作者：高玉龍（元泊）

背景介紹

當用户使用 App 時產生不好的體驗，問題往往出現在以下場景：

• 打開復雜頁面時出現黑屏/白屏延遲
• 列表滑動時偶發性卡頓
• 圖片加載時界面響應滯後
• 網絡請求密集時出現操作卡死等現象

這些場景不僅出現在低端設備上，在中高端機型中同樣存在。如果主線程無法響應用户的交互就會造成卡頓，卡頓時間比較長是比較影響 App 的功能和用户體驗的。在移動應用開發中，卡頓問題也始終是影響用户體驗的核心痛點。

通常情況下，導致主線程阻塞並引發卡頓的原因主要有以下幾種：

• 繁重的 UI 渲染：當界面包含複雜的視圖層級、大量的圖文混排內容時，計算佈局和繪製到屏幕上的工作量會急劇增加，超出單次刷新週期的處理能力。
• 主線程同步網絡請求：在主線程中發起同步的網絡調用，意味着整個應用必須等待網絡數據返回後才能繼續執行，期間無法響應任何用户操作。
• 大量的文件讀寫（I/O）：在主線程上直接進行大規模的數據讀取或寫入操作，例如讀寫數據庫或本地文件，會因為磁盤速度的限制而消耗大量時間。
• 高負荷的計算任務：將複雜的算法或大量數據的處理邏輯直接放在主線程執行，會導致 CPU 持續處於高佔用狀態，無暇顧及 UI 事件。
• 線程鎖使用不當：當主線程需要等待其他線程釋放某個鎖資源時，它會被掛起，如果等待時間過長，便會造成卡頓。在極端情況下，不同線程間的相互等待還會引發"死鎖"，導致應用徹底無響應。

由於這些問題的偶發性和環境依賴性，傳統的線下調試手段往往難以奏效。為了能夠精確、高效地定位並解決這些線上卡頓，我們進行一些卡頓監控技術的探索。

主流卡頓監控方案

在 iOS 開發中，以下是幾種常見的主流卡頓監控方案：

• Ping 線程方案
• FPS 監控方案
• RunLoop 監控方案

Ping 線程方案簡介

Ping 線程方案的核心思想是：

• 創建一個子線程，通過子線程來"探測"主線程的響應能力。
• 子線程每次 ping 主線程時設置標記位為 YES，然後派發任務到主線程中，主線程把標記位設置為 NO。
• 子線程 sleep 指定時間，超時後判斷標記位是否設置為 NO，如果沒有説明主線程發生了卡頓。

如下圖所示：

關鍵實現步驟：

1. 創建子線程：啓動一個獨立的監控線程。

2. 定時派發任務：子線程定期向主線程派發一個簡單的任務，並設置一個等待標記。

3. 等待主線程響應：主線程執行該任務時，會回調子線程，並清除等待標記。

4. 超時判斷：如果子線程在派發任務後的一小段時間內，發現等待標記仍未被清除，則判定主線程卡頓。

5. 捕獲與上報：執行堆棧捕獲和上報流程。

Ping 線程的方案邏輯相對比較簡單，也比較容易理解。但精度較差，Ping 之間可能存在漏查的情況。同時，Ping 線程會不停喚醒主線程 RunLoop，也會存在一定的性能損耗。

FPS 監控方案簡介

通常情況下屏幕會保持 60Hz/s 的刷新速度（新的 iOS 設備甚至會保持 120Hz/s 的刷新速度），每次刷新時會發出一個屏幕刷新信號，CADisplayLink 允許開發者註冊一個與刷新信號同步的回調處理。

我們可以通過計算它 1 秒內調用多少次來查看界面的流暢度。雖然 CADisplayLink 更輕量，但需要在 CPU 稍微清閒時才能夠回調，嚴重卡頓的堆棧獲取不一定及時，並且就算 50fps 以下通過肉眼來看也是連貫的。所以，簡單的通過監控 FPS 很難確定是否出現了卡頓問題。

RunLoop 方案簡介

基於 RunLoop 的監控方案，是目前比較主流的可用於生產環境的監控方案。其原理是利用 CFRunLoopObserver 來觀察主線程 RunLoop 的狀態變化。這裏通過引用戴銘關於 RunLoop 原理的圖，來對 RunLoop 方案的原理進行簡單介紹：

• 通知 observers：RunLoop 即將開始"進入 loop"
• 隨後，會開啓一個 do while 來保活線程
  • 通知 obersers：RunLoop 會觸發 Timer、Source0 回調，緊接着執行加入的 block
  • 如果 Source1 是 ready 狀態，會跳轉到"處理消息"流程
• 通知 observers：RunLoop 即將進入休眠狀態
• 等待 mach_port 消息，以再次喚醒
  • 基於 port 的 Source 事件
  • Timer 時間到
  • RunLoop 超時
  • 被調用者喚醒
• 通知 observers：RunLoop 被喚醒
• 處理消息
• 繼續下一個 loop

基於 RunLoop 的方案實現中，一般會包含下面幾個關鍵步驟：

1. 註冊 Observer：向主線程 RunLoop 註冊 Observer 來監聽其狀態。

2. 創建監控線程：用於監控主線程切換狀態。

3. 狀態標記與超時判斷：子線程根據 RunLoop 的狀態變化來設置標記，並循環檢測該標記是否在預設的閾值內被更新，否則判定為卡頓。

4. 堆棧捕獲與上報：判定為卡頓時，捕獲主線程的調用堆棧，並上報服務器進行分析。

基於 RunLoop 的方案能夠精準捕獲到由主線程阻塞導致的各類卡頓，適用於線上卡頓問題的監控和診斷分析。

方案對比

基於主流方案對比分析，三種性能監控策略分別聚焦不同維度，如下表：

• Ping 線程方案通過子線程週期性探測主線程響應時間識別卡頓，但精度低於 RunLoop 方案。
• FPS 監控作為全局性能指標，通過幀率波動反映應用流暢度並判斷卡頓，卻無法定位性能瓶頸。
• RunLoop 方案則介入主線程事件循環機制，實現單次阻塞事件的毫秒級捕捉，可精準識別主線程阻塞源。

卡頓監控方案實現

卡頓監控方案的核心目標在於精準捕獲並定位導致用户操作中斷、體驗顯著下降的"阻塞型"卡頓。當卡頓發生時，不僅包括識別卡頓事件的發生，更需追溯具體代碼行級的執行路徑以定位問題根源。

相較於其他主流方案，RunLoop 監控方案通過持續追蹤主線程任務執行耗時，能夠精確捕獲卡頓事件並同步採集完整的上下文調用堆棧信息。儘管其技術實現複雜度較高，但考慮到可部署於線上環境，以及對卡頓根因的診斷價值，最終被選定為核心實現方案。

上文中已經對 RunLoop 的原理有過大致的介紹，下文中將主要介紹如何具體實現。

監控 RunLoop 狀態

基於 RunLoop 實現卡頓監控方案，需要先監控 RunLoop 的狀態切換。如下圖，通過註冊的 Observer 可以監聽到主線程 RunLoop 狀態的切換事件，並通過 running 和 startTime 來記錄關聯的狀態和時間戳信息。監控線程通過讀取 running 狀態，以及 startTime 來判斷是否產生了狀態超時：

當主線程在執行某個任務的耗時較長時，RunLoop 的狀態切換就會延時。通過在子線程監控 RunLoop 關鍵狀態之間的時間差，就可以判斷主線程是否發生了阻塞。

方案實現中：

• 當 Observer 收到 kCFRunloopBeforeTimers、kCFRunloopBeforeSource、kCFRunLoopAfterWaiting 通知時，會把 running 狀態置為 YES，並通過 startTime 記錄當前時間戳。
• 當 Observer 收到 kCFRunloopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 通知時，把 running 狀態置為 NO。
• 監控線程需要持續讀取 running 狀態和 startTime 時間戳，通過判斷當前時間與 startTime 的差異來確定是否發生了卡頓，如下圖：

堆棧提取

當 RunLoop 狀態超時，即檢測到卡頓時，需要提取主線程堆棧並保存到內存中。堆棧的提取方案基於業界知名的 KSCrash 實現。相比通過系統函數獲取堆棧，通過 KSCrash 獲取的堆棧可以配合 dSYM 進行符號還原，能夠定位到具體的代碼位置，而且性能消耗也不大。

耗時堆棧提取

當監控線程監測主線程 RunLoop 時，會獲取主線程的線程快照作為卡頓堆棧。但是，這個主線程堆棧不一定是最耗時的堆棧，也不一定是導致主線程超時的主要原因。為了對這個問題進行優化，需要在檢測到主線程發生卡頓時，通過對保存在循環隊列中的堆棧進行回溯（間隔 50ms 獲取一次），獲取最近最耗時堆棧。

如上圖所示，通過以下特徵找出最近最耗時堆棧：

• 以棧頂函數為特徵，棧頂函數相同的，整個堆棧就是相同的，如：
  • 堆棧 A 的棧頂調用函數為 FuncA
  • 堆棧 B 的棧頂調用函數為 FuncB
  • 棧頂函數 FuncA 與 FuncB 不同，因此堆棧 A 和堆棧 B 為不同的堆棧
• 獲取堆棧間隔相同，堆棧的重複次數近似作為堆棧的調用耗時，重複越多耗時越多，如：
  • 堆棧 A 重複一次，近似耗時為 50ms
  • 堆棧 B 重複一次，近似耗時為 50ms
  • 堆棧 C 重複三次，近似耗時為 150ms
  • 堆棧 C 為最耗時堆棧
• 重複次數相同的堆棧中，取最近的一個作為最耗時堆棧

監控線程退火算法

卡頓檢測機制在無異常場景下性能開銷可忽略，但遭遇持續數秒級卡頓時，頻繁採集主線程堆棧信息時將引發顯著性能損耗。且連續重複的堆棧記錄無分析價值，完全沒有必要。為了降低卡頓監測帶來的性能損耗，SDK 採用了退火算法遞增時間間隔，避免因同一個卡頓問題帶來的性能問題。

• 每次子線程檢測到主線程卡頓，會先獲取主線程的堆棧，並保存到內存中
• 把獲得的主線程堆棧與上次卡頓獲得的線程堆棧進行比對
  • 不同：獲得當前線程快照並寫入到文件
  • 相同：跳過，並按照斐波那契數列把檢測時間遞增，直到沒有卡頓或卡頓堆棧不同

以上算法可以避免同一個卡頓寫入多個文件的情況，避免檢測線程遇到主線程卡死的情況下，不斷寫線程快照文件。

性能開銷

任何一個監控工具的首要原則是不能影響被監控對象的性能。因此，我們還需要測量基於 RunLoop 的卡頓監控方案對應用性能的實際影響。性能測量的核心是進行 A/B 對比測試。我們需要準備兩個幾乎完全相同的 App 版本：

• A 版本（基準版本）：卡頓監控功能完全禁用。
• B 版本（監控版本）：卡頓監控功能完全開啓。

然後在完全相同的設備和環境下，對這兩個版本執行相同的操作，並測量關鍵性能指標的差異。這個差異就是卡頓監控帶來的性能開銷。

測試設備：iPhone 12 Pro

測試系統：iOS 18.7

卡頓監控功能沒有開啓的情況下，App 持續運行一段時間並主動觸發卡頓，App 整體的 CPU 佔用如下圖：

卡頓監控功能開啓的情況下，App 持續運行一段時間並主動觸發卡頓，App 整體的 CPU 佔用如下圖：

在卡頓監控開啓情況下，監控線程的 CPU 佔用如下。

有卡頓發生時：

無卡頓發生時：

綜上分析，App 引入卡頓監控能力後：

• 無卡頓發生時，對 App 性能幾乎無影響
• 有卡頓發生時，App 整體 CPU 佔用增加約 0.33%（不同設備的測試值會略有差異）

總結

本文主要介紹了當下主流的 iOS 卡頓監控方案，和基於 RunLoop 的卡頓監控實現細節，包括 RunLoop 狀態的處理，堆棧以及耗時堆棧的提取，持續卡頓場景下的退火處理等。卡頓監控方案的實現過程中，通過融合行業成熟優秀的方案思路，實現了主線程阻塞卡頓的檢測能力。卡頓監控能力還在持續進化，後續還有不少可以優化和提升的點，如支持高 CPU 佔用卡頓、啓動卡頓等的檢測。目前這套方案已經應用在阿里雲 ARMS 用户體驗監控 iOS SDK 中，您可以參考接入文檔 [ 1] 體驗使用。相關問題可以加入"RUM 用户體驗監控支持羣"（釘釘羣號：67370002064）進行諮詢。

相關鏈接：

[1] 接入文檔

https://help.aliyun.com/zh/arms/user-experience-monitoring/monitor-ios-apps/