
        super.onPause()
        Log.d("MainLooperBoost", "SplashActivity onPause")
    }

    override fun onStop() {
        super.onStop()
        Log.d("MainLooperBoost", "SplashActivity onStop")
    }

}

这里的startActivity函数在实现底层会生成2个消息，其目的分别对应“Pause当前的Activity"，以及 “resume MainActivity”。在函数刚执行结束时，此时的消息队列大概是这样的(为了方便理解，忽略延迟1秒对应的消息以及其它消息)。
基于消息调度优化启动速度方案实践
以下视频为代码运行效果，可以发现在闪屏页展示一秒后，并未立即进行页面跳转操作，其被阻塞了3秒。

基于消息调度优化启动速度方案实践
对应运行时的日志：

那么为了不让其他消息，影响到 startActivity的操作，就需要提升 startActivity操作相应消息的顺序。

优化方案

消息调度监控

提高目标消息的顺序，首先需要一个检查消息队列内消息的时机, 我们可以在每次消息调度结束时进行，如果发现当前队列中有相应的需要提升优先级的消息，则将其移动至消息队首。
基于消息调度优化启动速度方案实践
消息的调度监控有两种方式，在低版本系统可以基于设置Printer替换实现，不过这种方式只能获取到消息的开始和结束时间，无法获取到Message对象，并且基于Printer的方案会有额外的字符串拼接的性能开销。第二种是通过调用Looper的 setObserver 函数设置消息调度观察者，相比Printer的方案，它可以拿到调度的Message对象，并且没有额外的性能开销，缺点是有hiddenApi的限制，并且它具体实现方案可以参看之前写的文章监控Android Looper Message调度的另一种姿势

消息类型判断

修改消息的顺序，需要先从队列中获取到目标消息，上个小节已经说过，startActivity 会有2个消息调度，分别是：“pause 当前Activity”，以及“resum新的Activity” 。在Android 9.0以下版本，可以通过判断 message的target(Handler) 以及 what值区分，它们分别对应 ActivityThread中 mH Handler 的 LAUNCH_ACTIVITY (100), PAUSE_ACTIVITY(107)
基于消息调度优化启动速度方案实践
而在Android 9.0以上版本，所有Activity生命周期事务变化被合并到一个消息 EXECUTE_TRANSACTION 中,

那么高版本如何判断一个消息是为了 PauseActivity呢？通过源码分析，可以发现这个Message的obj属性是一个ClientTransaction类型的对象，而该对象的mLifecycleStateRequest的getTargetState()函数返回值标识了期望的生命周期状态
基于消息调度优化启动速度方案实践
以pauseActivity为例，其实际的对象类型为 PauseActivityItem, 它的getTargetState 函数返回值为 ON_PAUSE =4。

因此，我们可以先通过判断Message what值为 EXECUTE_TRANSACTION(159)，再通过反射最终获取到 mLifecycleStateRequest 对象getTargetState函数的返回值，来判断消息是pauseActivity，还是 resumeActivity。

以下为整个流程具体的实现代码:
首先在startActivity 后，主动标记后续需要优化启动页面的消息

class SplashActivity : AppCompatActivity() {
//...
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_splash)
        Log.d("MainLooperBoost", "SplashActivity onCreate")
        Handler().postDelayed({
            //发送3秒的耗时消息到队列中
            //这里为了方便模拟，直接在主线程发送耗时任务,模拟耗时消息在 启动Activity消息之前的场景
            handler.post({
                Thread.sleep(3000)
                Log.e("MainLooperBoost", "任务处理3000ms")
            })
            val intent = Intent(this, MainActivity::class.java)
            Log.e("MainLooperBoost", "begin start to MainActivity")
            startActivity(intent)
            //标记接下来需要优化 启动Activity的相关消息
            ColdLaunchBoost.getInstance().curWatchingState = WatchingState.STATE_WATCHING_START_MAIN_ACTIVITY

        },1000)
    }
//...
}

基于Looper消息调度监控，每次消息调度结束时，检查消息队列中的消息，判断是否存在目标消息
基于消息调度优化启动速度方案实践
其中pauseActivity的Message判断逻辑为， launchActivity消息判断同理。

launchActivity消息判断同理，只是判断targetState的值不同。

修改消息顺序、优化页面跳转

修改普通消息的顺序比较简单。当遍历消息队列找到目标message后，可以修改前一个消息的next值，使其指向下一个消息，这样就从消息队列中移除了消息，之后再复制一份目标消息，重新发送到队列首部。

public boolean upgradeMessagePriority(Handler handler, MessageQueue messageQueue,
                                      TargetMessageChecker targetMessageChecker) {
    synchronized (messageQueue) {
        try {
            Message message = (Message) filed_mMessages.get(messageQueue);
            Message preMessage = null;
            while (message != null) {
                if (targetMessageChecker.isTargetMessage(message)) {
                    // 拷贝消息
                    Message copy = Message.obtain(message);
                    if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP_MR1) {
                        if (message.isAsynchronous()) {
                            copy.setAsynchronous(true);
                        }
                    }
                    if (preMessage != null) { //如果已经在队列首部了，则不需要优化
                        //当前消息的下一个消息
                        Message next = nextMessage(message);
                        setMessageNext(preMessage, next);
                        handler.sendMessageAtFrontOfQueue(copy);
                        return true;
                    }
                    return false;
                }
                preMessage = message;
                message = nextMessage(message);
            }
        } catch (Exception e) {
            //todo report
            e.printStackTrace();
        }
    }
    return false;
}

这里需要复制原消息是因为：在消息首次入队时会被标记为已使用，一个 isInUse 的消息无法被重新enqueue到消息队列中。

基于消息调度优化启动速度方案实践

在提升mH相关消息优先级后，最新的运行日志结果如下：
基于消息调度优化启动速度方案实践

此时的视频效果如下，看上去从画面上并没发生什么变化(不过生命周期函数提前了):

基于消息调度优化启动速度方案实践

结合对应的日志可知，MainActivity已经执行到onResume状态，但是由于Choreographer消息被阻塞，导致MainActivity的首帧一直无法得到渲染，从界面上看，还是展示的Splash的页面。

首帧优化

接下来继续分析如何解决上面的问题，进行首帧展示优化。首先需要知道首帧绘制触发的逻辑，在Activity的launch消息处理阶段，会调用addView函数向window添加View，最终会触发requestLayou、scheduleTraversal函数，在scheduleTraversal函数中，会先设置一个消息屏障，并向Choreographer注册traversal Callback，最终在下一次vsync信号发生时，在traversalRunnable函数中进行真正的绘制流程。
基于消息调度优化启动速度方案实践
在resume Activity对应的消息刚执行结束时，此时的消息队列如下所示，可以发现虽然设置了消息屏障，但是消息屏障并没有发送至队列首部，因为之前的慢消息顺序在消息屏障之前，所以vsync对应的消息依旧得不到优先执行。
基于消息调度优化启动速度方案实践
因此，我们可以通过遍历消息队列，找到屏障消息并移动至队首，这样就可以保证后续对应的异步消息优先得到执行。

具体实现代码如下:
首先我们在MainActivity的onResume阶段设置新的监听状态，标记下来需要优化帧绘制的消息
基于消息调度优化启动速度方案实践
之后，在每次消息调度结束时，尝试优化屏障消息

通过判断message的target是否为null 来找到第一个 barrier message, 之后直接反射调用 removeSyncBarrier 移除屏障消息(当然也可以通过手动操作前序消息的next指向来实现), 最后复制这个消息屏障，将其发送至队首。

实现代码如下:

/**
 * 移动消息屏障至队首
 *
 * @param messageQueue
 * @param handler
 * @return
 */
public boolean upgradeBarrierMessagePriority(MessageQueue messageQueue, Handler handler) {
    if (Build.VERSION.SDK_INT < Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP_MR1) {
        return false;
    }
    synchronized (messageQueue) {
        try {
            //反射获取 head Message
            Message message = (Message) filed_mMessages.get(messageQueue);
            if (message != null && message.getTarget() == null) {
                return false;
            }
            while (message != null) {
                if (message.getTarget() == null) { // target 为null 说明该消息为 屏障消息
                    Message cloneBarrier = Message.obtain(message);
                    removeSyncBarrier(messageQueue, message.arg1); //message.arg1 是屏障消息的 token, 后续的async消息会根据这个值进行屏障消息的移除
                    handler.sendMessageAtFrontOfQueue(cloneBarrier);
                    cloneBarrier.setTarget(null);//屏障消息的target为null，因此这里还原下
                    return true;
                }
                message = nextMessage(message);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    return false;
}

removeSyncBarrier 直接反射调用了相关函数

private boolean removeSyncBarrier(MessageQueue messageQueue, int token) {
    try {
        Method removeSyncBarrier = class_MessageQueue.getDeclaredMethod("removeSyncBarrier", int.class);
        removeSyncBarrier.setAccessible(true);
        removeSyncBarrier.invoke(messageQueue, token);
        return true;
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
        return false;
    }

}

以下是优化后的日志:
基于消息调度优化启动速度方案实践
可以发现，帧绘制消息被成功优化到其他消息之前执行。并且该方案可以用于任何一个页面的首帧优化。
以下是优化后的视频效果:

基于消息调度优化启动速度方案实践

从视频中可以发现，现在MainActivity的画面会在onResume函数执行结束后立即展示。这里我设置了一个按钮，当点击按钮时，发现没有反应，这是因为首帧消息优化后，进随其后，其他消息开始正常处理，等执行到慢消息时，点击事件对应的消息就得不到响应了。

最终，我们通过两次消息顺序修改，完成了从页面启动到新页面首帧展示阶段的耗时优化，但这并不能解决在主线程的慢消息问题，只是将其他非高优先级的消息的处理延后了，如果该消息存在耗时问题，依旧会影响用户体验。
因此虽然消息调度优化可以解决局部问题，但是想要完全消除耗时消息对应用体验的影响，消息耗时的监控是必不可少的，通过记录慢消息对应的Handler、消息处理耗时、堆栈采样的方式采集问题现场信息，再去优化对应的消息函数耗时，从而从根本上解决具体问题。

总结

通过在关键流程，如启动页面、页面首帧绘制阶段优化相应消息的顺序可以提高相应流程的速度，避免因为其他消息阻塞了关键流程
消息顺序的修改只能优化局部问题，从整体上看，耗时问题并没有解决，只是将问题延后了。
消息耗时的监控及治理是解决根本问题的方式

以上demo 示例代码已上传到 github: https://github.com/Knight-ZXW/AppOptimizeFramework 中，未在生产环境验证，仅供参考。

另欢迎关注我的个人公众号：编程物语 ，后续将分享更多大厂性能监控&优化方案

性能优化专栏历史文章：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-446177.html

文章	地址
抖音消息调度优化启动速度方案实践	https://juejin.cn/post/7217664665090080826
扒一扒抖音是如何做线程优化的	https://juejin.cn/post/7212446354920407096
监控Android Looper Message调度的另一种姿势	https://juejin.cn/post/7139741012456374279
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