鸿蒙(HarmonyOS)性能优化实战-Trace使用教程

概述

OpenHarmony的DFX子系统提供了为应用框架以及系统底座核心模块的性能打点能力,每一处打点即是一个Trace,其上附带了记录执行时间、运行时格式化数据、进程或线程信息等。开发者可以使用SmartPerf-Host调试工具对Trace进行解析,在其绘制的泳道图中,对应用运行过程中的性能热点进行分析,得出优化方案。本文旨在介绍OpenHarmony中常用的Trace,解释它们的含义和用途,并阐述如何通过这些Trace来识别潜在的性能问题。同时,我们还将详细介绍Trace的工作原理,帮助读者更好地理解这些Trace及如何实现性能数据的采集和分析。通过本文的阅读,读者将对OpenHarmony中的Trace有一个深入的了解,为应用程序性能优化提供有力支持。

常用Trace及含义

下面将从渲染流程入手,配合常用场景介绍常用Trace。

渲染流程

与其他操作系统相同,OpenHarmony也是由Vsync信号控制每一帧绘制操作的时机。Vsync信号是一个垂直同步信号,它指示显示器在垂直空白期之后开始下一帧的刷新。设备的屏幕以固定的频率发送Vsync信号,以刷新率60Hz举例,则屏幕每隔16.6ms发送一次Vsync信号。在收到Vsync信号后,UI后端引擎开始准备屏幕的下一帧绘制,然后应用程序提交渲染命令,用于描述图形绘制、纹理设置、着色器使用等。一旦应用程序提交了渲染命令,UI后端引擎会将其添加到渲染队列中,并在合适的时机执行这些渲染命令,通常会在后台线程执行,以确保主线程不被长时间阻塞。当这些渲染命令被UI后端引擎执行时,它们会被传递给图形系统Render Service进行处理,图形系统会根据命令进行相应的图形计算和渲染操作,如顶点变换、光照、纹理贴图等。在图形系统完成渲染后,渲染结果将被写入帧缓冲区。帧缓冲区是一个内存区域,存储用于显示器输出的图像数据。一旦帧缓冲区更新完成,UI后端引擎会等待直到下一个Vsync信号到来,这个过程是为了确保渲染结果在显示器垂直消隐之前准备好。当下一个Vsync信号到来时,UI后端引擎将已经准备好的帧缓冲区的内容发送给显示器,显示器根据这些数据刷新自己的像素,至此完成一整个渲染周期。如图1所示。

图1 渲染流程图

从Trace角度来看,一帧的渲染流程如下:

(1)Vsync信号到达;
(2)UI后端引擎进行第一帧绘制;
(3)向Render Service通信,传输绘制命令并请求一帧;
(4)Render Service对多个图层进行合并,计算刷新区域,然后进行渲染和绘制本帧;
(5)完成一帧绘制后交给屏幕。

一帧的渲染流程中的UI后端引擎的常用Trace的含义如图2所示。

图2 UI后端引擎渲染Trace泳道图

序号Trace参数说明描述
1OnVsyncEvent now:%" PRIu64 "当前时间戳–纳秒级收到Vsync信号,渲染流程开始
2FlushVsync刷新视图同步事件,包括记录帧信息、刷新任务、绘制渲染上下文、处理用户输入
3UITaskScheduler::FlushTask刷新UI界面,包括布局、渲染和动画等
4FlushMessages发送消息通知图形侧进行渲染
5FlushLayoutTask执行布局任务
6FlushRenderTask %zu当前页面上的需要渲染的节点的数量总渲染任务执行
7Layout节点布局
8FrameNode::RenderTask单个渲染任务执行
9ListLayoutAlgorithm::MeasureListItem:%d当前列表项索引计算列表项的布局尺寸

图形图像子系统中的Render Service,是负责界面内容绘制的部件,处理由各个应用提交的统一渲染任务,将不同应用渲染的图层进行合并、送显。在收到每个Vsync周期信号时,首先处理应用提交的指令,包括应用渲染树节点的新增、删除、修改,然后进行动画计算和遮挡计算,以上是为了对统一渲染树进行更新。接下来开始对渲染树执行绘制,首先预处理每个节点,计算绝对位置和脏区信息,然后针对脏区进行绘制,优先使用硬件合成器进行绘制,当遇到无法合成绘制的,交由GPU执行重绘,绘制的所有结果都将存入屏幕缓冲区,最后将绘制结果提交送显、上屏展示。

当Vsync信号刷新时,如图3所示。

图3 RS侧渲染Trace泳道图

序号Trace描述
1RSMainThread::DoComposition合成渲染树上各节点图层
2RSMainThread::ProcessCommand处理client端指令
3Animate动画处理
4RSMainThread::CalcOcclusion遮挡计算
5ProcessDisplayRenderNode[x]单个显示器画面的绘制流程
6ProcessSurfaceNode:x单个节点的合成器处理
7Repaint硬件合成器合成绘制
8Redraw无法进行合成,则执行重绘
9RenderFrameGPU执行绘制
10SwapBuffers刷新屏幕缓冲区
11Commit绘制结果提交上屏

懒加载

懒加载使用LazyForEach实现,LazyForEach从提供的数据源中按需迭代数据,并在每次迭代过程中创建相应的组件。当LazyForEach在滚动容器中使用时,框架会根据滚动容器可视区域按需创建组件。当组件滑出可视区域外时,框架会进行组件销毁以降低内存占用。图4抓取的是懒加载过程中一帧的Trace。

图4 懒加载Trace泳道图

序号Trace参数说明描述
1OnIdle, targettime:%" PRId64 "时间戳,在这个时间之前完成该任务idle事件循环中检查是否有新的事件需要处理,如果有,则将任务调度器加入UI线程中并执行预测任务
2expiringItem_ count:[%zu]懒加载Item的个数预构建,包含处理所有懒加载项
3List predict添加预测布局任务
4Builder:BuildLazyItem [%d]需创建的项目索引在需要时创建项,并进行缓存
5Layout[%s][self:%d][parent:%d]tag标签,当前节点在UINode树中的索引,父节点在UINode树中的索引当前帧节点布局
6Build[%s][self:%d][parent:%d]tag标签,当前节点在UINode树中的索引,父节点在UINode树中的索引当前帧节点构建
7CustomNode:BuildRecycle %sJS视图名称触发复用渲染
8ExecuteJS执行JS代码

页面加载

当触发页面加载时,OpenHarmony会创建一个新的页面实例,然后按照特定的程序调用页面的生命周期方法。在生命周期方法中加载页面的布局,然后将数据绑定到页面上的视图元素,使页面能够显示和更新数据。图5抓取的是页面加载中一帧的Trace。

图5 页面加载帧Trace泳道图

序号Trace参数说明描述
1PageRouterManager::RunPage页面路由预处理及加载页面
2PageRouterManager::LoadPage加载页面并路由
3JsiDeclarativeEngine::LoadPageSource加载一个JavaScript文件并将其解析为ABC字节码
4JsiDeclarativeEngine::LoadJsWithModule Execute Page code : %s页面url地址执行页面代码
5Build[%s][self:%d][parent:%d]tag标签,当前节点在UINode树中的索引,父节点在UINode树中的索引当前帧节点构建
6CustomNode:BuildItem %sJS视图名称渲染子节点然后将其挂载到父节点上
7ViewChangeCallback(%d, %d)视图宽,视图高视图变化回调

Trace实践

以下示例采用LazyForEach的方式遍历列表,并借助SmartPerf-Host调试工具追踪代码执行流程。
在代码示例中,使用一个List容器组件,通过懒加载方式来创建出120个IconView自定义组件。在IconView组件中,使用了Flex容器组件包含Image和Text子组件,形成了图文混合列表。

// src/main/ets/pages/LazyForEachPage.ets@Entry
@Component
struct LazyForEachPage {private iconItemSourceList = new ListData();aboutToAppear() {// 添加120个IconItem的数据......}build() {Column() {Text('懒加载示例').fontSize(24).fontColor(Color.Black).fontWeight(FontWeight.Bold).textAlign(TextAlign.Start).width('90%').height(50)List({ space: 20 }) {LazyForEach(this.iconItemSourceList, (item: IconItemModel) => {ListItem() {IconItem({ image: item.image, text: item.text })}}, (item: IconItemModel, index) => index.toString())}.divider({ strokeWidth: 2, startMargin: 20, endMargin: 20 }) // 每行之间的分界线.width('100%').height('100%').layoutWeight(1)}.width('100%').height('100%').alignItems(HorizontalAlign.Center)}
}

// src/main/ets/view/IconView.ets@Component
export struct IconItem {image: string | Resource = '';text: string | Resource = '';build() {Flex({ direction: FlexDirection.Row, justifyContent: FlexAlign.Center, alignContent: FlexAlign.Center }) {Image(this.image).height(40).width(40).objectFit(ImageFit.Contain).margin({left: 15})Text(this.text).fontSize(20).fontColor(Color.Black).width(100).height(50).textAlign(TextAlign.Center)}.width('100%').height(50)}
}

下面使用SmartPerf-Host调试工具抓取htrace文件,并生成一个跟踪泳道分析图,来了解示例代码的加载流程。跟踪泳道分析图被分为五个部分,每个部分都标注数字并框选出相应的标签,从而使得整体的过程能够得到更好的理解。

图6 LazyForEach遍历的列表的泳道分析图

接下来,逐一解析这五个模块的详情:

1.加载并路由LazyForEach页面

图7 加载并路由LazyForEach页面泳道图

  • H:JsiDeclarativeEngine::LoadPageSource加载一个 JavaScript 文件,并且解析为 ABC 字节码;
  • H:FlushPipelineWithoutAnimation 清理渲染管道的操作;
  • H:CustomNode:OnAppear 用于构建当前 OnAppear 生命周期的操作,并执行aboutToAppear生命周期函数;
  • H:CustomNode:BuildItem LazyForEachPage 渲染子节点并挂载在 LazyForEachPage 页面上。

2.对当前帧节点Stage,执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染

图8 对当前帧节点Stage,执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染泳道图

  • H:Layout[stage][self:1][parent:0]对当前帧节点Stage,执行布局任务;(Stage作为框架,承载着页面Page节点。因此,标签的呈现会从Stage开始)
    • H:Measure[%s][self:17][parent:16] 对Page、Column、Row、Image、Text等组件布局尺寸计算;
    • H:Builder:BuildLazyItem [0]H:ListLayoutAlgorithm::MeasureListItem:0 分别为创建一个LazyItem项目和计算列表项的布局尺寸;
    • H:Layout[%s][self:38][parent:37] 对Page、Column、Row、Image、Text等组件执行布局任务;
  • H:FrameNode::RenderTask 执行渲染任务;
  • H:RequestNextVSync 请求下一帧Vsync信号。

3.对当前帧节点Flex,执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染

图9 对当前帧节点Flex,执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染泳道图

  • H:Layout[Flex][self:63][parent:62]对当前帧节点Flex,执行布局任务**;**
    • H:Measure[%s][self:17][parent:16] 对Image、Text等组件布局尺寸计算;
  • H:FrameNode::RenderTask Flex渲染任务执行;
  • H:RequestNextVSync 请求下一帧Vsync信号。

4.构建前预处理数据及添加预测布局任务

图10 构建前预处理数据及添加预测布局任务泳道图

  • H:Builder:BuildLazyItem [11]构建前预处理数据了11条数据;
  • H:Layout[ListItem][self:76][parent:-1] 添加一条Flex、Image、Text的预测布局;
  • H:FlushMessages 发送消息通知图形侧进行渲染。

5.合成渲染树上各节点图层任务

图11 合成渲染树上各节点图层任务泳道图

  • H:AcquireBufferH:ProcessSurfaceNode:EntryView XYWH[0 0 720 1280]获取屏幕缓冲区并绘制EntryView、SystemUi_StatusBar、SystemUi_NavigationBar等;
  • H:Repaint 硬件合成器合成绘制当前节点树。

自定义Trace

开发者可以根据业务需求,使用hiTraceMeter进行自定义Trace打点跟踪,目前支持ArkTS和Native,具体使用细节可参考下方链接:

性能打点跟踪开发指导(ArkTS)
性能打点跟踪开发指导(Native)

添加自定义Trace后,可在SmartPerf-Host调试工具上查看,自定义Trace将以独立泳道的形式呈现在对应打点的进程下。
下图两条泳道使用了startTrace和finishTrace方法,表示程序运行过程中,指定标签从调用startTrace到调用finishTrace的耗时统计。图中记录了CUSTOM_TRACE_TAG_1和CUSTOM_TRACE_TAG_2两个标签,先后呈现了2个标签的耗时统计。

图12 自定义Trace示例

下图两条泳道使用了TraceByValue方法,表示程序运行过程中,指定Trace在对应时间段内的状态值,状态值含义可按需传参,开发者可以通过鼠标放置在对应数据块上,来查看具体的状态值。图中记录了CUSTOM_TRACE_TAG_2标签在红色方框标识的时间段内,打点状态值为2001。

图13 自定义状态值示例

性能打点原理

Trace的生成依赖了DFX子系统中的HiTrace组件,其中包含的hiTraceMeter模块为开发者提供系统性能打点接口,具体细节可参考下方链接:

HiTrace组件
hiTraceMeter模块

hiTraceMeter拥有两套开始和结束打点接口,实现对逻辑行为的耗时统计。由于耗时统计大多数以方法为单位,所以hiTraceMeter也提供了快速打点单个方法执行耗时的宏定义HITRACE_METER、HITRACE_METER_NAME、HITRACE_METER_FMT,使用它们,只需要在方法起始位置调用即可。这些宏定义依赖了方法内局部变量的生命周期,其原理是在方法开始时构造了一个打点实例,在实例构造函数中调用开始打点接口,当方法执行完毕,打点实例随着方法结束而执行析构,在实例析构函数中调用结束打点接口。

App中的打点示例

ArkUI框架子系统应用hiTraceMeter的例子,来源于ArkUI开发框架源码。
以下代码对hiTraceMeter进行接口封装,其原理与HITRACE_METER等相同,依赖方法内局部变量的生命周期实现快速打点。

// frameworks/base/log/ace_trace.h#define ACE_SCOPED_TRACE(fmt, ...) AceScopedTrace aceScopedTrace(fmt, ##__VA_ARGS__)
#define ACE_FUNCTION_TRACE() ACE_SCOPED_TRACE(__func__)class ACE_FORCE_EXPORT AceScopedTrace final {
public:explicit AceScopedTrace(const char* format, ...) __attribute__((__format__(printf, 2, 3)));~AceScopedTrace();ACE_DISALLOW_COPY_AND_MOVE(AceScopedTrace);private:bool traceEnabled_ { false };
};

以下代码是刷新视图同步事件,包括记录帧信息、刷新任务、绘制渲染上下文、处理用户输入。在方法开头调用宏定义ACE_FUNCTION_TRACE,将函数名FlushVsync作为Trace名称记录下来,并记录函数开始时间,在函数结束时记录函数结束时间,得出执行耗时。

// frameworks/core/pipeline/pipeline_context.cppvoid PipelineContext::FlushVsync(uint64_t nanoTimestamp, uint32_t frameCount)
{ACE_FUNCTION_TRACE();// 此处省略方法内的其他业务逻辑// ...
}

RS中的打点示例

图形子系统应用hiTraceMeter的例子,来源于图形子系统源码。
以下代码对hiTraceMeter进行接口封装。

// utils/log/rs_trace.h#include "hitrace_meter.h"
#define ROSEN_TRACE_BEGIN(tag, name) StartTrace(tag, name)
#define RS_TRACE_BEGIN(name) ROSEN_TRACE_BEGIN(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name)
#define ROSEN_TRACE_END(tag) FinishTrace(tag)
#define RS_TRACE_END() ROSEN_TRACE_END(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP)
#define RS_TRACE_NAME(name) HITRACE_METER_NAME(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name)
#define RS_TRACE_NAME_FMT(fmt, ...) HITRACE_METER_FMT(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, fmt, ##__VA_ARGS__)
#define RS_ASYNC_TRACE_BEGIN(name, value) StartAsyncTrace(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name, value)
#define RS_ASYNC_TRACE_END(name, value) FinishAsyncTrace(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name, value)
#define RS_TRACE_INT(name, value) CountTrace(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name, value)
#define RS_TRACE_FUNC() RS_TRACE_NAME(__func__)

以下代码在显示器画面绘制方法。在方法开头调用宏定义RS_TRACE_NAME,将函数名ProcessDisplayRenderNode与对应的显示器id组合后,作为Trace名称记录下来,同时由于其本质是使用了快速打点单个方法的宏定义HITRACE_METER_NAME,于是只需要调用一次,即可收集到ProcessDisplayRenderNode函数的执行起终点时间,得出执行耗时。

// rosen/modules/render_service/core/pipeline/rs_surface_capture_task.cppvoid RSSurfaceCaptureVisitor::ProcessDisplayRenderNode(RSDisplayRenderNode &node)
{RS_TRACE_NAME("RSSurfaceCaptureVisitor::ProcessDisplayRenderNode:" +std::to_string(node.GetId()));// 此处省略方法内的其他业务逻辑// ...
}

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  7. 资源分类与访问
  8. 学习ArkTS语言
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  3. 公共事件与通知
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  9. 数据管理
  10. 后台任务(Background Task)管理
  11. 设备管理
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