使用instruments工具調試性能

時間 2019-12-20

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Instruments

Instruments是Xcode套件中沒有被充分利用的一個工具。不少iOS開發者從沒用過Instruments，或者只是用Leaks工具檢測循環引用。實際上有不少Instruments工具，包括爲動畫性能調優的東西。objective-c

你能夠經過在菜單中選擇Profile選項來打開Instruments（在這以前，記住要把目標設置成iOS設備，而不是模擬器）。而後將會顯示出圖12.1（若是沒有看到全部選項，你可能設置成了模擬器選項）。緩存

圖12.1 Instruments工具選項窗口服務器

就像以前提到的那樣，你應該始終將程序設置成發佈選項。幸運的是，配置文件默認就是發佈選項，因此你不須要在分析的時候調整編譯策略。多線程

咱們將討論以下幾個工具：框架

時間分析器 - 用來測量被方法/函數打斷的CPU使用狀況。dom
Core Animation - 用來調試各類Core Animation性能問題。異步
OpenGL ES驅動 - 用來調試GPU性能問題。這個工具在編寫Open GL代碼的時候頗有用，但有時也用來處理Core Animation的工做。函數

Instruments的一個很棒的功能在於它能夠建立咱們自定義的工具集。除了你初始選擇的工具以外，若是在Instruments中打開Library窗口，你能夠拖拽別的工具到左側邊欄。咱們將建立以上咱們提到的三個工具，而後就能夠並行使用了（見圖12.2）。工具

圖12.2 添加額外的工具到Instruments側邊欄性能

時間分析器

時間分析器工具用來檢測CPU的使用狀況。它能夠告訴咱們程序中的哪一個方法正在消耗大量的CPU時間。使用大量的CPU並不必定是個問題 - 你可能指望動畫路徑對CPU很是依賴，由於動畫每每是iOS設備中最苛刻的任務。

可是若是你有性能問題，查看CPU時間對於判斷性能是否是和CPU相關，以及定位到函數都頗有幫助（見圖12.3）。

圖12.3 時間分析器工具

時間分析器有一些選項來幫助咱們定位到咱們關心的的方法。可使用左側的複選框來打開。其中最有用的是以下幾點：

經過線程分離 - 這能夠經過執行的線程進行分組。若是代碼被多線程分離的話，那麼就能夠判斷究竟是哪一個線程形成了問題。
隱藏系統庫 - 能夠隱藏全部蘋果的框架代碼，來幫助咱們尋找哪一段代碼形成了性能瓶頸。因爲咱們不能優化框架方法，因此這對定位到咱們能實際修復的代碼頗有用。
只顯示Obj-C代碼 - 隱藏除了Objective-C以外的全部代碼。大多數內部的Core Animation代碼都是用C或者C++函數，因此這對咱們集中精力到咱們代碼中顯式調用的方法就頗有用。

Core Animation

Core Animation工具用來監測Core Animation性能。它給咱們提供了週期性的FPS，而且考慮到了發生在程序以外的動畫（見圖12.4）。

圖12.4 使用可視化調試選項的Core Animation工具

Core Animation工具也提供了一系列複選框選項來幫助調試渲染瓶頸：

Color Blended Layers - 這個選項基於渲染程度對屏幕中的混合區域進行綠到紅的高亮（也就是多個半透明圖層的疊加）。因爲重繪的緣由，混合對GPU性能會有影響，同時也是滑動或者動畫幀率降低的罪魁禍首之一。
ColorHitsGreenandMissesRed - 當使用shouldRasterizep屬性的時候，耗時的圖層繪製會被緩存，而後當作一個簡單的扁平圖片呈現。當緩存再生的時候這個選項就用紅色對柵格化圖層進行了高亮。若是緩存頻繁再生的話，就意味着柵格化可能會有負面的性能影響了（更多關於使用shouldRasterize的細節見第15章「圖層性能」）。
Color Copied Images - 有時候寄宿圖片的生成意味着Core Animation被強制生成一些圖片，而後發送到渲染服務器，而不是簡單的指向原始指針。這個選項把這些圖片渲染成藍色。複製圖片對內存和CPU使用來講都是一項很是昂貴的操做，因此應該儘量的避免。
Color Immediately - 一般Core Animation Instruments以每毫秒10次的頻率更新圖層調試顏色。對某些效果來講，這顯然太慢了。這個選項就能夠用來設置每幀都更新（可能會影響到渲染性能，並且會致使幀率測量不許，因此不要一直都設置它）。
Color Misaligned Images - 這裏會高亮那些被縮放或者拉伸以及沒有正確對齊到像素邊界的圖片（也就是非整型座標）。這些中的大多數一般都會致使圖片的不正常縮放，若是把一張大圖當縮略圖顯示，或者不正確地模糊圖像，那麼這個選項將會幫你識別出問題所在。
Color Offscreen-Rendered Yellow - 這裏會把那些須要離屏渲染的圖層高亮成黃色。這些圖層極可能須要用shadowPath或者shouldRasterize來優化。
Color OpenGL Fast Path Blue - 這個選項會對任何直接使用OpenGL繪製的圖層進行高亮。若是僅僅使用UIKit或者Core Animation的API，那麼不會有任何效果。若是使用GLKView或者CAEAGLLayer，那若是不顯示藍色塊的話就意味着你正在強制CPU渲染額外的紋理，而不是繪製到屏幕。
Flash Updated Regions - 這個選項會對重繪的內容高亮成黃色（也就是任何在軟件層面使用Core Graphics繪製的圖層）。這種繪圖的速度很慢。若是頻繁發生這種狀況的話，這意味着有一個隱藏的bug或者說經過增長緩存或者使用替代方案會有提高性能的空間。

這些高亮圖層的選項一樣在iOS模擬器的調試菜單也可用（圖12.5）。咱們以前說過用模擬器測試性能並很差，但若是你能經過這些高亮選項識別出性能問題出在什麼地方的話，那麼使用iOS模擬器來驗證問題是否解決也是比真機測試更有效的。

圖12.5 iOS模擬器中Core Animation可視化調試選項

OpenGL ES驅動

OpenGL ES驅動工具能夠幫你測量GPU的利用率，一樣也是一個很好的來判斷和GPU相關動畫性能的指示器。它一樣也提供了相似Core Animation那樣顯示FPS的工具（圖12.6）。

圖12.6 OpenGL ES驅動工具

側欄的郵編是一系列有用的工具。其中和Core Animation性能最相關的是以下幾點：

Renderer Utilization - 若是這個值超過了~50%，就意味着你的動畫可能對幀率有所限制，極可能由於離屏渲染或者是重繪致使的過分混合。
Tiler Utilization - 若是這個值超過了~50%，就意味着你的動畫可能限制於幾何結構方面，也就是在屏幕上有太多的圖層佔用了。

一個可用的案例

如今咱們已經對Instruments中動畫性能工具很是熟悉了，那麼能夠用它在現實中解決一些實際問題。

咱們建立一個簡單的顯示模擬聯繫人姓名和頭像列表的應用。注意即便把頭像圖片存在應用本地，爲了使應用看起來更真實，咱們分別實時加載圖片，而不是用–imageNamed:預加載。一樣添加一些圖層陰影來使得列表顯示得更真實。清單12.1展現了最第一版本的實現。

清單12.1 使用假數據的一個簡單聯繫人列表

#import "ViewController.h"
#import 

@interface ViewController () 

@property (nonatomic, strong) NSArray *items;
@property (nonatomic, weak) IBOutlet UITableView *tableView;

@end

@implementation ViewController

- (NSString *)randomName
{
    NSArray *first = @[@"Alice", @"Bob", @"Bill", @"Charles", @"Dan", @"Dave", @"Ethan", @"Frank"];
    NSArray *last = @[@"Appleseed", @"Bandicoot", @"Caravan", @"Dabble", @"Ernest", @"Fortune"];
    NSUInteger index1 = (rand()/(double)INT_MAX) * [first count];
    NSUInteger index2 = (rand()/(double)INT_MAX) * [last count];
    return [NSString stringWithFormat:@"%@ %@", first[index1], last[index2]];
}

- (NSString *)randomAvatar
{
    NSArray *images = @[@"Snowman", @"Igloo", @"Cone", @"Spaceship", @"Anchor", @"Key"];
    NSUInteger index = (rand()/(double)INT_MAX) * [images count];
    return images[index];
}

- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    //set up data
    NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        //add name
        [array addObject:@{@"name": [self randomName], @"image": [self randomAvatar]}];
    }
    self.items = array;
    //register cell class
    [self.tableView registerClass:[UITableViewCell class] forCellReuseIdentifier:@"Cell"];
}

- (NSInteger)tableView:(UITableView *)tableView numberOfRowsInSection:(NSInteger)section
{
    return [self.items count];
}

- (UITableViewCell *)tableView:(UITableView *)tableView cellForRowAtIndexPath:(NSIndexPath *)indexPath
{
    //dequeue cell
    UITableViewCell *cell = [self.tableView dequeueReusableCellWithIdentifier:@"Cell" forIndexPath:indexPath];
    //load image
    NSDictionary *item = self.items[indexPath.row];
    NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:item[@"image"] ofType:@"png"];
    //set image and text
    cell.imageView.image = [UIImage imageWithContentsOfFile:filePath];
    cell.textLabel.text = item[@"name"];
    //set image shadow
    cell.imageView.layer.shadowOffset = CGSizeMake(0, 5);
    cell.imageView.layer.shadowOpacity = 0.75;
    cell.clipsToBounds = YES;
    //set text shadow
    cell.textLabel.backgroundColor = [UIColor clearColor];
    cell.textLabel.layer.shadowOffset = CGSizeMake(0, 2);
    cell.textLabel.layer.shadowOpacity = 0.5;
    return cell;
}

@end

當快速滑動的時候就會很是卡（見圖12.7的FPS計數器）。

圖12.7 滑動幀率降到15FPS

僅憑直覺，咱們猜想性能瓶頸應該在圖片加載。咱們實時從閃存加載圖片，並且沒有緩存，因此極可能是這個緣由。咱們能夠用一些很讚的代碼修復，而後使用GCD異步加載圖片，而後緩存。。。等一下，在開始編碼以前，測試一下假設是否成立。首先用咱們的三個Instruments工具分析一下程序來定位問題。咱們推測問題可能和圖片加載相關，因此用Time Profiler工具來試試（圖12.8）。

圖12.8 用The timing profile分析聯繫人列表

-tableView:cellForRowAtIndexPath:中的CPU時間總利用率只有~28%（也就是加載頭像圖片的地方），很是低。因而建議是CPU/IO並非真正的限制因素。而後看看是否是GPU的問題：在OpenGL ES Driver工具中檢測GPU利用率（圖12.9）。

圖12.9 OpenGL ES Driver工具顯示的GPU利用率

渲染服務利用率的值達到51%和63%。看起來GPU須要作不少工做來渲染聯繫人列表。

爲何GPU利用率這麼高呢？咱們來用Core Animation調試工具選項來檢查屏幕。首先打開Color Blended Layers（圖12.10）。

圖12.10 使用Color Blended Layers選項調試程序

屏幕中全部紅色的部分都意味着字符標籤視圖的高級別混合，這很正常，由於咱們把背景設置成了透明色來顯示陰影效果。這就解釋了爲何渲染利用率這麼高了。

那麼離屏繪製呢？打開Core Animation工具的Color Offscreen - Rendered Yellow選項（圖12.11）。

圖12.11 Color Offscreen–Rendered Yellow選項

全部的表格單元內容都在離屏繪製。這必定是由於咱們給圖片和標籤視圖添加的陰影效果。在代碼中禁用陰影，而後看下性能是否有提升（圖12.12）。

圖12.12 禁用陰影以後運行程序接近60FPS

問題解決了。幹掉陰影以後，滑動很流暢。可是咱們的聯繫人列表看起來沒有以前好了。那如何保持陰影效果並且不會影響性能呢？

好吧，每一行的字符和頭像在每一幀刷新的時候並不須要變，因此看起來UITableViewCell的圖層很是適合作緩存。咱們可使用shouldRasterize來緩存圖層內容。這將會讓圖層離屏以後渲染一次而後把結果保存起來，直到下次利用的時候去更新（見清單12.2）。

清單12.2 使用shouldRasterize提升性能

- (UITableViewCell *)tableView:(UITableView *)tableView cellForRowAtIndexPath:(NSIndexPath *)indexPath
{
    //dequeue cell
    UITableViewCell *cell = [self.tableView dequeueReusableCellWithIdentifier:@"Cell"
                                                                 forIndexPath:indexPath];
    ...
    //set text shadow
    cell.textLabel.backgroundColor = [UIColor clearColor];
    cell.textLabel.layer.shadowOffset = CGSizeMake(0, 2);
    cell.textLabel.layer.shadowOpacity = 0.5;
    //rasterize
    cell.layer.shouldRasterize = YES;
    cell.layer.rasterizationScale = [UIScreen mainScreen].scale;
    return cell;
}

咱們仍然離屏繪製圖層內容，可是因爲顯式地禁用了柵格化，Core Animation就對繪圖緩存告終果，因而對提升了性能。咱們能夠驗證緩存是否有效，在Core Animation工具中點擊Color Hits Green and Misses Red選項（圖12.13）。

圖12.13 Color Hits Green and Misses Red驗證了緩存有效

結果和預期一致 - 大部分都是綠色，只有當滑動到屏幕上的時候會閃爍成紅色。所以，如今幀率更加平滑了。

因此咱們最初的設想是錯的。圖片的加載並非真正的瓶頸所在，並且試圖把它置於一個複雜的多線程加載和緩存的實現都將是徒勞。因此在動手修復以前驗證問題所在是個很好的習慣！