iOS 性能監控（一）—— CPU功耗監控

級別：★☆☆☆☆
標籤：「iOS」「性能監控」「工具」「CPU」
做者： 647
審校： QiShare團隊

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前言：
最近，在看戴銘老師關於 「性能監控」 相關的技術分享，感受收穫不少。基於最近的學習，總結了一些性能監控相關的實踐，並計劃落地一系列 「性能監控」 相關的文章。
目錄以下：
iOS 性能監控（一）—— CPU功耗監控
iOS 性能監控（二）—— 主線程卡頓監控
iOS 性能監控（三）—— 方法耗時監控

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本篇將介紹iOS性能監控工具（QiLagMonitor）中與 「CPU功耗監控」 相關的功能模塊。

1、瞭解CPU架構

CPU（Central Processing Unit）：中央處理器， 主要由 「運算器」 、 「控制器」 、 「寄存器」 三部分組成。 運算器 ：負責一些運算操做。（運算） 控制器 ：負責發出CPU每條指令所需的信息。（發指令） 寄存器 ：負責存儲運算過程或者指令操做的一些臨時文件。（存數據）

CPU有「處理指令」、「執行操做」、「控制時間」、「處理數據」四大做用。與咱們人體的大腦相似，幫助咱們完成各類各樣的生理活動。

市場上，咱們比較熟悉的CPU架構有ARM（arm64）和Intel（x86）等等。 （PS：關於ARM與intel的區別能夠查看這篇博客）

問：那麼對於咱們iPhone而言，有哪些CPU架構呢？

目前，市場上大部分的iPhone都是基於arm64架構。

由於arm架構有着功耗低的特色，所以普遍應用在移動設備領域。（intel雖然性能好，但功耗高。所以失去了移動端領域的市場份額。）

CPU架構	機型
armv6	iPhone、iPhone 二、iPhone 3G
armv7	iPhone3GS、iPhone 四、iPhone 4S、iPad、iPad 2
armv7s	iPhone 五、iPhone 5c
arm64	iPhone 5s、iPhone 六、iPhone 6 plus、iPhone 七、iPhone 7 plus、iPhone 八、iPhone 8 plus、iPhone X、iPhone XS、iPhone XR、iPhone 十一、iPhone 11 pro、iPhone 11 pro max、iPad Air、iPad Air二、iPad mini二、iPad mini三、iPad mini四、iPad pro...

PS：CPU與GPU比較？ GPU是圖像處理器。在大部分計算機中，GPU僅僅會用來繪製圖像。它會迅速算出當前屏幕的全部像素，並在顯示器上繪製出來。

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2、iOS如何監控CPU功耗？

說一下QiCPUMonitor的大體實現思路。

• 首先，獲取當前的任務task。從任務task中得到當前全部存活的線程信息。 這時，咱們就拿到了當前任務全部存活的 「線程信息」（threads） 和 「存活的線程個數」（threadCount） 。

• 而後，設置一個預約的CPU使用閾值。 遍歷全部線程的信息，查看是否有線程的CPU使用率cpu_usage 「超過」 預約的閾值（例如CPU使用率超過80%）。

• 若是有線程的CPU使用率cpu_usage超過預約閾值，就 「存儲」 當前線程的調用的堆棧信息。

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3、QiCPUMonitor的具體實現

• 首先，介紹一下存儲單個線程信息的結構體thread_basic_info。

struct thread_basic_info {
        time_value_t    user_time;      // 用戶運行時長
        time_value_t    system_time;    // 系統運行時長
        integer_t       cpu_usage;      // CPU使用率（理論上限爲1000）
        policy_t        policy;         // 調度策略
        integer_t       run_state;      // 運行狀態
        integer_t       flags;          // 各類標記
        integer_t       suspend_count;  // 暫停線程的計數
        integer_t       sleep_time;     // 休眠時間
};
複製代碼

名稱	介紹
user_time	用戶運行時間（精確到微妙）。
system_time	系統運行時（精確到微妙）。
cpu_usage	cpu使用率（理論上限1000）。
policy	調度策略。
run_state	五種 「運行狀態」： 1> running 運行中 2> stopped 已中止 3> waiting 等待中 4> uninterruptible 不可中斷 5> halted 被阻塞
flags	三種 「線程標誌」： 1> swapped 換出 2> idle 空閒 3> global forced idle 全局強制空閒。
suspend_count	線程已經被掛起的計數。
sleep_time	線程已經掛起的時間（精確到秒）。

• 其次，聲明三個變量：threads、threadCount、thisTask。

分別表示：

參數名	參數含義
threads	用來存儲當前任務task下的全部線程信息。
threadCount	用來存儲有幾條線程。
thisTask	用來存儲當前任務task。

thread_act_array_t threads;               //! 一個數組，用來記錄當前任務下的全部線程。
    mach_msg_type_number_t threadCount = 0;   //! 一個數，該參數用來記錄線程的個數。
    const task_t thisTask = mach_task_self(); //! 獲取當前任務的task
複製代碼

• 而後，經過thisTask，獲取對應的threads信息以及threadCount。

kern_return_t kr = task_threads(thisTask, &threads, &threadCount); //! 經過thisTask，獲取threads以及threadCount。
複製代碼

• 同時，檢查是否獲取成功，KERN_SUCCESS = 0表明成功，其餘有對應的錯誤碼有52種。

if (kr != KERN_SUCCESS) { //! 檢查是否成功，KERN_SUCCESS = 0 表明成功，其餘有對應的錯誤碼有52種。
        return;
    }
複製代碼

• 最後，遍歷當前任務內全部存活的線程，查看每條線程的信息。 每當有線程的CPU使用率（cpu_usage）超過指定閾值，就將當前線程的調用堆棧存入數據庫。

//! 遍歷當前任務內存活的全部線程
    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; // 獲取線程的信息
            if (!(threadBaseInfo->flags & TH_FLAGS_IDLE)) {
                integer_t cpuUsage = threadBaseInfo->cpu_usage / 10; // CPU最大usage爲1000，所以除10便可得到CPU當前的利用率。
                if (cpuUsage > CPUMONITORRATE) { // 超過設定的閾值時，記錄堆棧
                    //cup 消耗大於設置值時打印和記錄堆棧
                    NSString *reStr = qiStackOfThread(threads[i]);
                    QiCallStackModel *model = [[QiCallStackModel alloc] init];
                    model.stackStr = reStr;
                    //記錄數據庫中
                    [[[QiLagDB shareInstance] increaseWithStackModel:model] subscribeNext:^(id x) {}];
                    NSLog(@"CPU useage overload thread stack：\n%@",reStr);
                }
            }
        }
    }
複製代碼

爲了監控的同時，又不影響App性能，故這個判斷用一個定時器，每3秒刷新一次便可。

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

源碼：QiLagMonitor

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