1、背景

随着移动互联网技术的发展，安卓APP的功能越来越多，对于APP性能的要求也随之提高。目前有很多应用性能监控(APM:Application perfmance monitor)的工具，如阿里的mobileperf，网易开源的Emmagee，腾讯的Matrix等等。

以上主流的性能监控是针对APP层，对安卓系统性能的监控也非常重要。谈及系统性能，我们很容易想到CPU使用率、CPU使用率TOP5的进程、内存、内存占用TOP5进程、网络速度、磁盘速度这6个常见的系统性能指标，本文针对这6个指标，通过查阅资料和实践，在应用层开发出一套更高效低耗的Android系统性能通用监控工具，本文也争取成为当前网上分析“Android系统性能监控指标获取和上报”最全面的文章。

2、方案实现

2.1 方案需求分析

结合上述背景分析，为在应用层实现“Android系统性能监控指标获取和上报”这个目标，在此说明本文的需求分析：

  1. 高效低耗低介入：开发一个系统性能监控工具，自然不希望该工具本身为系统性能造成负担，所以在保证完成性能监控的同时还要考虑工具本身的性能。要避免使用耗时较长或者阻塞的方法，同时该功能应该在业务最少介入的情况下，完成性能指标获取和上报；

  2. 本地保存：因为CPU使用率等指标都需要较频繁采集，需要将获取到的数据本地保存，等收集到一定数量数据再一次性压缩上报到后台；

  3. 灵活配置：不同指标获取的频率不同，因此针对不同指标能配置不同的获取频率；同时该监控功能可灵活配置开启和停止，以保证只在规定时间内进行性能监控，其他时间不会对系统造成任何影响。

2.2 方案流程框图

性能上报流程图.png

  1. 设置6个指标获取和上报的间隔时间，每个指标可以独立配置；
  • 配置获取间隔，不配置上报间隔：仅获取数据，并作本地保存；
  • 不配置获取间隔，配置上报间隔：不获取数据，则上报动作无效；
  1. 根据获取间隔获取对应指标数据保存在本地，达到上报时间则读取文件，将获取到的数据压缩上报到后台；
  2. 重复以上动作直到服务结束，期间可以灵活修改获取和上报时间；

3、CPU性能指标获取

CPU是性能监控最重要的指标之一，可以更好的帮我们监控设备的真实使用情况。其中CPU使用率的获取更是老生常谈的事情，那么关于CPU，有哪些指标对分析设备性能有帮助呢？在此推荐以下指标：

  1. CPU整体使用率和每个核的使用率；
  2. CPU有效核数；
  3. 实时CPU使用率最高的5个进程名；

3.1 CPU整体使用率和每个核的使用率

方案一：top指令

说到CPU使用率，熟悉linux或者Android的小伙伴第一个想到的办法一定是top指令，因为top指令非常强大，如下图我们可以知道，系统当前有432个进程，总CPU使用率为800%，其中697%处于空闲状态，其中占用CPU使用率最高的是system_server进程，占用了23.6%的CPU。由此可见top指令可以监视系统整体和各个进程的CPU使用率，但无法获取每个核的使用率，且比较的耗时，因此并不是最好的选择。

image.png

方案二：ps指令

ps(Process Status的缩写)指令是最基本同时也是非常强大的进程查看指令，可以查询系统内每个进程的运行状态、CPU使用率、占用的内存等，因为现在需要获取CPU使用率，可以执行：

ps -eo pid,%cpu,CMD --sort=-%cpu |head -n 6
指令解析：使用-o参数可自定义格式，这里只显示进程号、CPU使用率、进程名，并按CPU使用率降序排序，最后显示前5个进程。

image.png

ps指令耗时是毫秒级别，优于top指令，然而也无法获取整体或者每个核的使用率，并不适合现在的需求。

方案三：dumpsys cpuinfo

Android提供的dumpsys工具可以用于查看感兴趣的系统服务信息与状态，dumpsys cpuinfo可以用来查看安卓系统当前的cpu使用情况，执行的速度是非常快的，因为其打印的内容并非执行该命令的时候临时去更新的，而是系统内部有着相关的机制会在特定情况更新cpuinfo。为方便查看下图经过裁剪，我们可以看到系统整体CPU使用率和前5个进程的使用率，还缺少每个核的使用率，因此还不是最优的方案。不过在3.3小节dumpsys cpuinfo另有他用，其实现原理也可见下文介绍。

image.png

方案四：读取/proc/stat文件

既然说是老生常谈，那么读取/proc/stat文件来计算CPU使用率是目前最常见最有用的方法，Android源码获取CPU使用率也同样采用这种方法。虽然网上有很多资料，在此我们简单的重温一遍原理。proc系统文件是动态从系统内核读出所需要的信息并提交的，/proc/stat文件包含了所有CPU活动的信息，该文件中的所有值都是从系统启动开始累计到当前时刻，文件的内容如下:

cpu  38248 2957 53495 7615534 1767 0 116 0 0 0
cpu0 11928 595 17683 901362 510 0 31 0 0 0
cpu1 9638 536 15581 931712 424 0 37 0 0 0
cpu2 6578 404 9512 948917 305 0 20 0 0 0
cpu3 4607 296 5976 958486 240 0 10 0 0 0
cpu4 1718 262 1397 973129 91 0 7 0 0 0
cpu5 1519 206 1116 973438 66 0 4 0 0 0
cpu6 1022 462 1402 953706 56 0 4 0 0 0
cpu7 1236 193 825 974780 71 0 1 0 0 0
...

上述数值的单位是jiffies，这是内核中的一个全局变量，用来记录自系统启动一来产生的节拍数，在linux中，一个节拍大致可理解为操作系统进程调度的最小时间片，不同linux内核可能值有不同，通常在1ms到10ms之间。我们以第一行为例做介绍：

  • user (38248) 从系统启动开始累计到当前时刻，处于用户态的运行时间，不包含 nice值为负进程
  • nice (2957) 从系统启动开始累计到当前时刻，nice值为负的进程所占用的CPU时间
  • system (53495) 从系统启动开始累计到当前时刻，处于核心态的运行时间
  • idle (7615534) 从系统启动开始累计到当前时刻，除IO等待时间以外的其它等待时间
  • iowait (1767) 从系统启动开始累计到当前时刻，IO等待时间
  • irq (0) 从系统启动开始累计到当前时刻，硬中断时间
  • softirq (116) 从系统启动开始累计到当前时刻，软中断时间

计算方法：

  1. 采样两个足够短的时间隔的cpu快照，记为t1，t2.每一个cpu快照均为(user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq)的7元组;
  2. 计算出两个时刻的总的cpu时间,即上述7元组相加，分别记作：totalCpuTime1、totalCpuTime2
  3. 计算出两个时刻的非空闲时间，即上述7元组除了idle值的其他值点相加，分别记作：occupiedCpuTime1、occupiedCpuTime2
  4. 计算cpu使用率 = 100*(occupiedCpuTime2 – occupiedCpuTime1) / (totalCpuTime2 – totalCpuTime1)(按100%计算，如果是多核情况下还需乘以cpu的个数)

无论是cpu整体使用率还是cpu0到cpu7单个核的使用率都可以使用这种方法计算出对应的使用率。

结论

获取CPU使用率方法 能否获取多核使用率 效率 实现难度 推荐
top指令 否 低 易
ps指令 否 高 易
dumpsys cpuinfo 否 高 易
/proc/stat文件 能 高 中 ✔

3.2 CPU有效核数

当前设备有效核数虽然无法提供性能监控上直观的表现，但却是必不可少的数据，应用层直接调用Runtime.getRuntime().availableProcessors()即可获取。

3.3 实时CPU使用率最高的5个进程

除了获取CPU整体使用率知道系统大致的负载情况，还可以获取当前时间系统内占用CPU最大的若干个进程进一步分析，在此以获取实时CPU使用率最高的5个进程为例。

方案一：top指令

3.1小节说到top指令可以监视系统整体和各个进程的CPU使用率，并且是实时的，然而耗时太长。

方案二：ps指令

3.1小节说到ps指令可以查询每个进程的CPU使用率，再根据CPU使用率降序排序就可以获得TOP5进程。然而实践之后，发现实时性很差。比如开启某个占用CPU使用率较高的进程，通过top指令可以在TOP5进程查到该进程，但通过ps指令需要等待一段时间才可以查到。通过查询man手册，找到了原因，关键信息如下：

  • %CPU：it is the CPU time used divided by the time the process has been running (cputime/realtime ratio), expressed as a percentage. 由此可知通过ps获取的CPU使用率是该进程从运行到现在，这一整段时间的CPU平均使用率，而非进程实时的使用率。

方案三：读取/proc/[pid]/stat

该文件包含了某一个进程的所有活动信息，该文件中所有值都是从系统启动开始累计到当前时刻，因为数值较多，此处仅介绍需要用到的4个参数，详细可见参考文档：《花式读取Android CPU使用率》。

  • pid：进程ID
  • utime：该进程处于用户态的时间，单位：jiffies
  • stime：该进程处于内核态的时间，单位：jiffies
  • cutime：该进程等待子进程的utime，单位：jiffies
  • cstime：该进程等待子进程的stime，单位：jiffies

因此该进程的总CPU时间 = utime + stime + cutime + cstime,该数值包含该进程所有线程的CPU时间。某一进程CPU使用率的计算方式：

  1. 采样两个足够短的时间隔的cpu快照与进程快照：
  • 每一个cpu快照均为(user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq)的7元组;
  • 每一个进程快照均为 (utime、stime、c