APM 是 Application Performance Monitoring 的縮寫，監視和管理軟件應用程序的性能和可用性。應用性能管理對一個應用的持續穩定運行至關重要。所以這篇文章就從一個 iOS App 的性能管理的緯度談談如何精確監控以及數據如何上報等技術點
App 的性能問題是影響用戶體驗的重要因素之一。性能問題主要包含：Crash、網絡請求錯誤或者超時、UI 響應速度慢、主線程卡頓、CPU 和內存使用率高、耗電量大等等。大多數的問題原因在於開發者錯誤地使用了線程鎖、系統函數、編程規範問題、數據結構等等。解決問題的關鍵在於儘早的發現和定位問題。
本篇文章着重總結了 APM 的原因以及如何收集數據。APM 數據收集後結合數據上報機制，按照一定策略上傳數據到服務端。服務端消費這些信息併產出報告。
一、卡頓監控
卡頓問題，就是在主線程上無法響應用戶交互的問題。影響着用戶的直接體驗，所以針對 App 的卡頓監控是 APM 裏面重要的一環。
FPS（frame per second）每秒鐘的幀刷新次數，iPhone 手機以 60 爲最佳，iPad 某些型號是 120，也是作爲卡頓監控的一項參考參數，爲什麼說是參考參數？因爲它不準確。先說說怎麼獲取到 FPS。CADisplayLink 是一個系統定時器，會以幀刷新頻率一樣的速率來刷新視圖。 [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(###:)]。至於爲什麼不准我們來看看下面的示例代碼
_displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(p_displayLinkTick:)];
[_displayLink setPaused:YES];
[_displayLink addToRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
代碼所示，CADisplayLink 對象是被添加到指定的 RunLoop 的某個 Mode 下。所以還是 CPU 層面的操作，卡頓的體驗是整個圖像渲染的結果：CPU + GPU。請繼續往下看
1. 屏幕繪製原理
講講老式的 CRT 顯示器的原理。CRT 電子槍按照上面方式，從上到下一行行掃描，掃面完成後顯示器就呈現一幀畫面，隨後電子槍回到初始位置繼續下一次掃描。爲了把顯示器的顯示過程和系統的視頻控制器進行同步，顯示器（或者其他硬件）會用硬件時鐘產生一系列的定時信號。當電子槍換到新的一行，準備進行掃描時，顯示器會發出一個水平同步信號（horizonal synchronization），簡稱 HSync；當一幀畫面繪製完成後，電子槍恢復到原位，準備畫下一幀前，顯示器會發出一個垂直同步信號（Vertical synchronization），簡稱 VSync。顯示器通常以固定的頻率進行刷新，這個固定的刷新頻率就是 VSync 信號產生的頻率。雖然現在的顯示器基本都是液晶顯示屏，但是原理保持不變。
通常，屏幕上一張畫面的顯示是由 CPU、GPU 和顯示器是按照上圖的方式協同工作的。CPU 根據工程師寫的代碼計算好需要現實的內容（比如視圖創建、佈局計算、圖片解碼、文本繪製等），然後把計算結果提交到 GPU，GPU 負責圖層合成、紋理渲染，隨後 GPU 將渲染結果提交到幀緩衝區。隨後視頻控制器會按照 VSync 信號逐行讀取幀緩衝區的數據，經過數模轉換傳遞給顯示器顯示。
在幀緩衝區只有一個的情況下，幀緩衝區的讀取和刷新都存在效率問題，爲了解決效率問題，顯示系統會引入2個緩衝區，即雙緩衝機制。在這種情況下，GPU 會預先渲染好一幀放入幀緩衝區，讓視頻控制器來讀取，當下一幀渲染好後，GPU 直接把視頻控制器的指針指向第二個緩衝區。提升了效率。
目前來看，雙緩衝區提高了效率，但是帶來了新的問題：當視頻控制器還未讀取完成時，即屏幕內容顯示了部分，GPU 將新渲染好的一幀提交到另一個幀緩衝區並把視頻控制器的指針指向新的幀緩衝區，視頻控制器就會把新的一幀數據的下半段顯示到屏幕上，造成畫面撕裂的情況。
爲了解決這個問題，GPU 通常有一個機制叫垂直同步信號（V-Sync），當開啓垂直同步信號後，GPU 會等到視頻控制器發送 V-Sync 信號後，才進行新的一幀的渲染和幀緩衝區的更新。這樣的幾個機制解決了畫面撕裂的情況，也增加了畫面流暢度。但需要更多的計算資源
答疑
可能有些人會看到「當開啓垂直同步信號後，GPU 會等到視頻控制器發送 V-Sync 信號後，才進行新的一幀的渲染和幀緩衝區的更新」這裏會想，GPU 收到 V-Sync 才進行新的一幀渲染和幀緩衝區的更新，那是不是雙緩衝區就失去意義了？
設想一個顯示器顯示第一幀圖像和第二幀圖像的過程。首先在雙緩衝區的情況下，GPU 首先渲染好一幀圖像存入到幀緩衝區，然後讓視頻控制器的指針直接直接這個緩衝區，顯示第一幀圖像。第一幀圖像的內容顯示完成後，視頻控制器發送 V-Sync 信號，GPU 收到 V-Sync 信號後渲染第二幀圖像並將視頻控制器的指針指向第二個幀緩衝區。
看上去第二幀圖像是在等第一幀顯示後的視頻控制器發送 V-Sync 信號。是嗎？真是這樣的嗎？???? 想啥呢，當然不是。???? 不然雙緩衝區就沒有存在的意義了
揭祕。請看下圖
當第一次 V-Sync 信號到來時，先渲染好一幀圖像放到幀緩衝區，但是不展示，當收到第二個 V-Sync 信號後讀取第一次渲染好的結果（視頻控制器的指針指向第一個幀緩衝區），並同時渲染新的一幀圖像並將結果存入第二個幀緩衝區，等收到第三個 V-Sync 信號後，讀取第二個幀緩衝區的內容（視頻控制器的指針指向第二個幀緩衝區），並開始第三幀圖像的渲染並送入第一個幀緩衝區，依次不斷循環往復。
2. 卡頓產生的原因
VSync 信號到來後，系統圖形服務會通過 CADisplayLink 等機制通知 App，App 主線程開始在 CPU 中計算顯示內容（視圖創建、佈局計算、圖片解碼、文本繪製等）。然後將計算的內容提交到 GPU，GPU 經過圖層的變換、合成、渲染，隨後 GPU 把渲染結果提交到幀緩衝區，等待下一次 VSync 信號到來再顯示之前渲染好的結果。在垂直同步機制的情況下，如果在一個 VSync 時間週期內，CPU 或者 GPU 沒有完成內容的提交，就會造成該幀的丟棄，等待下一次機會再顯示，這時候屏幕上還是之前渲染的圖像，所以這就是 CPU、GPU 層面界面卡頓的原因。
目前 iOS 設備有雙緩存機制，也有三緩衝機制，Android 現在主流是三緩衝機制，在早期是單緩衝機制。iOS 三緩衝機制例子
CPU 和 GPU 資源消耗原因很多，比如對象的頻繁創建、屬性調整、文件讀取、視圖層級的調整、佈局的計算（AutoLayout 視圖個數多了就是線性方程求解難度變大）、圖片解碼（大圖的讀取優化）、圖像繪製、文本渲染、數據庫讀取（多讀還是多寫樂觀鎖、悲觀鎖的場景）、鎖的使用（舉例：自旋鎖使用不當會浪費 CPU）等方面。開發者根據自身經驗尋找最優解（這裏不是本文重點）。
3. APM 如何監控卡頓並上報
CADisplayLink 肯定不用了，這個 FPS 僅作爲參考。一般來講，卡頓的監測有2種方案：監聽 RunLoop 狀態回調、子線程 ping 主線程
3.1 RunLoop 狀態監聽的方式
RunLoop 負責監聽輸入源進行調度處理。比如網絡、輸入設備、週期性或者延遲事件、異步回調等。RunLoop 會接收2種類型的輸入源：一種是來自另一個線程或者來自不同應用的異步消息（source0事件）、另一種是來自預定或者重複間隔的事件。
RunLoop 狀態如下圖
第一步：通知 Observers，RunLoop 要開始進入 loop，緊接着進入 loop
if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopEntry )
// 通知 Observers: RunLoop 即將進入 loop
__CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
// 進入loop
result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);
第二步：開啓 do while 循環保活線程，通知 Observers，RunLoop 觸發 Timer 回調、Source0 回調，接着執行被加入的 block
if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeTimers)
// 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Timer 回調
__CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeSources)
// 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Source 回調
__CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
// 執行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
第三步：RunLoop 在觸發 Source0 回調後，如果 Source1 是 ready 狀態，就會跳轉到 handle_msg 去處理消息。
// 如果有 Source1 (基於port) 處於 ready 狀態，直接處理這個 Source1 然後跳轉去處理消息
if (MACH_PORT_NULL != dispatchPort && !didDispatchPortLastTime) {
#if DEPLOYMENT_TARGET_MACOSX || DEPLOYMENT_TARGET_EMBEDDED || DEPLOYMENT_TARGET_EMBEDDED_MINI
msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
if (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, 0, &voucherState, NULL)) {
goto handle_msg;
}
#elif DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
if (__CFRunLoopWaitForMultipleObjects(NULL, &dispatchPort, 0, 0, &livePort, NULL)) {
goto handle_msg;
}
#endif
}
第四步：回調觸發後，通知 Observers 即將進入休眠狀態
Boolean poll = sourceHandledThisLoop || (0ULL == timeout_context->termTSR);
// 通知 Observers: RunLoop 的線程即將進入休眠(sleep)
if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
__CFRunLoopSetSleeping(rl);
第五步：進入休眠後，會等待 mach_port 消息，以便再次喚醒。只有以下4種情況纔可以被再次喚醒。
基於 port 的 source 事件
Timer 時間到
RunLoop 超時
被調用者喚醒
do {
if (kCFUseCollectableAllocator) {
// objc_clear_stack(0);
// <rdar://problem/16393959>
memset(msg_buffer, 0, sizeof(msg_buffer));
}
msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy);
if (modeQueuePort != MACH_PORT_NULL && livePort == modeQueuePort) {
// Drain the internal queue. If one of the callout blocks sets the timerFired flag, break out and service the timer.
while (_dispatch_runloop_root_queue_perform_4CF(rlm->_queue));
if (rlm->_timerFired) {
// Leave livePort as the queue port, and service timers below
rlm->_timerFired = false;
break;
} else {
if (msg && msg != (mach_msg_header_t *)msg_buffer) free(msg);
}
} else {
// Go ahead and leave the inner loop.
break;
}
} while (1);
第六步：喚醒時通知 Observer，RunLoop 的線程剛剛被喚醒了
// 通知 Observers: RunLoop 的線程剛剛被喚醒了
if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopAfterWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);
// 處理消息
handle_msg:;
__CFRunLoopSetIgnoreWakeUps(rl);
第七步：RunLoop 喚醒後，處理喚醒時收到的消息
如果是 Timer 時間到，則觸發 Timer 的回調
如果是 dispatch，則執行 block
如果是 source1 事件，則處理這個事件
#if USE_MK_TIMER_TOO
// 如果一個 Timer 到時間了，觸發這個Timer的回調
else if (rlm->_timerPort != MACH_PORT_NULL && livePort == rlm->_timerPort) {
CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_TIMER();
// On Windows, we have observed an issue where the timer port is set before the time which we requested it to be set. For example, we set the fire time to be TSR 167646765860, but it is actually observed firing at TSR 167646764145, which is 1715 ticks early. The result is that, when __CFRunLoopDoTimers checks to see if any of the run loop timers should be firing, it appears to be 'too early' for the next timer, and no timers are handled.
// In this case, the timer port has been automatically reset (since it was returned from MsgWaitForMultipleObjectsEx), and if we do not re-arm it, then no timers will ever be serviced again unless something adjusts the timer list (e.g. adding or removing timers). The fix for the issue is to reset the timer here if CFRunLoopDoTimers did not handle a timer itself. 9308754
if (!__CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())) {
// Re-arm the next timer
__CFArmNextTimerInMode(rlm, rl);
}
}
#endif
// 如果有dispatch到main_queue的block，執行block
else if (livePort == dispatchPort) {
CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_DISPATCH();
__CFRunLoopModeUnlock(rlm);
__CFRunLoopUnlock(rl);
_CFSetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ, (void *)6, NULL);
#if DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
void *msg = 0;
#endif
__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
_CFSetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ, (void *)0, NULL);
__CFRunLoopLock(rl);
__CFRunLoopModeLock(rlm);
sourceHandledThisLoop = true;
didDispatchPortLastTime = true;
}
// 如果一個 Source1 (基於port) 發出事件了，處理這個事件
else {
CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_SOURCE();
// If we received a voucher from this mach_msg, then put a copy of the new voucher into TSD. CFMachPortBoost will look in the TSD for the voucher. By using the value in the TSD we tie the CFMachPortBoost to this received mach_msg explicitly without a chance for anything in between the two pieces of code to set the voucher again.
voucher_t previousVoucher = _CFSetTSD(__CFTSDKeyMachMessageHasVoucher, (void *)voucherCopy, os_release);
CFRunLoopSourceRef rls = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(rl, rlm, livePort);
if (rls) {
#if DEPLOYMENT_TARGET_MACOSX || DEPLOYMENT_TARGET_EMBEDDED || DEPLOYMENT_TARGET_EMBEDDED_MINI
mach_msg_header_t *reply = NULL;
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply) || sourceHandledThisLoop;
if (NULL != reply) {
(void)mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply->msgh_size, 0, MACH_PORT_NULL, 0, MACH_PORT_NULL);
CFAllocatorDeallocate(kCFAllocatorSystemDefault, reply);
}
#elif DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls) || sourceHandledThisLoop;
#endif
第八步：根據當前 RunLoop 狀態判斷是否需要進入下一個 loop。當被外部強制停止或者 loop 超時，就不繼續下一個 loop，否則進入下一個 loop
if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
// 進入loop時參數說處理完事件就返回
retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
} else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {
// 超出傳入參數標記的超時時間了
retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
} else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
__CFRunLoopUnsetStopped(rl);
// 被外部調用者強制停止了
retVal = kCFRunLoopRunStopped;
} else if (rlm->_stopped) {
rlm->_stopped = false;
retVal = kCFRunLoopRunStopped;
} else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {
// source/timer一個都沒有
retVal = kCFRunLoopRunFinished;
}
完整且帶有註釋的 RunLoop 代碼見此處。Source1 是 RunLoop 用來處理 Mach port 傳來的系統事件的，Source0 是用來處理用戶事件的。收到 Source1 的系統事件後本質還是調用 Source0 事件的處理函數。
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
kCFRunLoopEntry , // 進入 loop
kCFRunLoopBeforeTimers , // 觸發 Timer 回調
kCFRunLoopBeforeSources , // 觸發 Source0 回調
kCFRunLoopBeforeWaiting , // 等待 mach_port 消息
kCFRunLoopAfterWaiting ), // 接收 mach_port 消息
kCFRunLoopExit , // 退出 loop
kCFRunLoopAllActivities // loop 所有狀態改變
}
RunLoop 在進入睡眠前的方法執行時間過長而導致無法進入睡眠，或者線程喚醒後接收消息時間過長而無法進入下一步，都會阻塞線程。如果是主線程，則表現爲卡頓。
一旦發現進入睡眠前的 KCFRunLoopBeforeSources 狀態，或者喚醒後 KCFRunLoopAfterWaiting，在設置的時間閾值內沒有變化，則可判斷爲卡頓，此時 dump 堆棧信息，還原案發現場，進而解決卡頓問題。
開啓一個子線程，不斷進行循環監測是否卡頓了。在 n 次都超過卡頓閾值後則認爲卡頓了。卡頓之後進行堆棧 dump 並上報（具有一定的機制，數據處理在下一 part 講）。
WatchDog 在不同狀態下具有不同的值。
啓動（Launch）：20s
恢復（Resume）：10s
掛起（Suspend）：10s
退出（Quit）：6s
後臺（Background）：3min（在 iOS7 之前可以申請 10min；之後改爲 3min；可連續申請，最多到 10min）
卡頓閾值的設置的依據是 WatchDog 的機制。APM 系統裏面的閾值需要小於 WatchDog 的值，所以取值範圍在 [1, 6] 之間，業界通常選擇3秒。
通過 long dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout) 方法判斷是否阻塞主線程，Returns zero on success, or non-zero if the timeout occurred. 返回非0則代表超時阻塞了主線程。
可能很多人納悶 RunLoop 狀態那麼多，爲什麼選擇 KCFRunLoopBeforeSources 和 KCFRunLoopAfterWaiting？因爲大部分卡頓都是在 KCFRunLoopBeforeSources 和 KCFRunLoopAfterWaiting 之間。比如 Source0 類型的 App 內部事件等
Runloop 檢測卡頓流程圖如下：
關鍵代碼如下：
// 設置Runloop observer的運行環境
CFRunLoopObserverContext context = {0, (__bridge void *)self, NULL, NULL};
// 創建Runloop observer對象
_observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
kCFRunLoopAllActivities,
YES,
0,
&runLoopObserverCallBack,
&context);
// 將新建的observer加入到當前thread的runloop
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), _observer, kCFRunLoopCommonModes);
// 創建信號
_semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
__weak __typeof(self) weakSelf = self;
// 在子線程監控時長
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
__strong __typeof(weakSelf) strongSelf = weakSelf;
if (!strongSelf) {
return;
}
while (YES) {
if (strongSelf.isCancel) {
return;
}
// N次卡頓超過閾值T記錄爲一次卡頓
long semaphoreWait = dispatch_semaphore_wait(self->_semaphore, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, strongSelf.limitMillisecond * NSEC_PER_MSEC));
if (semaphoreWait != 0) {
if (self->_activity == kCFRunLoopBeforeSources || self->_activity == kCFRunLoopAfterWaiting) {
if (++strongSelf.countTime < strongSelf.standstillCount){
continue;
}
// 堆棧信息 dump 並結合數據上報機制，按照一定策略上傳數據到服務器。堆棧 dump 會在下面講解。數據上報會在 [打造功能強大、靈活可配置的數據上報組件](https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/blob/master/Chapter1%20-%20iOS/1.80.md) 講
}
}
strongSelf.countTime = 0;
}
});
3.2 子線程 ping 主線程監聽的方式
開啓一個子線程，創建一個初始值爲0的信號量、一個初始值爲 YES 的布爾值類型標誌位。將設置標誌位爲 NO 的任務派發到主線程中去，子線程休眠閾值時間，時間到後判斷標誌位是否被主線程成功（值爲 NO），如果沒成功則認爲豬線程發生了卡頓情況，此時 dump 堆棧信息並結合數據上報機制，按照一定策略上傳數據到服務器。數據上報會在 打造功能強大、靈活可配置的數據上報組件 講
while (self.isCancelled == NO) {
@autoreleasepool {
__block BOOL isMainThreadNoRespond = YES;
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
isMainThreadNoRespond = NO;
dispatch_semaphore_signal(semaphore);
});
[NSThread sleepForTimeInterval:self.threshold];
if (isMainThreadNoRespond) {
if (self.handlerBlock) {
self.handlerBlock(); // 外部在 block 內部 dump 堆棧（下面會講），數據上報
}
}
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
}
}
4. 堆棧 dump
方法堆棧的獲取是一個麻煩事。理一下思路。[NSThread callStackSymbols] 可以獲取當前線程的調用棧。但是當監控到卡頓發生，需要拿到主線程的堆棧信息就無能爲力了。從任何線程回到主線程這條路走不通。先做個知識回顧。
在計算機科學中，調用堆棧是一種棧類型的數據結構，用於存儲有關計算機程序的線程信息。這種棧也叫做執行堆棧、程序堆棧、控制堆棧、運行時堆棧、機器堆棧等。調用堆棧用於跟蹤每個活動的子例程在完成執行後應該返回控制的點。
維基百科搜索到 “Call Stack” 的一張圖和例子，如下
上圖表示爲一個棧。分爲若干個棧幀（Frame），每個棧幀對應一個函數調用。下面藍色部分表示 DrawSquare 函數，它在執行的過程中調用了 DrawLine 函數，用綠色部分表示。
可以看到棧幀由三部分組成：函數參數、返回地址、局部變量。比如在 DrawSquare 內部調用了 DrawLine 函數：第一先把 DrawLine 函數需要的參數入棧；第二把返回地址(控制信息。舉例：函數 A 內調用函數 B，調用函數B 的下一行代碼的地址就是返回地址)入棧；第三函數內部的局部變量也在該棧中存儲。
棧指針 Stack Pointer 表示當前棧的頂部，大多部分操作系統都是棧向下生長，所以棧指針是最小值。幀指針 Frame Pointer 指向的地址中，存儲了上一次 Stack Pointer 的值，也就是返回地址。
大多數操作系統中，每個棧幀還保存了上一個棧幀的幀指針。因此知道當前棧幀的 Stack Pointer 和 Frame Pointer 就可以不斷回溯，遞歸獲取棧底的幀。
接下來的步驟就是拿到所有線程的 Stack Pointer 和 Frame Pointer。然後不斷回溯，還原案發現場。
5. Mach Task 知識
Mach task:
App 在運行的時候，會對應一個 Mach Task，而 Task 下可能有多條線程同時執行任務。《OS X and iOS Kernel Programming》 中描述 Mach Task 爲：任務（Task）是一種容器對象，虛擬內存空間和其他資源都是通過這個容器對象管理的，這些資源包括設備和其他句柄。簡單概括爲：Mack task 是一個機器無關的 thread 的執行環境抽象。
作用：task 可以理解爲一個進程，包含它的線程列表。
結構體：task_threads，將 target_task 任務下的所有線程保存在 act_list 數組中，數組個數爲 act_listCnt
kern_return_t task_threads
(
task_t traget_task,
thread_act_array_t *act_list, //線程指針列表
mach_msg_type_number_t *act_listCnt //線程個數
)
thread_info:
kern_return_t thread_info
(
thread_act_t target_act,
thread_flavor_t flavor,
thread_info_t thread_info_out,
mach_msg_type_number_t *thread_info_outCnt
);
如何獲取線程的堆棧數據：
系統方法 kern_return_t task_threads(task_inspect_t target_task, thread_act_array_t *act_list, mach_msg_type_number_t *act_listCnt); 可以獲取到所有的線程，不過這種方法獲取到的線程信息是最底層的 mach 線程。
對於每個線程，可以用 kern_return_t thread_get_state(thread_act_t target_act, thread_state_flavor_t flavor, thread_state_t old_state, mach_msg_type_number_t *old_stateCnt); 方法獲取它的所有信息，信息填充在 _STRUCT_MCONTEXT 類型的參數中，這個方法中有2個參數隨着 CPU 架構不同而不同。所以需要定義宏屏蔽不同 CPU 之間的區別。
_STRUCT_MCONTEXT 結構體中，存儲了當前線程的 Stack Pointer 和最頂部棧幀的 Frame pointer，進而回溯整個線程調用堆棧。
但是上述方法拿到的是內核線程，我們需要的信息是 NSThread，所以需要將內核線程轉換爲 NSThread。
pthread 的 p 是 POSIX 的縮寫，表示「可移植操作系統接口」（Portable Operating System Interface）。設計初衷是每個系統都有自己獨特的線程模型，且不同系統對於線程操作的 API 都不一樣。所以 POSIX 的目的就是提供抽象的 pthread 以及相關 API。這些 API 在不同的操作系統中有不同的實現，但是完成的功能一致。
Unix 系統提供的 task_threads 和 thread_get_state 操作的都是內核系統，每個內核線程由 thread_t 類型的 id 唯一標識。pthread 的唯一標識是 pthread_t 類型。其中內核線程和 pthread 的轉換（即 thread_t 和 pthread_t）很容易，因爲 pthread 設計初衷就是「抽象內核線程」。
memorystatus_action_neededpthread_create 方法創建線程的回調函數爲 nsthreadLauncher。
static void *nsthreadLauncher(void* thread)
{
NSThread *t = (NSThread*)thread;
[nc postNotificationName: NSThreadDidStartNotification object:t userInfo: nil];
[t _setName: [t name]];
[t main];
[NSThread exit];
return NULL;
}
NSThreadDidStartNotification 其實就是字符串 @"_NSThreadDidStartNotification"。
<NSThread: 0x...>{number = 1, name = main}
爲了 NSThread 和內核線程對應起來，只能通過 name 一一對應。pthread 的 API pthread_getname_np 也可獲取內核線程名字。np 代表 not POSIX，所以不能跨平臺使用。
思路概括爲：將 NSThread 的原始名字存儲起來，再將名字改爲某個隨機數（時間戳），然後遍歷內核線程 pthread 的名字，名字匹配則 NSThread 和內核線程對應了起來。找到後將線程的名字還原成原本的名字。對於主線程，由於不能使用 pthread_getname_np，所以在當前代碼的 load 方法中獲取到 thread_t，然後匹配名字。
static mach_port_t main_thread_id;
+ (void)load {
main_thread_id = mach_thread_self();
}
二、 App 啓動時間監控
1. App 啓動時間的監控
應用啓動時間是影響用戶體驗的重要因素之一，所以我們需要量化去衡量一個 App 的啓動速度到底有多快。啓動分爲冷啓動和熱啓動。
冷啓動：App 尚未運行，必須加載並構建整個應用。完成應用的初始化。冷啓動存在較大優化空間。冷啓動時間從 application: didFinishLaunchingWithOptions: 方法開始計算，App 一般在這裏進行各種 SDK 和 App 的基礎初始化工作。
熱啓動：應用已經在後臺運行（常見場景：比如用戶使用 App 過程中點擊 Home 鍵，再打開 App），由於某些事件將應用喚醒到前臺，App 會在 applicationWillEnterForeground: 方法接受應用進入前臺的事件
思路比較簡單。如下
在監控類的
load方法中先拿到當前的時間值監聽 App 啓動完成後的通知
UIApplicationDidFinishLaunchingNotification收到通知後拿到當前的時間
步驟1和3的時間差就是 App 啓動時間。
mach_absolute_time 是一個 CPU/總線依賴函數，返回一個 CPU 時鐘週期數。系統休眠時不會增加。是一個納秒級別的數字。獲取前後2個納秒後需要轉換到秒。需要基於系統時間的基準，通過 mach_timebase_info 獲得。
mach_timebase_info_data_t g_cmmStartupMonitorTimebaseInfoData = 0;
mach_timebase_info(&g_cmmStartupMonitorTimebaseInfoData);
uint64_t timelapse = mach_absolute_time() - g_cmmLoadTime;
double timeSpan = (timelapse * g_cmmStartupMonitorTimebaseInfoData.numer) / (g_cmmStartupMonitorTimebaseInfoData.denom * 1e9);
2. 線上監控啓動時間就好，但是在開發階段需要對啓動時間做優化。
要優化啓動時間，就先得知道在啓動階段到底做了什麼事情，針對現狀作出方案。
pre-main 階段定義爲 App 開始啓動到系統調用 main 函數這個階段；main 階段定義爲 main 函數入口到主 UI 框架的 viewDidAppear。
App 啓動過程：
解析 Info.plist：加載相關信息例如閃屏；沙盒建立、權限檢查；
Mach-O 加載：如果是胖二進制文件，尋找合適當前 CPU 架構的部分；加載所有依賴的 Mach-O 文件（遞歸調用 Mach-O 加載的方法）；定義內部、外部指針引用，例如字符串、函數等；加載分類中的方法；c++ 靜態對象加載、調用 Objc 的
+load()函數；執行聲明爲 _attribute((constructor)) 的 c 函數；程序執行：調用 main()；調用 UIApplicationMain()；調用 applicationWillFinishLaunching()；
Pre-Main 階段
Main 階段
2.1 加載 Dylib
每個動態庫的加載，dyld 需要
分析所依賴的動態庫
找到動態庫的 Mach-O 文件
打開文件
驗證文件
在系統核心註冊文件簽名
對動態庫的每一個 segment 調用 mmap（）
優化：
減少非系統庫的依賴
使用靜態庫而不是動態庫
合併非系統動態庫爲一個動態庫
2.2 Rebase && Binding
優化：
減少 Objc 類數量，減少 selector 數量，把未使用的類和函數都可以刪掉
減少 c++ 虛函數數量
轉而使用 Swift struct（本質就是減少符號的數量）
2.3 Initializers
優化：
使用
+initialize代替+load不要使用過 attribute*((constructor)) 將方法顯示標記爲初始化器，而是讓初始化方法調用時才執行。比如使用 dispatch_one、pthread_once() 或 std::once()。也就是第一次使用時才初始化，推遲了一部分工作耗時也儘量不要使用 c++ 的靜態對象
2.4 pre-main 階段影響因素
動態庫加載越多，啓動越慢。
ObjC 類越多，函數越多，啓動越慢。
可執行文件越大啓動越慢。
C 的 constructor 函數越多，啓動越慢。
C++ 靜態對象越多，啓動越慢。
ObjC 的 +load 越多，啓動越慢。
優化手段：
減少依賴不必要的庫，不管是動態庫還是靜態庫；如果可以的話，把動態庫改造成靜態庫；如果必須依賴動態庫，則把多個非系統的動態庫合併成一個動態庫
檢查下 framework應當設爲optional和required，如果該framework在當前App支持的所有iOS系統版本都存在，那麼就設爲required，否則就設爲optional，因爲optional會有些額外的檢查
合併或者刪減一些OC類和函數。關於清理項目中沒用到的類，使用工具AppCode代碼檢查功能，查到當前項目中沒有用到的類（也可以用根據linkmap文件來分析，但是準確度不算很高） 有一個叫做FUI的開源項目能很好的分析出不再使用的類，準確率非常高，唯一的問題是它處理不了動態庫和靜態庫裏提供的類，也處理不了C++的類模板
刪減一些無用的靜態變量
刪減沒有被調用到或者已經廢棄的方法
將不必須在 +load 方法中做的事情延遲到 +initialize中，儘量不要用 C++ 虛函數(創建虛函數表有開銷)
類和方法名不要太長：iOS每個類和方法名都在 __cstring 段裏都存了相應的字符串值，所以類和方法名的長短也是對可執行文件大小是有影響的 因還是 Object-c 的動態特性，因爲需要通過類/方法名反射找到這個類/方法進行調用，Object-c 對象模型會把類/方法名字符串都保存下來；
用 dispatch_once() 代替所有的 attribute((constructor)) 函數、C++ 靜態對象初始化、ObjC 的 +load 函數；
在設計師可接受的範圍內壓縮圖片的大小，會有意外收穫。壓縮圖片爲什麼能加快啓動速度呢？因爲啓動的時候大大小小的圖片加載個十來二十個是很正常的， 圖片小了，IO操作量就小了，啓動當然就會快了，比較靠譜的壓縮算法是 TinyPNG。
2.5 main 階段優化
減少啓動初始化的流程。能懶加載就懶加載，能放後臺初始化就放後臺初始化，能延遲初始化的就延遲初始化，不要卡主線程的啓動時間，已經下線的業務代碼直接刪除
優化代碼邏輯。去除一些非必要的邏輯和代碼，減小每個流程所消耗的時間
啓動階段使用多線程來進行初始化，把 CPU 性能發揮最大
使用純代碼而不是 xib 或者 storyboard 來描述 UI，尤其是主 UI 框架，比如 TabBarController。因爲 xib 和 storyboard 還是需要解析成代碼來渲染頁面，多了一步。
三、 CPU 使用率監控
1. CPU 架構
CPU（Central Processing Unit）中央處理器，市場上主流的架構有 ARM（arm64）、Intel（x86）、AMD 等。其中 Intel 使用 CISC（Complex Instruction Set Computer），ARM 使用 RISC（Reduced Instruction Set Computer）。區別在於不同的 CPU 設計理念和方法。
早期 CPU 全部是 CISC 架構，設計目的是用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務。比如對於乘法運算，在 CISC 架構的 CPU 上。一條指令 MUL ADDRA, ADDRB 就可以將內存 ADDRA 和內存 ADDRB 中的數香乘，並將結果存儲在 ADDRA 中。做的事情就是：將 ADDRA、ADDRB 中的數據讀入到寄存器，相乘的結果寫入到內存的操作依賴於 CPU 設計，所以 CISC 架構會增加 CPU 的複雜性和對 CPU 工藝的要求。
RISC 架構要求軟件來指定各個操作步驟。比如上面的乘法，指令實現爲 MOVE A, ADDRA; MOVE B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A;。這種架構可以降低 CPU 的複雜性以及允許在同樣的工藝水平下生產出功能更加強大的 CPU，但是對於編譯器的設計要求更高。
目前市場是大部分的 iPhone 都是基於 arm64 架構的。且 arm 架構能耗低。
2. 獲取線程信息<a name="threadInfo"></a>
講完了區別來講下如何做 CPU 使用率的監控
開啓定時器，按照設定的週期不斷執行下面的邏輯
獲取當前任務 task。從當前 task 中獲取所有的線程信息（線程個數、線程數組）
遍歷所有的線程信息，判斷是否有線程的 CPU 使用率超過設置的閾值
假如有線程使用率超過閾值，則 dump 堆棧
組裝數據，上報數據
線程信息結構體
struct thread_basic_info {
time_value_t user_time; /* user run time（用戶運行時長） */
time_value_t system_time; /* system run time（系統運行時長） */
integer_t cpu_usage; /* scaled cpu usage percentage（CPU使用率，上限1000） */
policy_t policy; /* scheduling policy in effect（有效調度策略） */
integer_t run_state; /* run state (運行狀態，見下) */
integer_t flags; /* various flags (各種各樣的標記) */
integer_t suspend_count; /* suspend count for thread（線程掛起次數） */
integer_t sleep_time; /* number of seconds that thread
* has been sleeping（休眠時間） */
};
代碼在講堆棧還原的時候講過，忘記的看一下上面的分析
thread_act_array_t threads;
mach_msg_type_number_t threadCount = 0;
const task_t thisTask = mach_task_self();
kern_return_t kr = task_threads(thisTask, &threads, &threadCount);
if (kr != KERN_SUCCESS) {
return ;
}
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
thread_info_data_t threadInfo;
thread_basic_info_t threadBaseInfo;
mach_msg_type_number_t threadInfoCount;
kern_return_t kr = thread_info((thread_inspect_t)threads[i], THREAD_BASIC_INFO, (thread_info_t)threadInfo, &threadInfoCount);
if (kr == KERN_SUCCESS) {
threadBaseInfo = (thread_basic_info_t)threadInfo;
// todo：條件判斷，看不明白
if (!(threadBaseInfo->flags & TH_FLAGS_IDLE)) {
integer_t cpuUsage = threadBaseInfo->cpu_usage / 10;
if (cpuUsage > CPUMONITORRATE) {
NSMutableDictionary *CPUMetaDictionary = [NSMutableDictionary dictionary];
NSData *CPUPayloadData = [NSData data];
NSString *backtraceOfAllThread = [BacktraceLogger backtraceOfAllThread];
// 1. 組裝卡頓的 Meta 信息
CPUMetaDictionary[@"MONITOR_TYPE"] = CMMonitorCPUType;
// 2. 組裝卡頓的 Payload 信息（一個JSON對象，對象的 Key 爲約定好的 STACK_TRACE， value 爲 base64 後的堆棧信息）
NSData *CPUData = [SAFE_STRING(backtraceOfAllThread) dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
NSString *CPUDataBase64String = [CPUData base64EncodedStringWithOptions:0];
NSDictionary *CPUPayloadDictionary = @{@"STACK_TRACE": SAFE_STRING(CPUDataBase64String)};
NSError *error;
// NSJSONWritingOptions 參數一定要傳0，因爲服務端需要根據 \n 處理邏輯，傳遞 0 則生成的 json 串不帶 \n
NSData *parsedData = [NSJSONSerialization dataWithJSONObject:CPUPayloadDictionary options:0 error:&error];
if (error) {
CMMLog(@"%@", error);
return;
}
CPUPayloadData = [parsedData copy];
// 3. 數據上報會在 [打造功能強大、靈活可配置的數據上報組件](https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/blob/master/Chapter1%20-%20iOS/1.80.md) 講
[[PrismClient sharedInstance] sendWithType:CMMonitorCPUType meta:CPUMetaDictionary payload:CPUPayloadData];
}
}
}
}
四、 OOM 問題
1. 基礎知識準備
硬盤：也叫做磁盤，用於存儲數據。你存儲的歌曲、圖片、視頻都是在硬盤裏。
內存：由於硬盤讀取速度較慢，如果 CPU 運行程序期間，所有的數據都直接從硬盤中讀取，則非常影響效率。所以 CPU 會將程序運行所需要的數據從硬盤中讀取到內存中。然後 CPU 與內存中的數據進行計算、交換。內存是易失性存儲器（斷電後，數據消失）。內存條區是計算機內部（在主板上）的一些存儲器，用來保存 CPU 運算的中間數據和結果。內存是程序與 CPU 之間的橋樑。從硬盤讀取出數據或者運行程序提供給 CPU。
虛擬內存 是計算機系統內存管理的一種技術。它使得程序認爲它擁有連續的可用內存，而實際上，它通常被分割成多個物理內存碎片，可能部分暫時存儲在外部磁盤（硬盤）存儲器上（當需要使用時則用硬盤中數據交換到內存中）。Windows 系統中稱爲 “虛擬內存”，Linux/Unix 系統中稱爲 ”交換空間“。
iOS 不支持交換空間？不只是 iOS 不支持交換空間，大多數手機系統都不支持。因爲移動設備的大量存儲器是閃存，它的讀寫速度遠遠小電腦所使用的硬盤，也就是說手機即使使用了交換空間技術，也因爲閃存慢的問題，不能提升性能，所以索性就沒有交換空間技術。
2. iOS 內存知識
內存（RAM）與 CPU 一樣都是系統中最稀少的資源，也很容易發生競爭，應用內存與性能直接相關。iOS 沒有交換空間作爲備選資源，所以內存資源尤爲重要。
什麼是 OOM？是 out-of-memory 的縮寫，字面意思是超過了內存限制。分爲 FOOM（foreground OOM）和 BOOM（background OOM）。它是由 iOS 的 Jetsam 機制造成的一種非主流 Crash，它不能通過 Signal 這種監控方案所捕獲。
什麼是 Jetsam 機制？Jetsam 機制可以理解爲系統爲了控制內存資源過度使用而採用的一種管理機制。Jetsam 機制是運行在一個獨立的進程中，每個進程都有一個內存閾值，一旦超過這個內存閾值，Jetsam 會立即殺掉這個進程。
爲什麼設計 Jetsam 機制？因爲設備的內存是有限的，所以內存資源非常重要。系統進程以及其他使用的 App 都會搶佔這個資源。由於 iOS 不支持交換空間，一旦觸發低內存事件，Jetsam 就會盡可能多的釋放 App 所在內存，這樣 iOS 系統上出現內存不足時，App 就會被系統殺掉，變現爲 crash。
2種情況觸發 OOM：系統由於整體內存使用過高，會基於優先級策略殺死優先級較低的 App；當前 App 達到了 "highg water mark" ，系統也會強殺當前 App（超過系統對當前單個 App 的內存限制值）。
讀了源碼（xnu/bsd/kern/kern_memorystatus.c）會發現內存被殺也有2種機制，如下
highwater 處理 -> 我們的 App 佔用內存不能超過單個限制
從優先級列表裏循環尋找線程
判斷是否滿足 p_memstat_memlimit 的限制條件
DiagonoseActive、FREEZE 過濾
殺進程，成功則 exit，否則循環
memorystatus_act_aggressive 處理 -> 內存佔用高，按照優先級殺死
根據 policy 家在 jld_bucket_count，用來判斷是否被殺
從 JETSAM_PRIORITY_ELEVATED_INACTIVE 開始殺
Old_bucket_count 和 memorystatus_jld_eval_period_msecs 判斷是否開殺
根據優先級從低到高開始殺，直到 memorystatus_avail_pages_below_pressure
內存過大的幾種情況
App 內存消耗較低，同時其他 App 內存管理也很棒，那麼即使切換到其他 App，我們自己的 App 依舊是“活着”的，保留了用戶狀態。體驗好
App 內存消耗較低，但其他 App 內存消耗太大（可能是內存管理糟糕，也可能是本身就耗費資源，比如遊戲），那麼除了在前臺的線程，其他 App 都會被系統殺死，回收內存資源，用來給活躍的進程提供內存。
App 內存消耗較大，切換到其他 App 後，即使其他 App 向系統申請的內存不大，系統也會因爲內存資源緊張，優先把內存消耗大的 App 殺死。表現爲用戶將 App 退出到後臺，過會兒再次打開會發現 App 重新加載啓動。
App 內存消耗非常大，在前臺運行時就被系統殺死，造成閃退。
App 內存不足時，系統會按照一定策略來騰出更多的空間供使用。比較常見的做法是將一部分優先級低的數據挪到磁盤上，該操作爲稱爲 page out。之後再次訪問這塊數據的時候，系統會負責將它重新搬回到內存中，該操作被稱爲 page in。
Memory page** 是內存管理中的最小單位，是系統分配的，可能一個 page 持有多個對象，也可能一個大的對象跨越多個 page。通常它是 16KB 大小，且有3種類型的 page。
Clean Memory Clean memory 包括3類：可以
page out的內存、內存映射文件、App 使用到的 framework（每個 framework 都有 _DATA_CONST 段，通常都是 clean 狀態，但使用 runtime swizling，那麼變爲 dirty）。一開始分配的 page 都是乾淨的（堆裏面的對象分配除外），我們 App 數據寫入時候變爲 dirty。從硬盤讀進內存的文件，也是隻讀的、clean page。
Dirty Memory
Dirty memory 包括4類：被 App 寫入過數據的內存、所有堆區分配的對象、圖像解碼緩衝區、framework（framework 都有 _DATA 段和 _DATA_DIRTY 段，它們的內存都是 dirty）。
在使用 framework 的過程中會產生 Dirty memory，使用單例或者全局初始化方法有助於幫助減少 Dirty memory（因爲單例一旦創建就不銷燬，一直在內存中，系統不認爲是 Dirty memory）。
Compressed Memory
由於閃存容量和讀寫限制，iOS 沒有交換空間機制，而是在 iOS7 引入了 memory compressor。它是在內存緊張時候能夠將最近一段時間未使用過的內存對象，內存壓縮器會把對象壓縮，釋放出更多的 page。在需要時內存壓縮器對其解壓複用。在節省內存的同時提高了響應速度。
比如 App 使用某 Framework，內部有個 NSDictionary 屬性存儲數據，使用了 3 pages 內存，在近期未被訪問的時候 memory compressor 將其壓縮爲 1 page，再次使用的時候還原爲 3 pages。
App 運行內存 = pageNumbers * pageSize。因爲 Compressed Memory 屬於 Dirty memory。所以 Memory footprint = dirtySize + CompressedSize
設備不同，內存佔用上限不同，App 上限較高，extension 上限較低，超過上限 crash 到 EXC_RESOURCE_EXCEPTION。
接下來談一下如何獲取內存上限，以及如何監控 App 因爲佔用內存過大而被強殺。
3. 獲取內存信息
3.1 通過 JetsamEvent 日誌計算內存限制值
當 App 被 Jetsam 機制殺死時，手機會生成系統日誌。查看路徑：Settings-Privacy-Analytics & Improvements- Analytics Data（設置-隱私- 分析與改進-分析數據），可以看到 JetsamEvent-2020-03-14-161828.ips 形式的日誌，以 JetsamEvent 開頭。這些 JetsamEvent 日誌都是 iOS 系統內核強殺掉那些優先級不高（idle、frontmost、suspended）且佔用內存超過系統內存限制的 App 留下的。
日誌包含了 App 的內存信息。可以查看到 日誌最頂部有 pageSize 字段，查找到 per-process-limit，該節點所在結構裏的 rpages ，將 rpages * pageSize 即可得到 OOM 的閾值。
日誌中 largestProcess 字段代表 App 名稱；reason 字段代表內存原因；states 字段代表奔潰時 App 的狀態（ idle、suspended、frontmost...）。
爲了測試數據的準確性，我將測試2臺設備（iPhone 6s plus/13.3.1，iPhone 11 Pro/13.3.1）的所有 App 徹底退出，只跑了一個爲了測試內存臨界值的 Demo App。循環申請內存，ViewController 代碼如下
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
for (NSInteger index = 0; index < 10000000; index++) {
UIImageView *imageView = [[UIImageView alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, 100, 100)];
UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"AppIcon"];
imageView.image = image;
[array addObject:imageView];
}
}
iPhone 6s plus/13.3.1 數據如下：
{"bug_type":"298","timestamp":"2020-03-19 17:23:45.94 +0800","os_version":"iPhone OS 13.3.1 (17D50)","incident_id":"DA8AF66D-24E8-458C-8734-981866942168"}
{
"crashReporterKey" : "fc9b659ce486df1ed1b8062d5c7c977a7eb8c851",
"kernel" : "Darwin Kernel Version 19.3.0: Thu Jan 9 21:10:44 PST 2020; root:xnu-6153.82.3~1\/RELEASE_ARM64_S8000",
"product" : "iPhone8,2",
"incident" : "DA8AF66D-24E8-458C-8734-981866942168",
"date" : "2020-03-19 17:23:45.93 +0800",
"build" : "iPhone OS 13.3.1 (17D50)",
"timeDelta" : 332,
"memoryStatus" : {
"compressorSize" : 48499,
"compressions" : 7458651,
"decompressions" : 5190200,
"zoneMapCap" : 744407040,
"largestZone" : "APFS_4K_OBJS",
"largestZoneSize" : 41402368,
"pageSize" : 16384,
"uncompressed" : 104065,
"zoneMapSize" : 141606912,
"memoryPages" : {
"active" : 26214,
"throttled" : 0,
"fileBacked" : 14903,
"wired" : 20019,
"anonymous" : 37140,
"purgeable" : 142,
"inactive" : 23669,
"free" : 2967,
"speculative" : 2160
}
},
"largestProcess" : "Test",
"genCounter" : 0,
"processes" : [
{
"uuid" : "39c5738b-b321-3865-a731-68064c4f7a6f",
"states" : [
"daemon",
"idle"
],
"lifetimeMax" : 188,
"age" : 948223699030,
"purgeable" : 0,
"fds" : 25,
"coalition" : 422,
"rpages" : 177,
"pid" : 282,
"idleDelta" : 824711280,
"name" : "com.apple.Safari.SafeBrowsing.Se",
"cpuTime" : 10.275422000000001
},
// ...
{
"uuid" : "83dbf121-7c0c-3ab5-9b66-77ee926e1561",
"states" : [
"frontmost"
],
"killDelta" : 2592,
"genCount" : 0,
"age" : 1531004794,
"purgeable" : 0,
"fds" : 50,
"coalition" : 1047,
"rpages" : 92806,
"reason" : "per-process-limit",
"pid" : 2384,
"cpuTime" : 59.464373999999999,
"name" : "Test",
"lifetimeMax" : 92806
},
// ...
]
}
iPhone 6s plus/13.3.1 手機 OOM 臨界值爲：(16384*92806)/(1024*1024)=1450.09375M
iPhone 11 Pro/13.3.1 數據如下：
{"bug_type":"298","timestamp":"2020-03-19 17:30:28.39 +0800","os_version":"iPhone OS 13.3.1 (17D50)","incident_id":"7F111601-BC7A-4BD7-A468-CE3370053057"}
{
"crashReporterKey" : "bc2445adc164c399b330f812a48248e029e26276",
"kernel" : "Darwin Kernel Version 19.3.0: Thu Jan 9 21:11:10 PST 2020; root:xnu-6153.82.3~1\/RELEASE_ARM64_T8030",
"product" : "iPhone12,3",
"incident" : "7F111601-BC7A-4BD7-A468-CE3370053057",
"date" : "2020-03-19 17:30:28.39 +0800",
"build" : "iPhone OS 13.3.1 (17D50)",
"timeDelta" : 189,
"memoryStatus" : {
"compressorSize" : 66443,
"compressions" : 25498129,
"decompressions" : 15532621,
"zoneMapCap" : 1395015680,
"largestZone" : "APFS_4K_OBJS",
"largestZoneSize" : 41222144,
"pageSize" : 16384,
"uncompressed" : 127027,
"zoneMapSize" : 169639936,
"memoryPages" : {
"active" : 58652,
"throttled" : 0,
"fileBacked" : 20291,
"wired" : 45838,
"anonymous" : 96445,
"purgeable" : 4,
"inactive" : 54368,
"free" : 5461,
"speculative" : 3716
}
},
"largestProcess" : "杭城小劉",
"genCounter" : 0,
"processes" : [
{
"uuid" : "2dd5eb1e-fd31-36c2-99d9-bcbff44efbb7",
"states" : [
"daemon",
"idle"
],
"lifetimeMax" : 171,
"age" : 5151034269954,
"purgeable" : 0,
"fds" : 50,
"coalition" : 66,
"rpages" : 164,
"pid" : 11276,
"idleDelta" : 3801132318,
"name" : "wcd",
"cpuTime" : 3.430787
},
// ...
{
"uuid" : "63158edc-915f-3a2b-975c-0e0ac4ed44c0",
"states" : [
"frontmost"
],
"killDelta" : 4345,
"genCount" : 0,
"age" : 654480778,
"purgeable" : 0,
"fds" : 50,
"coalition" : 1718,
"rpages" : 134278,
"reason" : "per-process-limit",
"pid" : 14206,
"cpuTime" : 23.955463999999999,
"name" : "杭城小劉",
"lifetimeMax" : 134278
},
// ...
]
}
iPhone 11 Pro/13.3.1 手機 OOM 臨界值爲：(16384*134278)/(1024*1024)=2098.09375M
iOS 系統如何發現 Jetsam ？
MacOS/iOS 是一個 BSD 衍生而來的系統，其內核是 Mach，但是對於上層暴露的接口一般是基於 BSD 層對 Mach 的包裝後的。Mach 是一個微內核的架構，真正的虛擬內存管理也是在其中進行的，BSD 對內存管理提供了上層接口。Jetsam 事件也是由 BSD 產生的。bsd_init 函數是入口，其中基本都是在初始化各個子系統，比如虛擬內存管理等。
// 1. Initialize the kernel memory allocator, 初始化 BSD 內存 Zone，這個 Zone 是基於 Mach 內核的zone 構建
kmeminit();
// 2. Initialise background freezing, iOS 上獨有的特性，內存和進程的休眠的常駐監控線程
#if CONFIG_FREEZE
#ifndef CONFIG_MEMORYSTATUS
#error "CONFIG_FREEZE defined without matching CONFIG_MEMORYSTATUS"
#endif
/* Initialise background freezing */
bsd_init_kprintf("calling memorystatus_freeze_init\n");
memorystatus_freeze_init();
#endif>
// 3. iOS 獨有，JetSAM（即低內存事件的常駐監控線程）
#if CONFIG_MEMORYSTATUS
/* Initialize kernel memory status notifications */
bsd_init_kprintf("calling memorystatus_init\n");
memorystatus_init();
#endif /* CONFIG_MEMORYSTATUS */
主要作用就是開啓了2個優先級最高的線程，來監控整個系統的內存情況。
CONFIG_FREEZE 開啓時，內核對進程進行冷凍而不是殺死。冷凍功能是由內核中啓動一個 memorystatus_freeze_thread 進行，這個進程在收到信號後調用 memorystatus_freeze_top_process 進行冷凍。
iOS 系統會開啓優先級最高的線程 vm_pressure_monitor 來監控系統的內存壓力情況，並通過一個堆棧來維護所有 App 進程。iOS 系統還會維護一個內存快照表，用於保存每個進程內存頁的消耗情況。有關 Jetsam 也就是 memorystatus 相關的邏輯，可以在 XNU 項目中的 kern_memorystatus.h 和 **kern_memorystatus.c **源碼中查看。
iOS 系統因內存佔用過高會強殺 App 前，至少有 6秒鐘可以用來做優先級判斷，JetsamEvent 日誌也是在這6秒內生成的。
上文提到了 iOS 系統沒有交換空間，於是引入了 MemoryStatus 機制（也稱爲 Jetsam）。也就是說在 iOS 系統上釋放盡可能多的內存供當前 App 使用。這個機制表現在優先級上，就是先強殺後臺應用；如果內存還是不夠多，就強殺掉當前應用。在 MacOS 中，MemoryStatus 只會強殺掉標記爲空閒退出的進程。
MemoryStatus 機制會開啓一個 memorystatus_jetsam_thread 的線程，它負責強殺 App 和記錄日誌，不會發送消息，所以內存壓力檢測線程無法獲取到強殺 App 的消息。
當監控線程發現某 App 有內存壓力時，就發出通知，此時有內存的 App 就去執行 didReceiveMemoryWarning 代理方法。在這個時機，我們還有機會做一些內存資源釋放的邏輯，也許會避免 App 被系統殺死。
源碼角度查看問題
iOS 系統內核有一個數組，專門維護線程的優先級。數組的每一項是一個包含進程鏈表的結構體。結構體如下：
#define MEMSTAT_BUCKET_COUNT (JETSAM_PRIORITY_MAX + 1)
typedef struct memstat_bucket {
TAILQ_HEAD(, proc) list;
int count;
} memstat_bucket_t;
memstat_bucket_t memstat_bucket[MEMSTAT_BUCKET_COUNT];
在 kern_memorystatus.h 中可以看到進行優先級信息
#define JETSAM_PRIORITY_IDLE_HEAD -2
/* The value -1 is an alias to JETSAM_PRIORITY_DEFAULT */
#define JETSAM_PRIORITY_IDLE 0
#define JETSAM_PRIORITY_IDLE_DEFERRED 1 /* Keeping this around till all xnu_quick_tests can be moved away from it.*/
#define JETSAM_PRIORITY_AGING_BAND1 JETSAM_PRIORITY_IDLE_DEFERRED
#define JETSAM_PRIORITY_BACKGROUND_OPPORTUNISTIC 2
#define JETSAM_PRIORITY_AGING_BAND2 JETSAM_PRIORITY_BACKGROUND_OPPORTUNISTIC
#define JETSAM_PRIORITY_BACKGROUND 3
#define JETSAM_PRIORITY_ELEVATED_INACTIVE JETSAM_PRIORITY_BACKGROUND
#define JETSAM_PRIORITY_MAIL 4
#define JETSAM_PRIORITY_PHONE 5
#define JETSAM_PRIORITY_UI_SUPPORT 8
#define JETSAM_PRIORITY_FOREGROUND_SUPPORT 9
#define JETSAM_PRIORITY_FOREGROUND 10
#define JETSAM_PRIORITY_AUDIO_AND_ACCESSORY 12
#define JETSAM_PRIORITY_CONDUCTOR 13
#define JETSAM_PRIORITY_HOME 16
#define JETSAM_PRIORITY_EXECUTIVE 17
#define JETSAM_PRIORITY_IMPORTANT 18
#define JETSAM_PRIORITY_CRITICAL 19
#define JETSAM_PRIORITY_MAX 21
可以明顯的看到，後臺 App 優先級 JETSAM_PRIORITY_BACKGROUND 爲3，前臺 App 優先級 JETSAM_PRIORITY_FOREGROUND 爲10。
優先級規則是：內核線程優先級 > 操作系統優先級 > App 優先級。且前臺 App 優先級高於後臺運行的 App；當線程的優先級相同時， CPU 佔用多的線程的優先級會被降低。
在 kern_memorystatus.c 中可以看到 OOM 可能的原因：
/* For logging clarity */
static const char *memorystatus_kill_cause_name[] = {
"" , /* kMemorystatusInvalid */
"jettisoned" , /* kMemorystatusKilled */
"highwater" , /* kMemorystatusKilledHiwat */
"vnode-limit" , /* kMemorystatusKilledVnodes */
"vm-pageshortage" , /* kMemorystatusKilledVMPageShortage */
"proc-thrashing" , /* kMemorystatusKilledProcThrashing */
"fc-thrashing" , /* kMemorystatusKilledFCThrashing */
"per-process-limit" , /* kMemorystatusKilledPerProcessLimit */
"disk-space-shortage" , /* kMemorystatusKilledDiskSpaceShortage */
"idle-exit" , /* kMemorystatusKilledIdleExit */
"zone-map-exhaustion" , /* kMemorystatusKilledZoneMapExhaustion */
"vm-compressor-thrashing" , /* kMemorystatusKilledVMCompressorThrashing */
"vm-compressor-space-shortage" , /* kMemorystatusKilledVMCompressorSpaceShortage */
};
查看 memorystatus_init 這個函數中初始化 Jetsam 線程的關鍵代碼
__private_extern__ void
memorystatus_init(void)
{
// ...
/* Initialize the jetsam_threads state array */
jetsam_threads = kalloc(sizeof(struct jetsam_thread_state) * max_jetsam_threads);
/* Initialize all the jetsam threads */
for (i = 0; i < max_jetsam_threads; i++) {
result = kernel_thread_start_priority(memorystatus_thread, NULL, 95 /* MAXPRI_KERNEL */, &jetsam_threads[i].thread);
if (result == KERN_SUCCESS) {
jetsam_threads[i].inited = FALSE;
jetsam_threads[i].index = i;
thread_deallocate(jetsam_threads[i].thread);
} else {
panic("Could not create memorystatus_thread %d", i);
}
}
}
/*
* High-level priority assignments
*
*************************************************************************
* 127 Reserved (real-time)
* A
* +
* (32 levels)
* +
* V
* 96 Reserved (real-time)
* 95 Kernel mode only
* A
* +
* (16 levels)
* +
* V
* 80 Kernel mode only
* 79 System high priority
* A
* +
* (16 levels)
* +
* V
* 64 System high priority
* 63 Elevated priorities
* A
* +
* (12 levels)
* +
* V
* 52 Elevated priorities
* 51 Elevated priorities (incl. BSD +nice)
* A
* +
* (20 levels)
* +
* V
* 32 Elevated priorities (incl. BSD +nice)
* 31 Default (default base for threads)
* 30 Lowered priorities (incl. BSD -nice)
* A
* +
* (20 levels)
* +
* V
* 11 Lowered priorities (incl. BSD -nice)
* 10 Lowered priorities (aged pri's)
* A
* +
* (11 levels)
* +
* V
* 0 Lowered priorities (aged pri's / idle)
*************************************************************************
*/
可以看出：用戶態的應用程序的線程不可能高於操作系統和內核。而且，用戶態的應用程序間的線程優先級分配也有區別，比如處於前臺的應用程序優先級高於處於後臺的應用程序優先級。iOS 上應用程序優先級最高的是 SpringBoard；此外線程的優先級不是一成不變的。Mach 會根據線程的利用率和系統整體負載動態調整線程優先級。如果耗費 CPU 太多就降低線程優先級，如果線程過度捱餓，則會提升線程優先級。但是無論怎麼變，程序都不能超過其所在線程的優先級區間範圍。
可以看出，系統會根據內核啓動參數和設備性能，開啓 max_jetsam_threads 個（一般情況爲1，特殊情況下可能爲3）jetsam 線程，且這些線程的優先級爲 95，也就是 MAXPRI_KERNEL（注意這裏的 95 是線程的優先級，XNU 的線程優先級區間爲：0～127。上文的宏定義是進程優先級，區間爲：-2~19）。
緊接着，分析下 memorystatus_thread 函數，主要負責線程啓動的初始化
static void
memorystatus_thread(void *param __unused, wait_result_t wr __unused)
{
//...
while (memorystatus_action_needed()) {
boolean_t killed;
int32_t priority;
uint32_t cause;
uint64_t jetsam_reason_code = JETSAM_REASON_INVALID;
os_reason_t jetsam_reason = OS_REASON_NULL;
cause = kill_under_pressure_cause;
switch (cause) {
case kMemorystatusKilledFCThrashing:
jetsam_reason_code = JETSAM_REASON_MEMORY_FCTHRASHING;
break;
case kMemorystatusKilledVMCompressorThrashing:
jetsam_reason_code = JETSAM_REASON_MEMORY_VMCOMPRESSOR_THRASHING;
break;
case kMemorystatusKilledVMCompressorSpaceShortage:
jetsam_reason_code = JETSAM_REASON_MEMORY_VMCOMPRESSOR_SPACE_SHORTAGE;
break;
case kMemorystatusKilledZoneMapExhaustion:
jetsam_reason_code = JETSAM_REASON_ZONE_MAP_EXHAUSTION;
break;
case kMemorystatusKilledVMPageShortage:
/* falls through */
default:
jetsam_reason_code = JETSAM_REASON_MEMORY_VMPAGESHORTAGE;
cause = kMemorystatusKilledVMPageShortage;
break;
}
/* Highwater */
boolean_t is_critical = TRUE;
if (memorystatus_act_on_hiwat_processes(&errors, &hwm_kill, &post_snapshot, &is_critical)) {
if (is_critical == FALSE) {
/*
* For now, don't kill any other processes.
*/
break;
} else {
goto done;
}
}
jetsam_reason = os_reason_create(OS_REASON_JETSAM, jetsam_reason_code);
if (jetsam_reason == OS_REASON_NULL) {
printf("memorystatus_thread: failed to allocate jetsam reason\n");
}
if (memorystatus_act_aggressive(cause, jetsam_reason, &jld_idle_kills, &corpse_list_purged, &post_snapshot)) {
goto done;
}
/*
* memorystatus_kill_top_process() drops a reference,
* so take another one so we can continue to use this exit reason
* even after it returns
*/
os_reason_ref(jetsam_reason);
/* LRU */
killed = memorystatus_kill_top_process(TRUE, sort_flag, cause, jetsam_reason, &priority, &errors);
sort_flag = FALSE;
if (killed) {
if (memorystatus_post_snapshot(priority, cause) == TRUE) {
post_snapshot = TRUE;
}
/* Jetsam Loop Detection */
if (memorystatus_jld_enabled == TRUE) {
if ((priority == JETSAM_PRIORITY_IDLE) || (priority == system_procs_aging_band) || (priority == applications_aging_band)) {
jld_idle_kills++;
} else {
/*
* We've reached into bands beyond idle deferred.
* We make no attempt to monitor them
*/
}
}
if ((priority >= JETSAM_PRIORITY_UI_SUPPORT) && (total_corpses_count() > 0) && (corpse_list_purged == FALSE)) {
/*
* If we have jetsammed a process in or above JETSAM_PRIORITY_UI_SUPPORT
* then we attempt to relieve pressure by purging corpse memory.
*/
task_purge_all_corpses();
corpse_list_purged = TRUE;
}
goto done;
}
if (memorystatus_avail_pages_below_critical()) {
/*
* Still under pressure and unable to kill a process - purge corpse memory
*/
if (total_corpses_count() > 0) {
task_purge_all_corpses();
corpse_list_purged = TRUE;
}
if (memorystatus_avail_pages_below_critical()) {
/*
* Still under pressure and unable to kill a process - panic
*/
panic("memorystatus_jetsam_thread: no victim! available pages:%llu\n", (uint64_t)memorystatus_available_pages);
}
}
done:
}
可以看到它開啓了一個 循環，memorystatus_action_needed() 來作爲循環條件，持續釋放內存。
static boolean_t
memorystatus_action_needed(void)
{
#if CONFIG_EMBEDDED
return (is_reason_thrashing(kill_under_pressure_cause) ||
is_reason_zone_map_exhaustion(kill_under_pressure_cause) ||
memorystatus_available_pages <= memorystatus_available_pages_pressure);
#else /* CONFIG_EMBEDDED */
return (is_reason_thrashing(kill_under_pressure_cause) ||
is_reason_zone_map_exhaustion(kill_under_pressure_cause));
#endif /* CONFIG_EMBEDDED */
}
它通過 vm_pagepout 發送的內存壓力來判斷當前內存資源是否緊張。幾種情況：頻繁的頁面換出換進 is_reason_thrashing, Mach Zone 耗盡了 is_reason_zone_map_exhaustion、以及可用的頁低於了 memory status_available_pages 這個門檻。
繼續看 memorystatus_thread，會發現內存緊張時，將先觸發 High-water 類型的 OOM，也就是說假如某個進程使用過程中超過了其使用內存的最高限制 hight water mark 時會發生 OOM。在 memorystatus_act_on_hiwat_processes() 中，通過 memorystatus_kill_hiwat_proc() 在優先級數組 memstat_bucket 中查找優先級最低的進程，如果進程的內存小於閾值（footprint_in_bytes <= memlimit_in_bytes）則繼續尋找次優先級較低的進程，直到找到佔用內存超過閾值的進程並殺死。
通常來說單個 App 很難觸碰到 high water mark，如果不能結束任何進程，最終走到 memorystatus_act_aggressive，也就是大多數 OOM 發生的地方。
static boolean_t
memorystatus_act_aggressive(uint32_t cause, os_reason_t jetsam_reason, int *jld_idle_kills, boolean_t *corpse_list_purged, boolean_t *post_snapshot)
{
// ...
if ( (jld_bucket_count == 0) ||
(jld_now_msecs > (jld_timestamp_msecs + memorystatus_jld_eval_period_msecs))) {
/*
* Refresh evaluation parameters
*/
jld_timestamp_msecs = jld_now_msecs;
jld_idle_kill_candidates = jld_bucket_count;
*jld_idle_kills = 0;
jld_eval_aggressive_count = 0;
jld_priority_band_max = JETSAM_PRIORITY_UI_SUPPORT;
}
//...
}
上述代碼看到，判斷要不要真正執行 kill 是根據一定的時間間判斷的，條件是 jld_now_msecs > (jld_timestamp_msecs + memorystatus_jld_eval_period_msecs。也就是在 memorystatus_jld_eval_period_msecs 後才發生條件裏面的 kill。
/* Jetsam Loop Detection */
if (max_mem <= (512 * 1024 * 1024)) {
/* 512 MB devices */
memorystatus_jld_eval_period_msecs = 8000; /* 8000 msecs == 8 second window */
} else {
/* 1GB and larger devices */
memorystatus_jld_eval_period_msecs = 6000; /* 6000 msecs == 6 second window */
}
其中 memorystatus_jld_eval_period_msecs 取值最小6秒。所以我們可以在6秒內做些處理。
3.2 開發者們整理所得
stackoverflow 上有一份數據，整理了各種設備的 OOM 臨界值
| device | crash amount:MB | total amount:MB | percentage of total |
|---|---|---|---|
| iPad1 | 127 | 256 | 49% |
| iPad2 | 275 | 512 | 53% |
| iPad3 | 645 | 1024 | 62% |
| iPad4(iOS 8.1) | 585 | 1024 | 57% |
| Pad Mini 1st Generation | 297 | 512 | 58% |
| iPad Mini retina(iOS 7.1) | 696 | 1024 | 68% |
| iPad Air | 697 | 1024 | 68% |
| iPad Air 2(iOS 10.2.1) | 1383 | 2048 | 68% |
| iPad Pro 9.7"(iOS 10.0.2 (14A456)) | 1395 | 1971 | 71% |
| iPad Pro 10.5”(iOS 11 beta4) | 3057 | 4000 | 76% |
| iPad Pro 12.9” (2015)(iOS 11.2.1) | 3058 | 3999 | 76% |
| iPad 10.2(iOS 13.2.3) | 1844 | 2998 | 62% |
| iPod touch 4th gen(iOS 6.1.1) | 130 | 256 | 51% |
| iPod touch 5th gen | 286 | 512 | 56% |
| iPhone4 | 325 | 512 | 63% |
| iPhone4s | 286 | 512 | 56% |
| iPhone5 | 645 | 1024 | 62% |
| iPhone5s | 646 | 1024 | 63% |
| iPhone6(iOS 8.x) | 645 | 1024 | 62% |
| iPhone6 Plus(iOS 8.x) | 645 | 1024 | 62% |
| iPhone6s(iOS 9.2) | 1396 | 2048 | 68% |
| iPhone6s Plus(iOS 10.2.1) | 1396 | 2048 | 68% |
| iPhoneSE(iOS 9.3) | 1395 | 2048 | 68% |
| iPhone7(iOS 10.2) | 1395 | 2048 | 68% |
| iPhone7 Plus(iOS 10.2.1) | 2040 | 3072 | 66% |
| iPhone8(iOS 12.1) | 1364 | 1990 | 70% |
| iPhoneX(iOS 11.2.1) | 1392 | 2785 | 50% |
| iPhoneXS(iOS 12.1) | 2040 | 3754 | 54% |
| iPhoneXS Max(iOS 12.1) | 2039 | 3735 | 55% |
| iPhoneXR(iOS 12.1) | 1792 | 2813 | 63% |
| iPhone11(iOS 13.1.3) | 2068 | 3844 | 54% |
| iPhone11 Pro Max(iOS 13.2.3) | 2067 | 3740 | 55% |
3.3 觸發當前 App 的 high water mark
我們可以寫定時器，不斷的申請內存，之後再通過 phys_footprint 打印當前佔用內存，按道理來說不斷申請內存即可觸發 Jetsam 機制，強殺 App，那麼最後一次打印的內存佔用也就是當前設備的內存上限值。
timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:0.01 target:self selector:@selector(allocateMemory) userInfo:nil repeats:YES];
- (void)allocateMemory {
UIImageView *imageView = [[UIImageView alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, 100, 100)];
UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"AppIcon"];
imageView.image = image;
[array addObject:imageView];
memoryLimitSizeMB = [self usedSizeOfMemory];
if (memoryWarningSizeMB && memoryLimitSizeMB) {
NSLog(@"----- memory warnning:%dMB, memory limit:%dMB", memoryWarningSizeMB, memoryLimitSizeMB);
}
}
- (int)usedSizeOfMemory {
task_vm_info_data_t taskInfo;
mach_msg_type_number_t infoCount = TASK_VM_INFO_COUNT;
kern_return_t kernReturn = task_info(mach_task_self(), TASK_VM_INFO, (task_info_t)&taskInfo, &infoCount);
if (kernReturn != KERN_SUCCESS) {
return 0;
}
return (int)(taskInfo.phys_footprint/1024.0/1024.0);
}
3.4 適用於 iOS13 系統的獲取方式
iOS13 開始 <os/proc.h> 中 size_t os_proc_available_memory(void); 可以查看當前可用內存。
Return Value
The number of bytes that the app may allocate before it hits its memory limit. If the calling process isn't an app, or if the process has already exceeded its memory limit, this function returns
0.Discussion
Call this function to determine the amount of memory available to your app. The returned value corresponds to the current memory limit minus the memory footprint of your app at the time of the function call. Your app's memory footprint consists of the data that you allocated in RAM, and that must stay in RAM (or the equivalent) at all times. Memory limits can change during the app life cycle and don't necessarily correspond to the amount of physical memory available on the device.
Use the returned value as advisory information only and don't cache it. The precise value changes when your app does any work that affects memory, which can happen frequently.
Although this function lets you determine the amount of memory your app may safely consume, don't use it to maximize your app's memory usage. Significant memory use, even when under the current memory limit, affects system performance. For example, when your app consumes all of its available memory, the system may need to terminate other apps and system processes to accommodate your app's requests. Instead, always consume the smallest amount of memory you need to be responsive to the user's needs.
If you need more detailed information about the available memory resources, you can call
task_info. However, be aware thattask_infois an expensive call, whereas this function is much more efficient.
if (@available(iOS 13.0, *)) {
return os_proc_available_memory() / 1024.0 / 1024.0;
}
App 內存信息的 API 可以在 Mach 層找到，mach_task_basic_info 結構體存儲了 Mach task 的內存使用信息，其中 phys_footprint 就是應用使用的物理內存大小，virtual_size 是虛擬內存大小。
#define MACH_TASK_BASIC_INFO 20 /* always 64-bit basic info */
struct mach_task_basic_info {
mach_vm_size_t virtual_size; /* virtual memory size (bytes) */
mach_vm_size_t resident_size; /* resident memory size (bytes) */
mach_vm_size_t resident_size_max; /* maximum resident memory size (bytes) */
time_value_t user_time; /* total user run time for
terminated threads */
time_value_t system_time; /* total system run time for
terminated threads */
policy_t policy; /* default policy for new threads */
integer_t suspend_count; /* suspend count for task */
};
所以獲取代碼爲
task_vm_info_data_t vmInfo;
mach_msg_type_number_t count = TASK_VM_INFO_COUNT;
kern_return_t kr = task_info(mach_task_self(), TASK_VM_INFO, (task_info_t)&vmInfo, &count);
if (kr != KERN_SUCCESS) {
return ;
}
CGFloat memoryUsed = (CGFloat)(vmInfo.phys_footprint/1024.0/1024.0);
可能有人好奇不應該是 resident_size 這個字段獲取內存的使用情況嗎？一開始測試後發現 resident_size 和 Xcode 測量結果差距較大。而使用 phys_footprint 則接近於 Xcode 給出的結果。且可以從 WebKit 源碼中得到印證。
所以在 iOS13 上，我們可以通過 os_proc_available_memory 獲取到當前可以用內存，通過 phys_footprint 獲取到當前 App 佔用內存，2者的和也就是當前設備的內存上限，超過即觸發 Jetsam 機制。
- (CGFloat)limitSizeOfMemory {
if (@available(iOS 13.0, *)) {
task_vm_info_data_t taskInfo;
mach_msg_type_number_t infoCount = TASK_VM_INFO_COUNT;
kern_return_t kernReturn = task_info(mach_task_self(), TASK_VM_INFO, (task_info_t)&taskInfo, &infoCount);
if (kernReturn != KERN_SUCCESS) {
return 0;
}
return (CGFloat)((taskInfo.phys_footprint + os_proc_available_memory()) / (1024.0 * 1024.0);
}
return 0;
}
當前可以使用內存：1435.936752MB；當前 App 已佔用內存：14.5MB，臨界值：1435.936752MB + 14.5MB= 1450.436MB， 和 3.1 方法中獲取到的內存臨界值一樣「iPhone 6s plus/13.3.1 手機 OOM 臨界值爲：(16384*92806)/(1024*1024)=1450.09375M」。
3.5 通過 XNU 獲取內存限制值
在 XNU 中，有專門用於獲取內存上限值的函數和宏，可以通過 memorystatus_priority_entry 這個結構體得到所有進程的優先級和內存限制值。
typedef struct memorystatus_priority_entry {
pid_t pid;
int32_t priority;
uint64_t user_data;
int32_t limit;
uint32_t state;
} memorystatus_priority_entry_t;
其中，priority 代表進程優先級，limit 代表進程的內存限制值。但是這種方式需要 root 權限，由於沒有越獄設備，我沒有嘗試過。
相關代碼可查閱 kern_memorystatus.h 文件。需要用到函數 int memorystatus_control(uint32_t command, int32_t pid, uint32_t flags, void *buffer, size_t buffersize);
/* Commands */
#define MEMORYSTATUS_CMD_GET_PRIORITY_LIST 1
#define MEMORYSTATUS_CMD_SET_PRIORITY_PROPERTIES 2
#define MEMORYSTATUS_CMD_GET_JETSAM_SNAPSHOT 3
#define MEMORYSTATUS_CMD_GET_PRESSURE_STATUS 4
#define MEMORYSTATUS_CMD_SET_JETSAM_HIGH_WATER_MARK 5 /* Set active memory limit = inactive memory limit, both non-fatal */
#define MEMORYSTATUS_CMD_SET_JETSAM_TASK_LIMIT 6 /* Set active memory limit = inactive memory limit, both fatal */
#define MEMORYSTATUS_CMD_SET_MEMLIMIT_PROPERTIES 7 /* Set memory limits plus attributes independently */
#define MEMORYSTATUS_CMD_GET_MEMLIMIT_PROPERTIES 8 /* Get memory limits plus attributes */
#define MEMORYSTATUS_CMD_PRIVILEGED_LISTENER_ENABLE 9 /* Set the task's status as a privileged listener w.r.t memory notifications */
#define MEMORYSTATUS_CMD_PRIVILEGED_LISTENER_DISABLE 10 /* Reset the task's status as a privileged listener w.r.t memory notifications */
#define MEMORYSTATUS_CMD_AGGRESSIVE_JETSAM_LENIENT_MODE_ENABLE 11 /* Enable the 'lenient' mode for aggressive jetsam. See comments in kern_memorystatus.c near the top. */
#define MEMORYSTATUS_CMD_AGGRESSIVE_JETSAM_LENIENT_MODE_DISABLE 12 /* Disable the 'lenient' mode for aggressive jetsam. */
#define MEMORYSTATUS_CMD_GET_MEMLIMIT_EXCESS 13 /* Compute how much a process's phys_footprint exceeds inactive memory limit */
#define MEMORYSTATUS_CMD_ELEVATED_INACTIVEJETSAMPRIORITY_ENABLE 14 /* Set the inactive jetsam band for a process to JETSAM_PRIORITY_ELEVATED_INACTIVE */
#define MEMORYSTATUS_CMD_ELEVATED_INACTIVEJETSAMPRIORITY_DISABLE 15 /* Reset the inactive jetsam band for a process to the default band (0)*/
#define MEMORYSTATUS_CMD_SET_PROCESS_IS_MANAGED 16 /* (Re-)Set state on a process that marks it as (un-)managed by a system entity e.g. assertiond */
#define MEMORYSTATUS_CMD_GET_PROCESS_IS_MANAGED 17 /* Return the 'managed' status of a process */
#define MEMORYSTATUS_CMD_SET_PROCESS_IS_FREEZABLE 18 /* Is the process eligible for freezing? Apps and extensions can pass in FALSE to opt out of freezing, i.e.,
僞代碼
struct memorystatus_priority_entry memStatus[NUM_ENTRIES];
size_t count = sizeof(struct memorystatus_priority_entry) * NUM_ENTRIES;
int kernResult = memorystatus_control(MEMORYSTATUS_CMD_GET_PRIORITY_LIST, 0, 0, memStatus, count);
if (rc < 0) {
NSLog(@"memorystatus_control");
return ;
}
int entry = 0;
for (; rc > 0; rc -= sizeof(struct memorystatus_priority_entry)){
printf ("PID: %5d\tPriority:%2d\tUser Data: %llx\tLimit:%2d\tState:%s\n",
memstatus[entry].pid,
memstatus[entry].priority,
memstatus[entry].user_data,
memstatus[entry].limit,
state_to_text(memstatus[entry].state));
entry++;
}
for 循環打印出每個進程（也就是 App）的 pid、Priority、User Data、Limit、State 信息。從 log 中找出優先級爲10的進程，即我們前臺運行的 App。爲什麼是10？因爲 #define JETSAM_PRIORITY_FOREGROUND 10 我們的目的就是獲取前臺 App 的內存上限值。
4. 如何判定發生了 OOM
OOM 導致 crash 前，app 一定會收到低內存警告嗎？
做2組對比實驗：
// 實驗1
NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
for (NSInteger index = 0; index < 10000000; index++) {
NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"Info" ofType:@"plist"];
NSData *data = [NSData dataWithContentsOfFile:filePath];
[array addObject:data];
}
// 實驗2
// ViewController.m
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
for (NSInteger index = 0; index < 10000000; index++) {
NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"Info" ofType:@"plist"];
NSData *data = [NSData dataWithContentsOfFile:filePath];
[array addObject:data];
}
});
}
- (void)didReceiveMemoryWarning
{
NSLog(@"2");
}
// AppDelegate.m
- (void)applicationDidReceiveMemoryWarning:(UIApplication *)application
{
NSLog(@"1");
}
現象：
在 viewDidLoad 也就是主線程中內存消耗過大，系統並不會發出低內存警告，直接 Crash。因爲內存增長過快，主線程很忙。
多線程的情況下，App 因內存增長過快，會收到低內存警告，AppDelegate 中的
applicationDidReceiveMemoryWarning先執行，隨後是當前 VC 的didReceiveMemoryWarning。
結論：
收到低內存警告不一定會 Crash，因爲有6秒鐘的系統判斷時間，6秒內內存下降了則不會 crash。發生 OOM 也不一定會收到低內存警告。
5. 內存信息收集
要想精確的定位問題，就需要 dump 所有對象及其內存信息。當內存接近系統內存上限的時候，收集並記錄所需信息，結合一定的數據上報機制，上傳到服務器，分析並修復。
還需要知道每個對象具體是在哪個函數裏創建出來的，以便還原“案發現場”。
源代碼（libmalloc/malloc），內存分配函數 malloc 和 calloc 等默認使用 nano_zone，nano_zone 是小於 256B 以下的內存分配，大於 256B 則使用 scalable_zone 來分配。
主要針對大內存的分配監控。malloc 函數用的是 malloc_zone_malloc, calloc 用的是 malloc_zone_calloc。
使用 scalable_zone 分配內存的函數都會調用 malloc_logger 函數，因爲系統爲了有個地方專門統計並管理內存分配情況。這樣的設計也滿足「收口原則」。
void *
malloc(size_t size)
{
void *retval;
retval = malloc_zone_malloc(default_zone, size);
if (retval == NULL) {
errno = ENOMEM;
}
return retval;
}
void *
calloc(size_t num_items, size_t size)
{
void *retval;
retval = malloc_zone_calloc(default_zone, num_items, size);
if (retval == NULL) {
errno = ENOMEM;
}
return retval;
}
首先來看看這個 default_zone 是什麼東西, 代碼如下
typedef struct {
malloc_zone_t malloc_zone;
uint8_t pad[PAGE_MAX_SIZE - sizeof(malloc_zone_t)];
} virtual_default_zone_t;
static virtual_default_zone_t virtual_default_zone
__attribute__((p("__DATA,__v_zone")))
__attribute__((aligned(PAGE_MAX_SIZE))) = {
NULL,
NULL,
default_zone_size,
default_zone_malloc,
default_zone_calloc,
default_zone_valloc,
default_zone_free,
default_zone_realloc,
default_zone_destroy,
DEFAULT_MALLOC_ZONE_STRING,
default_zone_batch_malloc,
default_zone_batch_free,
&default_zone_introspect,
10,
default_zone_memalign,
default_zone_free_definite_size,
default_zone_pressure_relief,
default_zone_malloc_claimed_address,
};
static malloc_zone_t *default_zone = &virtual_default_zone.malloc_zone;
static void *
default_zone_malloc(malloc_zone_t *zone, size_t size)
{
zone = runtime_default_zone();
return zone->malloc(zone, size);
}
MALLOC_ALWAYS_INLINE
static inline malloc_zone_t *
runtime_default_zone() {
return (lite_zone) ? lite_zone : inline_malloc_default_zone();
}
可以看到 default_zone 通過這種方式來初始化
static inline malloc_zone_t *
inline_malloc_default_zone(void)
{
_malloc_initialize_once();
// malloc_report(ASL_LEVEL_INFO, "In inline_malloc_default_zone with %d %d\n", malloc_num_zones, malloc_has_debug_zone);
return malloc_zones[0];
}
隨後的調用如下 _malloc_initialize -> create_scalable_zone -> create_scalable_szone 最終我們創建了 szone_t 類型的對象，通過類型轉換，得到了我們的 default_zone。
malloc_zone_t *
create_scalable_zone(size_t initial_size, unsigned debug_flags) {
return (malloc_zone_t *) create_scalable_szone(initial_size, debug_flags);
}
void *malloc_zone_malloc(malloc_zone_t *zone, size_t size)
{
MALLOC_TRACE(TRACE_malloc | DBG_FUNC_START, (uintptr_t)zone, size, 0, 0);
void *ptr;
if (malloc_check_start && (malloc_check_counter++ >= malloc_check_start)) {
internal_check();
}
if (size > MALLOC_ABSOLUTE_MAX_SIZE) {
return NULL;
}
ptr = zone->malloc(zone, size);
// 在 zone 分配完內存後就開始使用 malloc_logger 進行進行記錄
if (malloc_logger) {
malloc_logger(MALLOC_LOG_TYPE_ALLOCATE | MALLOC_LOG_TYPE_HAS_ZONE, (uintptr_t)zone, (uintptr_t)size, 0, (uintptr_t)ptr, 0);
}
MALLOC_TRACE(TRACE_malloc | DBG_FUNC_END, (uintptr_t)zone, size, (uintptr_t)ptr, 0);
return ptr;
}
其分配實現是 zone->malloc 根據之前的分析，就是szone_t結構體對象中對應的malloc實現。
在創建szone之後，做了一系列如下的初始化操作。
// Initialize the security token.
szone->cookie = (uintptr_t)malloc_entropy[0];
szone->basic_zone.version = 12;
szone->basic_zone.size = (void *)szone_size;
szone->basic_zone.malloc = (void *)szone_malloc;
szone->basic_zone.calloc = (void *)szone_calloc;
szone->basic_zone.valloc = (void *)szone_valloc;
szone->basic_zone.free = (void *)szone_free;
szone->basic_zone.realloc = (void *)szone_realloc;
szone->basic_zone.destroy = (void *)szone_destroy;
szone->basic_zone.batch_malloc = (void *)szone_batch_malloc;
szone->basic_zone.batch_free = (void *)szone_batch_free;
szone->basic_zone.introspect = (struct malloc_introspection_t *)&szone_introspect;
szone->basic_zone.memalign = (void *)szone_memalign;
szone->basic_zone.free_definite_size = (void *)szone_free_definite_size;
szone->basic_zone.pressure_relief = (void *)szone_pressure_relief;
szone->basic_zone.claimed_address = (void *)szone_claimed_address;
其他使用 scalable_zone 分配內存的函數的方法也類似，所以大內存的分配，不管外部函數如何封裝，最終都會調用到 malloc_logger 函數。所以我們可以用 fishhook 去 hook 這個函數，然後記錄內存分配情況，結合一定的數據上報機制，上傳到服務器，分析並修復。
// For logging VM allocation and deallocation, arg1 here
// is the mach_port_name_t of the target task in which the
// alloc or dealloc is occurring. For example, for mmap()
// that would be mach_task_self(), but for a cross-task-capable
// call such as mach_vm_map(), it is the target task.
typedef void (malloc_logger_t)(uint32_t type, uintptr_t arg1, uintptr_t arg2, uintptr_t arg3, uintptr_t result, uint32_t num_hot_frames_to_skip);
extern malloc_logger_t *__syscall_logger;
當 malloc_logger 和 __syscall_logger 函數指針不爲空時，malloc/free、vm_allocate/vm_deallocate 等內存分配/釋放通過這兩個指針通知上層，這也是內存調試工具 malloc stack 的實現原理。有了這兩個函數指針，我們很容易記錄當前存活對象的內存分配信息（包括分配大小和分配堆棧）。分配堆棧可以用 backtrace 函數捕獲，但捕獲到的地址是虛擬內存地址，不能從符號表 dsym 解析符號。所以還要記錄每個 image 加載時的偏移 slide，這樣 符號表地址 = 堆棧地址 - slide。
小 tips：
ASLR（Address space layout randomization）：常見稱呼爲位址空間隨機載入、位址空間配置隨機化、位址空間佈局隨機化，是一種防止內存損壞漏洞被利用的計算機安全技術，通過隨機放置進程關鍵數據區域的定址空間來放置攻擊者能可靠地跳轉到內存的特定位置來操作函數。現代作業系統一般都具備該機制。
函數地址 add: 函數真實的實現地址;
函數虛擬地址：vm_add;
ASLR: slide 函數虛擬地址加載到進程內存的隨機偏移量，每個 mach-o 的 slide 各不相同。vm_add + slide = add。也就是：*(base +offset)= imp。
由於騰訊也開源了自己的 OOM 定位方案- OOMDetector ，有了現成的輪子，那麼用好就可以了，所以對於內存的監控思路就是找到系統給 App 的內存上限，然後當接近內存上限值的時候，dump 內存情況，組裝基礎數據信息成一個合格的上報數據，經過一定的數據上報策略到服務端，服務端消費數據，分析產生報表，客戶端工程師根據報表分析問題。不同工程的數據以郵件、短信、企業微信等形式通知到該項目的 owner、開發者。（情況嚴重的會直接電話給開發者，並給主管跟進每一步的處理結果）。問題分析處理後要麼發佈新版本，要麼 hot fix。
6. 開發階段針對內存我們能做些什麼
圖片縮放
WWDC 2018 Session 416 - iOS Memory Deep Dive，處理圖片縮放的時候直接使用 UIImage 會在解碼時讀取文件而佔用一部分內存，還會生成中間位圖 bitmap 消耗大量內存。而 ImageIO 不存在上述2種弊端，只會佔用最終圖片大小的內存
做了2組對比實驗：給 App 顯示一張圖片
// 方法1: 19.6M UIImage *imageResult = [self scaleImage:[UIImage imageNamed:@"test"] newSize:CGSizeMake(self.view.frame.size.width, self.view.frame.size.height)]; self.imageView.image = imageResult; // 方法2: 14M NSData *data = UIImagePNGRepresentation([UIImage imageNamed:@"test"]); UIImage *imageResult = [self scaledImageWithData:data withSize:CGSizeMake(self.view.frame.size.width, self.view.frame.size.height) scale:3 orientation:UIImageOrientationUp]; self.imageView.image = imageResult; - (UIImage *)scaleImage:(UIImage *)image newSize:(CGSize)newSize { UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(newSize, NO, 0); [image drawInRect:CGRectMake(0, 0, newSize.width, newSize.height)]; UIImage *newImage = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext(); UIGraphicsEndImageContext(); return newImage; } - (UIImage *)scaledImageWithData:(NSData *)data withSize:(CGSize)size scale:(CGFloat)scale orientation:(UIImageOrientation)orientation { CGFloat maxPixelSize = MAX(size.width, size.height); CGImageSourceRef sourceRef = CGImageSourceCreateWithData((__bridge CFDataRef)data, nil); NSDictionary *options = @{(__bridge id)kCGImageSourceCreateThumbnailFromImageAlways : (__bridge id)kCFBooleanTrue, (__bridge id)kCGImageSourceThumbnailMaxPixelSize : [NSNumber numberWithFloat:maxPixelSize]}; CGImageRef imageRef = CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex(sourceRef, 0, (__bridge CFDictionaryRef)options); UIImage *resultImage = [UIImage imageWithCGImage:imageRef scale:scale orientation:orientation]; CGImageRelease(imageRef); CFRelease(sourceRef); return resultImage; }可以看出使用 ImageIO 比使用 UIImage 直接縮放佔用內存更低。
合理使用 autoreleasepool
我們知道 autoreleasepool 對象是在 RunLoop 結束時才釋放。在 ARC 下，我們如果在不斷申請內存，比如各種循環，那麼我們就需要手動添加 autoreleasepool，避免短時間內內存猛漲發生 OOM。
對比實驗
// 實驗1
NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
for (NSInteger index = 0; index < 10000000; index++) {
NSString *indexStrng = [NSString stringWithFormat:@"%zd", index];
NSString *resultString = [NSString stringWithFormat:@"%zd-%@", index, indexStrng];
[array addObject:resultString];
}
// 實驗2
NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
for (NSInteger index = 0; index < 10000000; index++) {
@autoreleasepool {
NSString *indexStrng = [NSString stringWithFormat:@"%zd", index];
NSString *resultString = [NSString stringWithFormat:@"%zd-%@", index, indexStrng];
[array addObject:resultString];
}
}
實驗1消耗內存 739.6M，實驗2消耗內存 587M。
UIGraphicsBeginImageContext 和 UIGraphicsEndImageContext 必須成雙出現，不然會造成 context 泄漏。另外 XCode 的 Analyze 也能掃出這類問題。
不管是打開網頁，還是執行 js，都應該使用 WKWebView。UIWebView 會佔用大量內存，從而導致 App 發生 OOM 的機率增加，而 WKWebView 是一個多進程組件，Network Loading 以及 UI Rendering 在其它進程中執行，比 UIWebView 佔用更低的內存開銷。
在做 SDK 或者 App，如果場景是緩存相關，儘量使用 NSCache 而不是 NSMutableDictionary。它是系統提供的專門處理緩存的類，NSCache 分配的內存是
Purgeable Memory，可以由系統自動釋放。NSCache 與 NSPureableData 的結合使用可以讓系統根據情況回收內存，也可以在內存清理時移除對象。其他的開發習慣就不一一描述了，良好的開發習慣和代碼意識是需要平時注意修煉的。
五、 App 網絡監控
移動網絡環境一直很複雜，WIFI、2G、3G、4G、5G 等，用戶使用 App 的過程中可能在這幾種類型之間切換，這也是移動網絡和傳統網絡間的一個區別，被稱爲「Connection Migration」。此外還存在 DNS 解析緩慢、失敗率高、運營商劫持等問題。用戶在使用 App 時因爲某些原因導致體驗很差，要想針對網絡情況進行改善，必須有清晰的監控手段。
1. App 網絡請求過程
App 發送一次網絡請求一般會經歷下面幾個關鍵步驟：
DNS 解析
Domain Name system，網絡域名名稱系統，本質上就是將
域名和IP 地址相互映射的一個分佈式數據庫，使人們更方便的訪問互聯網。首先會查詢本地的 DNS 緩存，查找失敗就去 DNS 服務器查詢，這其中可能會經過非常多的節點，涉及到遞歸查詢和迭代查詢的過程。運營商可能不幹人事：一種情況就是出現運營商劫持的現象，表現爲你在 App 內訪問某個網頁的時候會看到和內容不相關的廣告；另一種可能的情況就是把你的請求丟給非常遠的基站去做 DNS 解析，導致我們 App 的 DNS 解析時間較長，App 網絡效率低。一般做 HTTPDNS 方案去自行解決 DNS 的問題。TCP 3次握手
關於 TCP 握手過程中爲什麼是3次握手而不是2次、4次，可以查看這篇文章。
TLS 握手
對於 HTTPS 請求還需要做 TLS 握手，也就是密鑰協商的過程。
發送請求
連接建立好之後就可以發送 request，此時可以記錄下 request start 時間
等待迴應
等待服務器返回響應。這個時間主要取決於資源大小，也是網絡請求過程中最爲耗時的一個階段。
返回響應
服務端返回響應給客戶端，根據 HTTP header 信息中的狀態碼判斷本次請求是否成功、是否走緩存、是否需要重定向。
2. 監控原理
| 名稱 | 說明 |
|---|---|
| NSURLConnection | 已經被廢棄。用法簡單 |
| NSURLSession | iOS7.0 推出，功能更強大 |
| CFNetwork | NSURL 的底層，純 C 實現 |
iOS 網絡框架層級關係如下：
iOS 網絡現狀是由4層組成的：最底層的 BSD Sockets、SecureTransport；次級底層是 CFNetwork、NSURLSession、NSURLConnection、WebView 是用 Objective-C 實現的，且調用 CFNetwork；應用層框架 AFNetworking 基於 NSURLSession、NSURLConnection 實現。
目前業界對於網絡監控主要有2種：一種是通過 NSURLProtocol 監控、一種是通過 Hook 來監控。下面介紹幾種辦法來監控網絡請求，各有優缺點。
2.1 方案一：NSURLProtocol 監控 App 網絡請求<a name="network-2.1"></a>
NSURLProtocol 作爲上層接口，使用較爲簡單，但 NSURLProtocol 屬於 URL Loading System 體系中。應用協議的支持程度有限，支持 FTP、HTTP、HTTPS 等幾個應用層協議，對於其他的協議則無法監控，存在一定的侷限性。如果監控底層網絡庫 CFNetwork 則沒有這個限制。
對於 NSURLProtocol 的具體做法在這篇文章中講過，繼承抽象類並實現相應的方法，自定義去發起網絡請求來實現監控的目的。
iOS 10 之後，NSURLSessionTaskDelegate 中增加了一個新的代理方法：
/*
* Sent when complete statistics information has been collected for the task.
*/
- (void)URLSession:(NSURLSession *)session task:(NSURLSessionTask *)task didFinishCollectingMetrics:(NSURLSessionTaskMetrics *)metrics API_AVAILABLE(macosx(10.12), ios(10.0), watchos(3.0), tvos(10.0));
可以從 NSURLSessionTaskMetrics 中獲取到網絡情況的各項指標。各項參數如下
@interface NSURLSessionTaskMetrics : NSObject
/*
* transactionMetrics array contains the metrics collected for every request/response transaction created during the task execution.
*/
@property (copy, readonly) NSArray<NSURLSessionTaskTransactionMetrics *> *transactionMetrics;
/*
* Interval from the task creation time to the task completion time.
* Task creation time is the time when the task was instantiated.
* Task completion time is the time when the task is about to change its internal state to completed.
*/
@property (copy, readonly) NSDateInterval *taskInterval;
/*
* redirectCount is the number of redirects that were recorded.
*/
@property (assign, readonly) NSUInteger redirectCount;
- (instancetype)init API_DEPRECATED("Not supported", macos(10.12,10.15), ios(10.0,13.0), watchos(3.0,6.0), tvos(10.0,13.0));
+ (instancetype)new API_DEPRECATED("Not supported", macos(10.12,10.15), ios(10.0,13.0), watchos(3.0,6.0), tvos(10.0,13.0));
@end
其中：taskInterval 表示任務從創建到完成話費的總時間，任務的創建時間是任務被實例化時的時間，任務完成時間是任務的內部狀態將要變爲完成的時間；redirectCount 表示被重定向的次數；transactionMetrics 數組包含了任務執行過程中每個請求/響應事務中收集的指標，各項參數如下：
/*
* This class defines the performance metrics collected for a request/response transaction during the task execution.
*/
API_AVAILABLE(macosx(10.12), ios(10.0), watchos(3.0), tvos(10.0))
@interface NSURLSessionTaskTransactionMetrics : NSObject
/*
* Represents the transaction request. 請求事務
*/
@property (copy, readonly) NSURLRequest *request;
/*
* Represents the transaction response. Can be nil if error occurred and no response was generated. 響應事務
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSURLResponse *response;
/*
* For all NSDate metrics below, if that aspect of the task could not be completed, then the corresponding “EndDate” metric will be nil.
* For example, if a name lookup was started but the name lookup timed out, failed, or the client canceled the task before the name could be resolved -- then while domainLookupStartDate may be set, domainLookupEndDate will be nil along with all later metrics.
*/
/*
* 客戶端開始請求的時間，無論是從服務器還是從本地緩存中獲取
* fetchStartDate returns the time when the user agent started fetching the resource, whether or not the resource was retrieved from the server or local resources.
*
* The following metrics will be set to nil, if a persistent connection was used or the resource was retrieved from local resources:
*
* domainLookupStartDate
* domainLookupEndDate
* connectStartDate
* connectEndDate
* secureConnectionStartDate
* secureConnectionEndDate
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *fetchStartDate;
/*
* domainLookupStartDate returns the time immediately before the user agent started the name lookup for the resource. DNS 開始解析的時間
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *domainLookupStartDate;
/*
* domainLookupEndDate returns the time after the name lookup was completed. DNS 解析完成的時間
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *domainLookupEndDate;
/*
* connectStartDate is the time immediately before the user agent started establishing the connection to the server.
*
* For example, this would correspond to the time immediately before the user agent started trying to establish the TCP connection. 客戶端與服務端開始建立 TCP 連接的時間
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *connectStartDate;
/*
* If an encrypted connection was used, secureConnectionStartDate is the time immediately before the user agent started the security handshake to secure the current connection. HTTPS 的 TLS 握手開始的時間
*
* For example, this would correspond to the time immediately before the user agent started the TLS handshake.
*
* If an encrypted connection was not used, this attribute is set to nil.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *secureConnectionStartDate;
/*
* If an encrypted connection was used, secureConnectionEndDate is the time immediately after the security handshake completed. HTTPS 的 TLS 握手結束的時間
*
* If an encrypted connection was not used, this attribute is set to nil.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *secureConnectionEndDate;
/*
* connectEndDate is the time immediately after the user agent finished establishing the connection to the server, including completion of security-related and other handshakes. 客戶端與服務器建立 TCP 連接完成的時間，包括 TLS 握手時間
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *connectEndDate;
/*
* requestStartDate is the time immediately before the user agent started requesting the source, regardless of whether the resource was retrieved from the server or local resources.
客戶端請求開始的時間，可以理解爲開始傳輸 HTTP 請求的 header 的第一個字節時間
*
* For example, this would correspond to the time immediately before the user agent sent an HTTP GET request.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *requestStartDate;
/*
* requestEndDate is the time immediately after the user agent finished requesting the source, regardless of whether the resource was retrieved from the server or local resources.
客戶端請求結束的時間，可以理解爲 HTTP 請求的最後一個字節傳輸完成的時間
*
* For example, this would correspond to the time immediately after the user agent finished sending the last byte of the request.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *requestEndDate;
/*
* responseStartDate is the time immediately after the user agent received the first byte of the response from the server or from local resources.
客戶端從服務端接收響應的第一個字節的時間
*
* For example, this would correspond to the time immediately after the user agent received the first byte of an HTTP response.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *responseStartDate;
/*
* responseEndDate is the time immediately after the user agent received the last byte of the resource. 客戶端從服務端接收到最後一個請求的時間
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSDate *responseEndDate;
/*
* The network protocol used to fetch the resource, as identified by the ALPN Protocol ID Identification Sequence [RFC7301].
* E.g., h2, http/1.1, spdy/3.1.
網絡協議名，比如 http/1.1, spdy/3.1
*
* When a proxy is configured AND a tunnel connection is established, then this attribute returns the value for the tunneled protocol.
*
* For example:
* If no proxy were used, and HTTP/2 was negotiated, then h2 would be returned.
* If HTTP/1.1 were used to the proxy, and the tunneled connection was HTTP/2, then h2 would be returned.
* If HTTP/1.1 were used to the proxy, and there were no tunnel, then http/1.1 would be returned.
*
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSString *networkProtocolName;
/*
* This property is set to YES if a proxy connection was used to fetch the resource.
該連接是否使用了代理
*/
@property (assign, readonly, getter=isProxyConnection) BOOL proxyConnection;
/*
* This property is set to YES if a persistent connection was used to fetch the resource.
是否複用了現有連接
*/
@property (assign, readonly, getter=isReusedConnection) BOOL reusedConnection;
/*
* Indicates whether the resource was loaded, pushed or retrieved from the local cache.
獲取資源來源
*/
@property (assign, readonly) NSURLSessionTaskMetricsResourceFetchType resourceFetchType;
/*
* countOfRequestHeaderBytesSent is the number of bytes transferred for request header.
請求頭的字節數
*/
@property (readonly) int64_t countOfRequestHeaderBytesSent API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* countOfRequestBodyBytesSent is the number of bytes transferred for request body.
請求體的字節數
* It includes protocol-specific framing, transfer encoding, and content encoding.
*/
@property (readonly) int64_t countOfRequestBodyBytesSent API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* countOfRequestBodyBytesBeforeEncoding is the size of upload body data, file, or stream.
上傳體數據、文件、流的大小
*/
@property (readonly) int64_t countOfRequestBodyBytesBeforeEncoding API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* countOfResponseHeaderBytesReceived is the number of bytes transferred for response header.
響應頭的字節數
*/
@property (readonly) int64_t countOfResponseHeaderBytesReceived API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* countOfResponseBodyBytesReceived is the number of bytes transferred for response body.
響應體的字節數
* It includes protocol-specific framing, transfer encoding, and content encoding.
*/
@property (readonly) int64_t countOfResponseBodyBytesReceived API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* countOfResponseBodyBytesAfterDecoding is the size of data delivered to your delegate or completion handler.
給代理方法或者完成後處理的回調的數據大小
*/
@property (readonly) int64_t countOfResponseBodyBytesAfterDecoding API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* localAddress is the IP address string of the local interface for the connection.
當前連接下的本地接口 IP 地址
*
* For multipath protocols, this is the local address of the initial flow.
*
* If a connection was not used, this attribute is set to nil.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSString *localAddress API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* localPort is the port number of the local interface for the connection.
當前連接下的本地端口號
*
* For multipath protocols, this is the local port of the initial flow.
*
* If a connection was not used, this attribute is set to nil.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSNumber *localPort API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* remoteAddress is the IP address string of the remote interface for the connection.
當前連接下的遠端 IP 地址
*
* For multipath protocols, this is the remote address of the initial flow.
*
* If a connection was not used, this attribute is set to nil.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSString *remoteAddress API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* remotePort is the port number of the remote interface for the connection.
當前連接下的遠端端口號
*
* For multipath protocols, this is the remote port of the initial flow.
*
* If a connection was not used, this attribute is set to nil.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSNumber *remotePort API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* negotiatedTLSProtocolVersion is the TLS protocol version negotiated for the connection.
連接協商用的 TLS 協議版本號
* It is a 2-byte sequence in host byte order.
*
* Please refer to tls_protocol_version_t enum in Security/SecProtocolTypes.h
*
* If an encrypted connection was not used, this attribute is set to nil.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSNumber *negotiatedTLSProtocolVersion API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* negotiatedTLSCipherSuite is the TLS cipher suite negotiated for the connection.
連接協商用的 TLS 密碼套件
* It is a 2-byte sequence in host byte order.
*
* Please refer to tls_ciphersuite_t enum in Security/SecProtocolTypes.h
*
* If an encrypted connection was not used, this attribute is set to nil.
*/
@property (nullable, copy, readonly) NSNumber *negotiatedTLSCipherSuite API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* Whether the connection is established over a cellular interface.
是否是通過蜂窩網絡建立的連接
*/
@property (readonly, getter=isCellular) BOOL cellular API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* Whether the connection is established over an expensive interface.
是否通過昂貴的接口建立的連接
*/
@property (readonly, getter=isExpensive) BOOL expensive API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* Whether the connection is established over a constrained interface.
是否通過受限接口建立的連接
*/
@property (readonly, getter=isConstrained) BOOL constrained API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
/*
* Whether a multipath protocol is successfully negotiated for the connection.
是否爲了連接成功協商了多路徑協議
*/
@property (readonly, getter=isMultipath) BOOL multipath API_AVAILABLE(macos(10.15), ios(13.0), watchos(6.0), tvos(13.0));
- (instancetype)init API_DEPRECATED("Not supported", macos(10.12,10.15), ios(10.0,13.0), watchos(3.0,6.0), tvos(10.0,13.0));
+ (instancetype)new API_DEPRECATED("Not supported", macos(10.12,10.15), ios(10.0,13.0), watchos(3.0,6.0), tvos(10.0,13.0));
@end
網絡監控簡單代碼
// 監控基礎信息
@interface NetworkMonitorBaseDataModel : NSObject
// 請求的 URL 地址
@property (nonatomic, strong) NSString *requestUrl;
//請求頭
@property (nonatomic, strong) NSArray *requestHeaders;
//響應頭
@property (nonatomic, strong) NSArray *responseHeaders;
//GET方法 的請求參數
@property (nonatomic, strong) NSString *getRequestParams;
//HTTP 方法, 比如 POST
@property (nonatomic, strong) NSString *httpMethod;
//協議名，如http1.0 / http1.1 / http2.0
@property (nonatomic, strong) NSString *httpProtocol;
//是否使用代理
@property (nonatomic, assign) BOOL useProxy;
//DNS解析後的 IP 地址
@property (nonatomic, strong) NSString *ip;
@end
// 監控信息模型
@interface NetworkMonitorDataModel : NetworkMonitorBaseDataModel
//客戶端發起請求的時間
@property (nonatomic, assign) UInt64 requestDate;
//客戶端開始請求到開始dns解析的等待時間,單位ms
@property (nonatomic, assign) int waitDNSTime;
//DNS 解析耗時
@property (nonatomic, assign) int dnsLookupTime;
//tcp 三次握手耗時,單位ms
@property (nonatomic, assign) int tcpTime;
//ssl 握手耗時
@property (nonatomic, assign) int sslTime;
//一個完整請求的耗時,單位ms
@property (nonatomic, assign) int requestTime;
//http 響應碼
@property (nonatomic, assign) NSUInteger httpCode;
//發送的字節數
@property (nonatomic, assign) UInt64 sendBytes;
//接收的字節數
@property (nonatomic, assign) UInt64 receiveBytes;
// 錯誤信息模型
@interface NetworkMonitorErrorModel : NetworkMonitorBaseDataModel
//錯誤碼
@property (nonatomic, assign) NSInteger errorCode;
//錯誤次數
@property (nonatomic, assign) NSUInteger errCount;
//異常名
@property (nonatomic, strong) NSString *exceptionName;
//異常詳情
@property (nonatomic, strong) NSString *exceptionDetail;
//異常堆棧
@property (nonatomic, strong) NSString *stackTrace;
@end
// 繼承自 NSURLProtocol 抽象類，實現響應方法，代理網絡請求
@interface CustomURLProtocol () <NSURLSessionTaskDelegate>
@property (nonatomic, strong) NSURLSessionDataTask *dataTask;
@property (nonatomic, strong) NSOperationQueue *sessionDelegateQueue;
@property (nonatomic, strong) NetworkMonitorDataModel *dataModel;
@property (nonatomic, strong) NetworkMonitorErrorModel *errModel;
@end
//使用NSURLSessionDataTask請求網絡
- (void)startLoading {
NSURLSessionConfiguration *configuration = [NSURLSessionConfiguration defaultSessionConfiguration];
NSURLSession *session = [NSURLSession sessionWithConfiguration:configuration
delegate:self
delegateQueue:nil];
NSURLSession *session = [NSURLSession sessionWithConfiguration:configuration delegate:self delegateQueue:nil];
self.sessionDelegateQueue = [[NSOperationQueue alloc] init];
self.sessionDelegateQueue.maxConcurrentOperationCount = 1;
self.sessionDelegateQueue.name = @"com.networkMonitor.session.queue";
self.dataTask = [session dataTaskWithRequest:self.request];
[self.dataTask resume];
}
#pragma mark - NSURLSessionTaskDelegate
- (void)URLSession:(NSURLSession *)session task:(NSURLSessionTask *)task didCompleteWithError:(NSError *)error {
if (error) {
[self.client URLProtocol:self didFailWithError:error];
} else {
[self.client URLProtocolDidFinishLoading:self];
}
if (error) {
NSURLRequest *request = task.currentRequest;
if (request) {
self.errModel.requestUrl = request.URL.absoluteString;
self.errModel.httpMethod = request.HTTPMethod;
self.errModel.requestParams = request.URL.query;
}
self.errModel.errorCode = error.code;
self.errModel.exceptionName = error.domain;
self.errModel.exceptionDetail = error.description;
// 上傳 Network 數據到數據上報組件，數據上報會在 [打造功能強大、靈活可配置的數據上報組件](https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/blob/master/Chapter1%20-%20iOS/1.80.md) 講
}
self.dataTask = nil;
}
- (void)URLSession:(NSURLSession *)session task:(NSURLSessionTask *)task didFinishCollectingMetrics:(NSURLSessionTaskMetrics *)metrics {
if (@available(iOS 10.0, *) && [metrics.transactionMetrics count] > 0) {
[metrics.transactionMetrics enumerateObjectsUsingBlock:^(NSURLSessionTaskTransactionMetrics *_Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL *_Nonnull stop) {
if (obj.resourceFetchType == NSURLSessionTaskMetricsResourceFetchTypeNetworkLoad) {
if (obj.fetchStartDate) {
self.dataModel.requestDate = [obj.fetchStartDate timeIntervalSince1970] * 1000;
}
if (obj.domainLookupStartDate && obj.domainLookupEndDate) {
self.dataModel. waitDNSTime = ceil([obj.domainLookupStartDate timeIntervalSinceDate:obj.fetchStartDate] * 1000);
self.dataModel. dnsLookupTime = ceil([obj.domainLookupEndDate timeIntervalSinceDate:obj.domainLookupStartDate] * 1000);
}
if (obj.connectStartDate) {
if (obj.secureConnectionStartDate) {
self.dataModel. waitDNSTime = ceil([obj.secureConnectionStartDate timeIntervalSinceDate:obj.connectStartDate] * 1000);
} else if (obj.connectEndDate) {
self.dataModel.tcpTime = ceil([obj.connectEndDate timeIntervalSinceDate:obj.connectStartDate] * 1000);
}
}
if (obj.secureConnectionEndDate && obj.secureConnectionStartDate) {
self.dataModel.sslTime = ceil([obj.secureConnectionEndDate timeIntervalSinceDate:obj.secureConnectionStartDate] * 1000);
}
if (obj.fetchStartDate && obj.responseEndDate) {
self.dataModel.requestTime = ceil([obj.responseEndDate timeIntervalSinceDate:obj.fetchStartDate] * 1000);
}
self.dataModel.httpProtocol = obj.networkProtocolName;
NSHTTPURLResponse *response = (NSHTTPURLResponse *)obj.response;
if ([response isKindOfClass:NSHTTPURLResponse.class]) {
self.dataModel.receiveBytes = response.expectedContentLength;
}
if ([obj respondsToSelector:@selector(_remoteAddressAndPort)]) {
self.dataModel.ip = [obj valueForKey:@"_remoteAddressAndPort"];
}
if ([obj respondsToSelector:@selector(_requestHeaderBytesSent)]) {
self.dataModel.sendBytes = [[obj valueForKey:@"_requestHeaderBytesSent"] unsignedIntegerValue];
}
if ([obj respondsToSelector:@selector(_responseHeaderBytesReceived)]) {
self.dataModel.receiveBytes = [[obj valueForKey:@"_responseHeaderBytesReceived"] unsignedIntegerValue];
}
self.dataModel.requestUrl = [obj.request.URL absoluteString];
self.dataModel.httpMethod = obj.request.HTTPMethod;
self.dataModel.useProxy = obj.isProxyConnection;
}
}];
// 上傳 Network 數據到數據上報組件，數據上報會在 [打造功能強大、靈活可配置的數據上報組件](https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/blob/master/Chapter1%20-%20iOS/1.80.md) 講
}
}
2.2 方案二：NSURLProtocol 監控 App 網絡請求之黑魔法篇 <a name="network-2.2"></a>
文章上面 2.1 分析到了 NSURLSessionTaskMetrics 由於兼容性問題，對於網絡監控來說似乎不太完美，但是自後在搜資料的時候看到了一篇文章。文章在分析 WebView 的網絡監控的時候分析 Webkit 源碼的時候發現了下面代碼
#if !HAVE(TIMINGDATAOPTIONS)
void setCollectsTimingData()
{
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
[NSURLConnection _setCollectsTimingData:YES];
...
});
}
#endif
也就是說明 NSURLConnection 本身有一套 TimingData 的收集 API，只是沒有暴露給開發者，蘋果自己在用而已。在 runtime header 中找到了 NSURLConnection 的 _setCollectsTimingData: 、_timingData 2個 api（iOS8 以後可以使用）。
NSURLSession 在 iOS9 之前使用 _setCollectsTimingData: 就可以使用 TimingData 了。
注意：
因爲是私有 API，所以在使用的時候注意混淆。比如
[[@"_setC" stringByAppendingString:@"ollectsT"] stringByAppendingString:@"imingData:"]。不推薦私有 API，一般做 APM 的屬於公共團隊，你想想看雖然你做的 SDK 達到網絡監控的目的了，但是萬一給業務線的 App 上架造成了問題，那就得不償失了。一般這種投機取巧，不是百分百確定的事情可以在玩具階段使用。
@interface _NSURLConnectionProxy : DelegateProxy
@end
@implementation _NSURLConnectionProxy
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector
{
if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"connectionDidFinishLoading:"]) {
return YES;
}
return [self.target respondsToSelector:aSelector];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation
{
[super forwardInvocation:invocation];
if ([NSStringFromSelector(invocation.selector) isEqualToString:@"connectionDidFinishLoading:"]) {
__unsafe_unretained NSURLConnection *conn;
[invocation getArgument:&conn atIndex:2];
SEL selector = NSSelectorFromString([@"_timin" stringByAppendingString:@"gData"]);
NSDictionary *timingData = [conn performSelector:selector];
[[NTDataKeeper shareInstance] trackTimingData:timingData request:conn.currentRequest];
}
}
@end
@implementation NSURLConnection(tracker)
+ (void)load
{
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
Class class = [self class];
SEL originalSelector = @selector(initWithRequest:delegate:);
SEL swizzledSelector = @selector(swizzledInitWithRequest:delegate:);
Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);
method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
NSString *selectorName = [[@"_setC" stringByAppendingString:@"ollectsT"] stringByAppendingString:@"imingData:"];
SEL selector = NSSelectorFromString(selectorName);
[NSURLConnection performSelector:selector withObject:@(YES)];
});
}
- (instancetype)swizzledInitWithRequest:(NSURLRequest *)request delegate:(id<NSURLConnectionDelegate>)delegate
{
if (delegate) {
_NSURLConnectionProxy *proxy = [[_NSURLConnectionProxy alloc] initWithTarget:delegate];
objc_setAssociatedObject(delegate ,@"_NSURLConnectionProxy" ,proxy, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
return [self swizzledInitWithRequest:request delegate:(id<NSURLConnectionDelegate>)proxy];
}else{
return [self swizzledInitWithRequest:request delegate:delegate];
}
}
@end
2.3 方案三：Hook
iOS 中 hook 技術有2類，一種是 NSProxy，一種是 method swizzling（isa swizzling）
2.3.1 方法一
寫 SDK 肯定不可能手動侵入業務代碼（你沒那個權限提交到線上代碼 ????），所以不管是 APM 還是無痕埋點都是通過 Hook 的方式。
面向切面程序設計（Aspect-oriented Programming，AOP）是計算機科學中的一種程序設計範型，將橫切關注點與業務主體進一步分離，以提高程序代碼的模塊化程度。在不修改源代碼的情況下給程序動態增加功能。其核心思想是將業務邏輯（核心關注點，系統主要功能）與公共功能（橫切關注點，比如日誌系統）進行分離，降低複雜性，保持系統模塊化程度、可維護性、可重用性。常被用在日誌系統、性能統計、安全控制、事務處理、異常處理等場景下。
在 iOS 中 AOP 的實現是基於 Runtime 機制，目前由3種方式：Method Swizzling、NSProxy、FishHook（主要用用於 hook c 代碼）。
文章上面 2.1 討論了滿足大多數的需求的場景，NSURLProtocol 監控了 NSURLConnection、NSURLSession 的網絡請求，自身代理後可以發起網絡請求並得到諸如請求開始時間、請求結束時間、header 信息等，但是無法得到非常詳細的網絡性能數據，比如 DNS 開始解析時間、DNS 解析用了多久、reponse 開始返回的時間、返回了多久等。 iOS10 之後 NSURLSessionTaskDelegate 增加了一個代理方法 - (void)URLSession:(NSURLSession *)session task:(NSURLSessionTask *)task didFinishCollectingMetrics:(NSURLSessionTaskMetrics *)metrics API_AVAILABLE(macosx(10.12), ios(10.0), watchos(3.0), tvos(10.0));，可以獲取到精確的各項網絡數據。但是具有兼容性。文章上面 2.2 討論了從 Webkit 源碼中得到的信息，通過私有方法 _setCollectsTimingData: 、_timingData 可以獲取到 TimingData。
但是如果需要監全部的網絡請求就不能滿足需求了，查閱資料後發現了阿里百川有 APM 的解決方案，於是有了方案3，對於網絡監控需要做如下的處理
可能對於 CFNetwork 比較陌生，可以看一下 CFNetwork 的層級和簡單用法
CFNetwork 的基礎是 CFSocket 和 CFStream。
CFSocket：Socket 是網絡通信的底層基礎，可以讓2個 socket 端口互發數據，iOS 中最常用的 socket 抽象是 BSD socket。而 CFSocket 是 BSD socket 的 OC 包裝，幾乎實現了所有的 BSD 功能，此外加入了 RunLoop。
CFStream：提供了與設備無關的讀寫數據方法，使用它可以爲內存、文件、網絡（使用 socket）的數據建立流，使用 stream 可以不必將所有數據寫入到內存中。CFStream 提供 API 對2種 CFType 對象提供抽象：CFReadStream、CFWriteStream。同時也是 CFHTTP、CFFTP 的基礎。
簡單 Demo
- (void)testCFNetwork
{
CFURLRef urlRef = CFURLCreateWithString(kCFAllocatorDefault, CFSTR("https://httpbin.org/get"), NULL);
CFHTTPMessageRef httpMessageRef = CFHTTPMessageCreateRequest(kCFAllocatorDefault, CFSTR("GET"), urlRef, kCFHTTPVersion1_1);
CFRelease(urlRef);
CFReadStreamRef readStream = CFReadStreamCreateForHTTPRequest(kCFAllocatorDefault, httpMessageRef);
CFRelease(httpMessageRef);
CFReadStreamScheduleWithRunLoop(readStream, CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopCommonModes);
CFOptionFlags eventFlags = (kCFStreamEventHasBytesAvailable | kCFStreamEventErrorOccurred | kCFStreamEventEndEncountered);
CFStreamClientContext context = {
0,
NULL,
NULL,
NULL,
NULL
} ;
// Assigns a client to a stream, which receives callbacks when certain events occur.
CFReadStreamSetClient(readStream, eventFlags, CFNetworkRequestCallback, &context);
// Opens a stream for reading.
CFReadStreamOpen(readStream);
}
// callback
void CFNetworkRequestCallback (CFReadStreamRef _Null_unspecified stream, CFStreamEventType type, void * _Null_unspecified clientCallBackInfo) {
CFMutableDataRef responseBytes = CFDataCreateMutable(kCFAllocatorDefault, 0);
CFIndex numberOfBytesRead = 0;
do {
UInt8 buffer[2014];
numberOfBytesRead = CFReadStreamRead(stream, buffer, sizeof(buffer));
if (numberOfBytesRead > 0) {
CFDataAppendBytes(responseBytes, buffer, numberOfBytesRead);
}
} while (numberOfBytesRead > 0);
CFHTTPMessageRef response = (CFHTTPMessageRef)CFReadStreamCopyProperty(stream, kCFStreamPropertyHTTPResponseHeader);
if (responseBytes) {
if (response) {
CFHTTPMessageSetBody(response, responseBytes);
}
CFRelease(responseBytes);
}
// close and cleanup
CFReadStreamClose(stream);
CFReadStreamUnscheduleFromRunLoop(stream, CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopCommonModes);
CFRelease(stream);
// print response
if (response) {
CFDataRef reponseBodyData = CFHTTPMessageCopyBody(response);
CFRelease(response);
printResponseData(reponseBodyData);
CFRelease(reponseBodyData);
}
}
void printResponseData (CFDataRef responseData) {
CFIndex dataLength = CFDataGetLength(responseData);
UInt8 *bytes = (UInt8 *)malloc(dataLength);
CFDataGetBytes(responseData, CFRangeMake(0, CFDataGetLength(responseData)), bytes);
CFStringRef responseString = CFStringCreateWithBytes(kCFAllocatorDefault, bytes, dataLength, kCFStringEncodingUTF8, TRUE);
CFShow(responseString);
CFRelease(responseString);
free(bytes);
}
// console
{
"args": {},
"headers": {
"Host": "httpbin.org",
"User-Agent": "Test/1 CFNetwork/1125.2 Darwin/19.3.0",
"X-Amzn-Trace-Id": "Root=1-5e8980d0-581f3f44724c7140614c2564"
},
"origin": "183.159.122.102",
"url": "https://httpbin.org/get"
}
我們知道 NSURLSession、NSURLConnection、CFNetwork 的使用都需要調用一堆方法進行設置然後需要設置代理對象，實現代理方法。所以針對這種情況進行監控首先想到的是使用 runtime hook 掉方法層級。但是針對設置的代理對象的代理方法沒辦法 hook，因爲不知道代理對象是哪個類。所以想辦法可以 hook 設置代理對象這個步驟，將代理對象替換成我們設計好的某個類，然後讓這個類去實現 NSURLConnection、NSURLSession、CFNetwork 相關的代理方法。然後在這些方法的內部都去調用一下原代理對象的方法實現。所以我們的需求得以滿足，我們在相應的方法裏面可以拿到監控數據，比如請求開始時間、結束時間、狀態碼、內容大小等。
NSURLSession、NSURLConnection hook 如下。 
業界有 APM 針對 CFNetwork 的方案，整理描述下：
CFNetwork 是 c 語言實現的，要對 c 代碼進行 hook 需要使用 Dynamic Loader Hook 庫 - fishhook。
Dynamic Loader（dyld）通過更新 Mach-O 文件中保存的指針的方法來綁定符號。借用它可以在 Runtime 修改 C 函數調用的函數指針。fishhook 的實現原理：遍歷
__DATA segment裏面__nl_symbol_ptr、__la_symbol_ptr兩個 p 裏面的符號，通過 Indirect Symbol Table、Symbol Table 和 String Table 的配合，找到自己要替換的函數，達到 hook 的目的。
/* Returns the number of bytes read, or -1 if an error occurs preventing any
bytes from being read, or 0 if the stream's end was encountered.
It is an error to try and read from a stream that hasn't been opened first.
This call will block until at least one byte is available; it will NOT block
until the entire buffer can be filled. To avoid blocking, either poll using
CFReadStreamHasBytesAvailable() or use the run loop and listen for the
kCFStreamEventHasBytesAvailable event for notification of data available. */
CF_EXPORT
CFIndex CFReadStreamRead(CFReadStreamRef _Null_unspecified stream, UInt8 * _Null_unspecified buffer, CFIndex bufferLength);
CFNetwork 使用 CFReadStreamRef 來傳遞數據，使用回調函數的形式來接受服務器的響應。當回調函數受到
具體步驟及其關鍵代碼如下，以 NSURLConnection 舉例
因爲要 Hook 挺多地方，所以寫一個 method swizzling 的工具類
#import <Foundation/Foundation.h> NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN @interface NSObject (hook) /** hook對象方法 @param originalSelector 需要hook的原始對象方法 @param swizzledSelector 需要替換的對象方法 */ + (void)apm_swizzleMethod:(SEL)originalSelector swizzledSelector:(SEL)swizzledSelector; /** hook類方法 @param originalSelector 需要hook的原始類方法 @param swizzledSelector 需要替換的類方法 */ + (void)apm_swizzleClassMethod:(SEL)originalSelector swizzledSelector:(SEL)swizzledSelector; @end NS_ASSUME_NONNULL_END + (void)apm_swizzleMethod:(SEL)originalSelector swizzledSelector:(SEL)swizzledSelector { class_swizzleInstanceMethod(self, originalSelector, swizzledSelector); } + (void)apm_swizzleClassMethod:(SEL)originalSelector swizzledSelector:(SEL)swizzledSelector { //類方法實際上是儲存在類對象的類(即元類)中，即類方法相當於元類的實例方法,所以只需要把元類傳入，其他邏輯和交互實例方法一樣。 Class class2 = object_getClass(self); class_swizzleInstanceMethod(class2, originalSelector, swizzledSelector); } void class_swizzleInstanceMethod(Class class, SEL originalSEL, SEL replacementSEL) { Method originMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSEL); Method replaceMethod = class_getInstanceMethod(class, replacementSEL); if(class_addMethod(class, originalSEL, method_getImplementation(replaceMethod),method_getTypeEncoding(replaceMethod))) { class_replaceMethod(class,replacementSEL, method_getImplementation(originMethod), method_getTypeEncoding(originMethod)); }else { method_exchangeImplementations(originMethod, replaceMethod); } }建立一個繼承自 NSProxy 抽象類的類，實現相應方法。
#import <Foundation/Foundation.h> NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN // 爲 NSURLConnection、NSURLSession、CFNetwork 代理設置代理轉發 @interface NetworkDelegateProxy : NSProxy + (instancetype)setProxyForObject:(id)originalTarget withNewDelegate:(id)newDelegate; @end NS_ASSUME_NONNULL_END // .m @interface NetworkDelegateProxy () { id _originalTarget; id _NewDelegate; } @end @implementation NetworkDelegateProxy #pragma mark - life cycle + (instancetype)sharedInstance { static NetworkDelegateProxy *_sharedInstance = nil; static dispatch_once_t onceToken; dispatch_once(&onceToken, ^{ _sharedInstance = [NetworkDelegateProxy alloc]; }); return _sharedInstance; } #pragma mark - public Method + (instancetype)setProxyForObject:(id)originalTarget withNewDelegate:(id)newDelegate { NetworkDelegateProxy *instance = [NetworkDelegateProxy sharedInstance]; instance->_originalTarget = originalTarget; instance->_NewDelegate = newDelegate; return instance; } - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation { if ([_originalTarget respondsToSelector:invocation.selector]) { [invocation invokeWithTarget:_originalTarget]; [((NSURLSessionAndConnectionImplementor *)_NewDelegate) invoke:invocation]; } } - (nullable NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)sel { return [_originalTarget methodSignatureForSelector:sel]; } @end創建一個對象，實現 NSURLConnection、NSURLSession、NSIuputStream 代理方法
// NetworkImplementor.m #pragma mark-NSURLConnectionDelegate - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didFailWithError:(NSError *)error { NSLog(@"%s", __func__); } - (nullable NSURLRequest *)connection:(NSURLConnection *)connection willSendRequest:(NSURLRequest *)request redirectResponse:(nullable NSURLResponse *)response { NSLog(@"%s", __func__); return request; } #pragma mark-NSURLConnectionDataDelegate - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveResponse:(NSURLResponse *)response { NSLog(@"%s", __func__); } - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveData:(NSData *)data { NSLog(@"%s", __func__); } - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didSendBodyData:(NSInteger)bytesWritten totalBytesWritten:(NSInteger)totalBytesWritten totalBytesExpectedToWrite:(NSInteger)totalBytesExpectedToWrite { NSLog(@"%s", __func__); } - (void)connectionDidFinishLoading:(NSURLConnection *)connection { NSLog(@"%s", __func__); } #pragma mark-NSURLConnectionDownloadDelegate - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didWriteData:(long long)bytesWritten totalBytesWritten:(long long)totalBytesWritten expectedTotalBytes:(long long) expectedTotalBytes { NSLog(@"%s", __func__); } - (void)connectionDidResumeDownloading:(NSURLConnection *)connection totalBytesWritten:(long long)totalBytesWritten expectedTotalBytes:(long long) expectedTotalBytes { NSLog(@"%s", __func__); } - (void)connectionDidFinishDownloading:(NSURLConnection *)connection destinationURL:(NSURL *) destinationURL { NSLog(@"%s", __func__); } // 根據需求自己去寫需要監控的數據項給 NSURLConnection 添加 Category，專門設置 hook 代理對象、hook NSURLConnection 對象方法
// NSURLConnection+Monitor.m @implementation NSURLConnection (Monitor) + (void)load { static dispatch_once_t onceToken; dispatch_once(&onceToken, ^{ @autoreleasepool { [[self class] apm_swizzleMethod:@selector(apm_initWithRequest:delegate:) swizzledSelector:@selector(initWithRequest: delegate:)]; } }); } - (_Nonnull instancetype)apm_initWithRequest:(NSURLRequest *)request delegate:(nullable id)delegate { /* 1. 在設置 Delegate 的時候替換 delegate。 2. 因爲要在每個代理方法裏面，監控數據，所以需要將代理方法都 hook 下 3. 在原代理方法執行的時候，讓新的代理對象裏面，去執行方法的轉發， */ NSString *traceId = @"traceId"; NSMutableURLRequest *rq = [request mutableCopy]; NSString *preTraceId = [request.allHTTPHeaderFields valueForKey:@"head_key_traceid"]; if (preTraceId) { // 調用 hook 之前的初始化方法，返回 NSURLConnection return [self apm_initWithRequest:rq delegate:delegate]; } else { [rq setValue:traceId forHTTPHeaderField:@"head_key_traceid"]; NSURLSessionAndConnectionImplementor *mockDelegate = [NSURLSessionAndConnectionImplementor new]; [self registerDelegateMethod:@"connection:didFailWithError:" originalDelegate:delegate newDelegate:mockDelegate flag:"v@:@@"]; [self registerDelegateMethod:@"connection:didReceiveResponse:" originalDelegate:delegate newDelegate:mockDelegate flag:"v@:@@"]; [self registerDelegateMethod:@"connection:didReceiveData:" originalDelegate:delegate newDelegate:mockDelegate flag:"v@:@@"]; [self registerDelegateMethod:@"connection:didFailWithError:" originalDelegate:delegate newDelegate:mockDelegate flag:"v@:@@"]; [self registerDelegateMethod:@"connectionDidFinishLoading:" originalDelegate:delegate newDelegate:mockDelegate flag:"v@:@"]; [self registerDelegateMethod:@"connection:willSendRequest:redirectResponse:" originalDelegate:delegate newDelegate:mockDelegate flag:"@@:@@"]; delegate = [NetworkDelegateProxy setProxyForObject:delegate withNewDelegate:mockDelegate]; // 調用 hook 之前的初始化方法，返回 NSURLConnection return [self apm_initWithRequest:rq delegate:delegate]; } } - (void)registerDelegateMethod:(NSString *)methodName originalDelegate:(id<NSURLConnectionDelegate>)originalDelegate newDelegate:(NSURLSessionAndConnectionImplementor *)newDelegate flag:(const char *)flag { if ([originalDelegate respondsToSelector:NSSelectorFromString(methodName)]) { IMP originalMethodImp = class_getMethodImplementation([originalDelegate class], NSSelectorFromString(methodName)); IMP newMethodImp = class_getMethodImplementation([newDelegate class], NSSelectorFromString(methodName)); if (originalMethodImp != newMethodImp) { [newDelegate registerSelector: methodName]; NSLog(@""); } } else { class_addMethod([originalDelegate class], NSSelectorFromString(methodName), class_getMethodImplementation([newDelegate class], NSSelectorFromString(methodName)), flag); } } @end
這樣下來就是可以監控到網絡信息了，然後將數據交給數據上報 SDK，按照下發的數據上報策略去上報數據。
2.3.2 方法二
其實，針對上述的需求還有另一種方法一樣可以達到目的，那就是 isa swizzling。
順道說一句，上面針對 NSURLConnection、NSURLSession、NSInputStream 代理對象的 hook 之後，利用 NSProxy 實現代理對象方法的轉發，有另一種方法可以實現，那就是 isa swizzling。
Method swizzling 原理
struct old_method { SEL method_name; char *method_types; IMP method_imp; };
method swizzling 改進版如下
Method originalMethod = class_getInstanceMethod(aClass, aSEL);
IMP originalIMP = method_getImplementation(originalMethod);
char *cd = method_getTypeEncoding(originalMethod);
IMP newIMP = imp_implementationWithBlock(^(id self) {
void (*tmp)(id self, SEL _cmd) = originalIMP;
tmp(self, aSEL);
});
class_replaceMethod(aClass, aSEL, newIMP, cd);
isa swizzling
/// Represents an instance of a class. struct objc_object { Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; }; /// A pointer to an instance of a class. typedef struct objc_object *id;
我們來分析一下爲什麼修改 isa 可以實現目的呢？
寫 APM 監控的人沒辦法確定業務代碼
不可能爲了方便監控 APM，寫某些類，讓業務線開發者別使用系統 NSURLSession、NSURLConnection 類
想想 KVO 的實現原理？結合上面的圖
創建監控對象子類
重寫子類中屬性的 getter、seeter
將監控對象的 isa 指針指向新創建的子類
在子類的 getter、setter 中攔截值的變化，通知監控對象值的變化
監控完之後將監控對象的 isa 還原回去
按照這個思路，我們也可以對 NSURLConnection、NSURLSession 的 load 方法中動態創建子類，在子類中重寫方法，比如 - (**nullable** **instancetype**)initWithRequest:(NSURLRequest *)request delegate:(**nullable** **id**)delegate startImmediately:(**BOOL**)startImmediately; ，然後將 NSURLSession、NSURLConnection 的 isa 指向動態創建的子類。在這些方法處理完之後還原本身的 isa 指針。
不過 isa swizzling 針對的還是 method swizzling，代理對象不確定，還是需要 NSProxy 進行動態處理。
至於如何修改 isa，我寫一個簡單的 Demo 來模擬 KVO
- (void)lbpKVO_addObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath options:(NSKeyValueObservingOptions)options context:(nullable void *)context {
//生成自定義的名稱
NSString *className = NSStringFromClass(self.class);
NSString *currentClassName = [@"LBPKVONotifying_" stringByAppendingString:className];
//1. runtime 生成類
Class myclass = objc_allocateClassPair(self.class, [currentClassName UTF8String], 0);
// 生成後不能馬上使用，必須先註冊
objc_registerClassPair(myclass);
//2. 重寫 setter 方法
class_addMethod(myclass,@selector(say) , (IMP)say, "v@:@");
// class_addMethod(myclass,@selector(setName:) , (IMP)setName, "v@:@");
//3. 修改 isa
object_setClass(self, myclass);
//4. 將觀察者保存到當前對象裏面
objc_setAssociatedObject(self, "observer", observer, OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN);
//5. 將傳遞的上下文綁定到當前對象裏面
objc_setAssociatedObject(self, "context", (__bridge id _Nullable)(context), OBJC_ASSOCIATION_RETAIN);
}
void say(id self, SEL _cmd)
{
// 調用父類方法一
struct objc_super superclass = {self, [self superclass]};
((void(*)(struct objc_super *,SEL))objc_msgSendSuper)(&superclass,@selector(say));
NSLog(@"%s", __func__);
// 調用父類方法二
// Class class = [self class];
// object_setClass(self, class_getSuperclass(class));
// objc_msgSend(self, @selector(say));
}
void setName (id self, SEL _cmd, NSString *name) {
NSLog(@"come here");
//先切換到當前類的父類，然後發送消息 setName，然後切換當前子類
//1. 切換到父類
Class class = [self class];
object_setClass(self, class_getSuperclass(class));
//2. 調用父類的 setName 方法
objc_msgSend(self, @selector(setName:), name);
//3. 調用觀察
id observer = objc_getAssociatedObject(self, "observer");
id context = objc_getAssociatedObject(self, "context");
if (observer) {
objc_msgSend(observer, @selector(observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:), @"name", self, @{@"new": name, @"kind": @1 } , context);
}
//4. 改回子類
object_setClass(self, class);
}
@end
2.4 方案四：監控 App 常見網絡請求
本着成本的原因，由於現在大多數的項目的網絡能力都是通過 AFNetworking 完成的，所以本文的網絡監控可以快速完成。
AFNetworking 在發起網絡的時候會有相應的通知。AFNetworkingTaskDidResumeNotification 和 AFNetworkingTaskDidCompleteNotification。通過監聽通知攜帶的參數獲取網絡情況信息。
self.didResumeObserver = [[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserverForName:AFNetworkingTaskDidResumeNotification object:nil queue:self.queue usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
// 開始
__strong __typeof(weakSelf)strongSelf = weakSelf;
NSURLSessionTask *task = note.object;
NSString *requestId = [[NSUUID UUID] UUIDString];
task.apm_requestId = requestId;
[strongSelf.networkRecoder recordStartRequestWithRequestID:requestId task:task];
}];
self.didCompleteObserver = [[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserverForName:AFNetworkingTaskDidCompleteNotification object:nil queue:self.queue usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
__strong __typeof(weakSelf)strongSelf = weakSelf;
NSError *error = note.userInfo[AFNetworkingTaskDidCompleteErrorKey];
NSURLSessionTask *task = note.object;
if (!error) {
// 成功
[strongSelf.networkRecoder recordFinishRequestWithRequestID:task.cmn_requestId task:task];
} else {
// 失敗
[strongSelf.networkRecoder recordResponseErrorWithRequestID:task.cmn_requestId task:task error:error];
}
}];
在 networkRecoder 的方法裏面去組裝數據，交給數據上報組件，等到合適的時機策略去上報。
因爲網絡是一個異步的過程，所以當網絡請求開始的時候需要爲每個網絡設置唯一標識，等到網絡請求完成後再根據每個請求的標識，判斷該網絡耗時多久、是否成功等。所以措施是爲 NSURLSessionTask 添加分類，通過 runtime 增加一個屬性，也就是唯一標識。
這裏插一嘴，爲 Category 命名、以及內部的屬性和方法命名的時候需要注意下。假如不注意會怎麼樣呢？假如你要爲 NSString 類增加身份證號碼中間位數隱藏的功能，那麼寫代碼久了的老司機 A，爲 NSString 增加了一個方法名，叫做 getMaskedIdCardNumber，但是他的需求是從 [9, 12] 這4位字符串隱藏掉。過了幾天同事 B 也遇到了類似的需求，他也是一位老司機，爲 NSString 增加了一個也叫 getMaskedIdCardNumber 的方法，但是他的需求是從 [8, 11] 這4位字符串隱藏，但是他引入工程後發現輸出並不符合預期，爲該方法寫的單測沒通過，他以爲自己寫錯了截取方法，檢查了幾遍才發現工程引入了另一個 NSString 分類，裏面的方法同名 ???? 真坑。
下面的例子是 SDK，但是日常開發也是一樣。
Category 類名：建議按照當前 SDK 名稱的簡寫作爲前綴，再加下劃線，再加當前分類的功能，也就是
類名+SDK名稱簡寫_功能名稱。比如當前 SDK 叫 JuhuaSuanAPM，那麼該 NSURLSessionTask Category 名稱就叫做NSURLSessionTask+JuHuaSuanAPM_NetworkMonitor.hCategory 屬性名：建議按照當前 SDK 名稱的簡寫作爲前綴，再加下劃線，再加屬性名，也就是
SDK名稱簡寫_屬性名稱。比如 JuhuaSuanAPM_requestId`Category 方法名：建議按照當前 SDK 名稱的簡寫作爲前綴，再加下劃線，再加方法名，也就是
SDK名稱簡寫_方法名稱。比如-(BOOL)JuhuaSuanAPM__isGzippedData
例子如下：
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface NSURLSessionTask (JuhuaSuanAPM_NetworkMonitor)
@property (nonatomic, copy) NSString* JuhuaSuanAPM_requestId;
@end
#import "NSURLSessionTask+JuHuaSuanAPM_NetworkMonitor.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation NSURLSessionTask (JuHuaSuanAPM_NetworkMonitor)
- (NSString*)JuhuaSuanAPM_requestId
{
return objc_getAssociatedObject(self, _cmd);
}
- (void)setJuhuaSuanAPM_requestId:(NSString*)requestId
{
objc_setAssociatedObject(self, @selector(JuhuaSuanAPM_requestId), requestId, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}
@end
2.5 iOS 流量監控
2.5.1 HTTP 請求、響應數據結構
HTTP 請求報文結構
響應報文的結構
HTTP 報文是格式化的數據塊，每條報文由三部分組成：對報文進行描述的起始行、包含屬性的首部塊、以及可選的包含數據的主體部分。
起始行和手部就是由行分隔符的 ASCII 文本，每行都以一個由2個字符組成的行終止序列作爲結束（包括一個回車符、一個換行符）
實體的主體或者報文的主體是一個可選的數據塊。與起始行和首部不同的是，主體中可以包含文本或者二進制數據，也可以爲空。
HTTP 首部（也就是 Headers）總是應該以一個空行結束，即使沒有實體部分。瀏覽器發送了一個空白行來通知服務器，它已經結束了該頭信息的發送。
請求報文的格式
<method> <request-URI> <version>
<headers>
<entity-body>
響應報文的格式
<version> <status> <reason-phrase>
<headers>
<entity-body>
下圖是打開 Chrome 查看極課時間網頁的請求信息。包括響應行、響應頭、響應體等信息。
下圖是在終端使用 curl 查看一個完整的請求和響應數據
我們都知道在 HTTP 通信中，響應數據會使用 gzip 或其他壓縮方式壓縮，用 NSURLProtocol 等方案監聽，用 NSData 類型去計算分析流量等會造成數據的不精確，因爲正常一個 HTTP 響應體的內容是使用 gzip 或其他壓縮方式壓縮的，所以使用 NSData 會偏大。
2.5.2 問題
Request 和 Response 不一定成對存在
比如網絡斷開、App 突然 Crash 等，所以 Request 和 Response 監控後不應該記錄在一條記錄裏
請求流量計算方式不精確
主要原因有：
監控技術方案忽略了請求頭和請求行部分的數據大小
監控技術方案忽略了 Cookie 部分的數據大小
監控技術方案在對請求體大小計算的時候直接使用
HTTPBody.length，導致不夠精確
響應流量計算方式不精確
主要原因有：
監控技術方案忽略了響應頭和響應行部分的數據大小
監控技術方案在對 body 部分的字節大小計算，因採用
exceptedContentLength導致不夠準確監控技術方案忽略了響應體使用 gzip 壓縮。真正的網絡通信過程中，客戶端在發起請求的請求頭中
Accept-Encoding字段代表客戶端支持的數據壓縮方式（表明客戶端可以正常使用數據時支持的壓縮方法），同樣服務端根據客戶端想要的壓縮方式、服務端當前支持的壓縮方式，最後處理數據，在響應頭中Content-Encoding字段表示當前服務器採用了什麼壓縮方式。
2.5.3 技術實現
第五部分講了網絡攔截的各種原理和技術方案，這裏拿 NSURLProtocol 來說實現流量監控（Hook 的方式）。從上述知道了我們需要什麼樣的，那麼就逐步實現吧。
2.5.3.1 Request 部分
先利用網絡監控方案將 NSURLProtocol 管理 App 的各種網絡請求
在各個方法內部記錄各項所需參數（NSURLProtocol 不能分析請求握手、揮手等數據大小和時間消耗，不過對於正常情況的接口流量分析足夠了，最底層需要 Socket 層）
@property(nonatomic, strong) NSURLConnection *internalConnection; @property(nonatomic, strong) NSURLResponse *internalResponse; @property(nonatomic, strong) NSMutableData *responseData; @property (nonatomic, strong) NSURLRequest *internalRequest;- (void)startLoading { NSMutableURLRequest *mutableRequest = [[self request] mutableCopy]; self.internalConnection = [[NSURLConnection alloc] initWithRequest:mutableRequest delegate:self]; self.internalRequest = self.request; } - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveResponse:(NSURLResponse *)response { [self.client URLProtocol:self didReceiveResponse:response cacheStoragePolicy:NSURLCacheStorageNotAllowed]; self.internalResponse = response; } - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveData:(NSData *)data { [self.responseData appendData:data]; [self.client URLProtocol:self didLoadData:data]; }Status Line 部分
NSURLResponse 沒有 Status Line 等屬性或者接口，HTTP Version 信息也沒有，所以要想獲取 Status Line 想辦法轉換到 CFNetwork 層試試看。發現有私有 API 可以實現。
思路：將 NSURLResponse 通過 _CFURLResponse 轉換爲 CFTypeRef，然後再將 CFTypeRef 轉換爲 CFHTTPMessageRef，再通過 CFHTTPMessageCopyResponseStatusLine 獲取 CFHTTPMessageRef 的 Status Line 信息。
將讀取 Status Line 的功能添加一個 NSURLResponse 的分類。
// NSURLResponse+cm_FetchStatusLineFromCFNetwork.h
#import <Foundation/Foundation.h>
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface NSURLResponse (cm_FetchStatusLineFromCFNetwork)
- (NSString *)cm_fetchStatusLineFromCFNetwork;
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END
// NSURLResponse+cm_FetchStatusLineFromCFNetwork.m
#import "NSURLResponse+cm_FetchStatusLineFromCFNetwork.h"
#import <dlfcn.h>
#define SuppressPerformSelectorLeakWarning(Stuff) \
do { \
_Pragma("clang diagnostic push") \
_Pragma("clang diagnostic ignored \"-Warc-performSelector-leaks\"") \
Stuff; \
_Pragma("clang diagnostic pop") \
} while (0)
typedef CFHTTPMessageRef (*CMURLResponseFetchHTTPResponse)(CFURLRef response);
@implementation NSURLResponse (cm_FetchStatusLineFromCFNetwork)
- (NSString *)cm_fetchStatusLineFromCFNetwork
{
NSString *statusLine = @"";
NSString *funcName = @"CFURLResponseGetHTTPResponse";
CMURLResponseFetchHTTPResponse originalURLResponseFetchHTTPResponse = dlsym(RTLD_DEFAULT, [funcName UTF8String]);
SEL getSelector = NSSelectorFromString(@"_CFURLResponse");
if ([self respondsToSelector:getSelector] && NULL != originalURLResponseFetchHTTPResponse) {
CFTypeRef cfResponse;
SuppressPerformSelectorLeakWarning(
cfResponse = CFBridgingRetain([self performSelector:getSelector]);
);
if (NULL != cfResponse) {
CFHTTPMessageRef messageRef = originalURLResponseFetchHTTPResponse(cfResponse);
statusLine = (__bridge_transfer NSString *)CFHTTPMessageCopyResponseStatusLine(messageRef);
CFRelease(cfResponse);
}
}
return statusLine;
}
@end
將獲取到的 Status Line 轉換爲 NSData，再計算大小
- (NSUInteger)cm_getLineLength { NSString *statusLineString = @""; if ([self isKindOfClass:[NSHTTPURLResponse class]]) { NSHTTPURLResponse *httpResponse = (NSHTTPURLResponse *)self; statusLineString = [self cm_fetchStatusLineFromCFNetwork]; } NSData *lineData = [statusLineString dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding]; return lineData.length; }Header 部分
allHeaderFields獲取到 NSDictionary，然後按照key: value拼接成字符串，然後轉換成 NSData 計算大小注意：
key: valuekey 後是有空格的，curl 或者 chrome Network 面板可以查看印證下。- (NSUInteger)cm_getHeadersLength { NSUInteger headersLength = 0; if ([self isKindOfClass:[NSHTTPURLResponse class]]) { NSHTTPURLResponse *httpResponse = (NSHTTPURLResponse *)self; NSDictionary *headerFields = httpResponse.allHeaderFields; NSString *headerString = @""; for (NSString *key in headerFields.allKeys) { headerString = [headerStr stringByAppendingString:key]; headheaderStringerStr = [headerString stringByAppendingString:@": "]; if ([headerFields objectForKey:key]) { headerString = [headerString stringByAppendingString:headerFields[key]]; } headerString = [headerString stringByAppendingString:@"\n"]; } NSData *headerData = [headerString dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding]; headersLength = headerData.length; } return headersLength; }Body 部分
Body 大小的計算不能直接使用 excepectedContentLength，官方文檔說明了其不準確性，只可以作爲參考。或者
allHeaderFields中的Content-Length值也是不夠準確的。/*!
@abstract Returns the expected content length of the receiver.
@discussion Some protocol implementations report a content length
as part of delivering load metadata, but not all protocols
guarantee the amount of data that will be delivered in actuality.
Hence, this method returns an expected amount. Clients should use
this value as an advisory, and should be prepared to deal with
either more or less data.
@result The expected content length of the receiver, or -1 if
there is no expectation that can be arrived at regarding expected
content length.
*/
@property (readonly) long long expectedContentLength;
什麼是
Transfer-Encoding: chunked數據以一系列分塊的形式進行發送
Content-Length首部在這種情況下不被髮送. 在每一個分塊的開頭需要添加當前分塊的長度, 以十六進制的形式表示，後面緊跟着\r\n, 之後是分塊本身, 後面也是\r\n，終止塊是一個常規的分塊, 不同之處在於其長度爲0.我們之前拿 NSMutableData 記錄了數據，所以我們可以在
stopLoading方法中計算出 Body 大小。步驟如下：
在
didReceiveData中不斷添加 data- (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveData:(NSData *)data { [self.responseData appendData:data]; [self.client URLProtocol:self didLoadData:data]; }在
stopLoading方法中拿到allHeaderFields字典，獲取Content-Encodingkey 的值，如果是 gzip，則在stopLoading中將 NSData 處理爲 gzip 壓縮後的數據，再計算大小。（gzip 相關功能可以使用這個工具）需要額外計算一個空白行的長度
- (void)stopLoadi { [self.internalConnection cancel]; PCTNetworkTrafficModel *model = [[PCTNetworkTrafficModel alloc] init]; model.path = self.request.URL.path; model.host = self.request.URL.host; model.type = DMNetworkTrafficDataTypeResponse; model.lineLength = [self.internalResponse cm_getStatusLineLength]; model.headerLength = [self.internalResponse cm_getHeadersLength]; model.emptyLineLength = [self.internalResponse cm_getEmptyLineLength]; if ([self.dm_response isKindOfClass:[NSHTTPURLResponse class]]) { NSHTTPURLResponse *httpResponse = (NSHTTPURLResponse *)self.dm_response; NSData *data = self.dm_data; if ([[httpResponse.allHeaderFields objectForKey:@"Content-Encoding"] isEqualToString:@"gzip"]) { data = [self.dm_data gzippedData]; } model.bodyLength = data.length; } model.length = model.lineLength + model.headerLength + model.bodyLength + model.emptyLineLength; NSDictionary *networkTrafficDictionary = [model convertToDictionary]; [[PrismClient sharedInstance] sendWithType:CMMonitorNetworkTrafficType meta:networkTrafficDictionary payload:nil]; }
HTTP 1.1 版本規定，如果存在
Transfer-Encoding: chunked，則在 header 中不能有Content-Length，有也會被忽視。在 HTTP 1.0及之前版本中，
content-length字段可有可無在 HTTP 1.1及之後版本。如果是
keep alive，則Content-Length和chunked必然是二選一。若是非keep alive，則和 HTTP 1.0一樣。Content-Length可有可無。
2.5.3.2 Resquest 部分
先利用網絡監控方案將 NSURLProtocol 管理 App 的各種網絡請求
在各個方法內部記錄各項所需參數（NSURLProtocol 不能分析請求握手、揮手等數據大小和時間消耗，不過對於正常情況的接口流量分析足夠了，最底層需要 Socket 層）
@property(nonatomic, strong) NSURLConnection *internalConnection; @property(nonatomic, strong) NSURLResponse *internalResponse; @property(nonatomic, strong) NSMutableData *responseData; @property (nonatomic, strong) NSURLRequest *internalRequest;- (void)startLoading { NSMutableURLRequest *mutableRequest = [[self request] mutableCopy]; self.internalConnection = [[NSURLConnection alloc] initWithRequest:mutableRequest delegate:self]; self.internalRequest = self.request; } - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveResponse:(NSURLResponse *)response { [self.client URLProtocol:self didReceiveResponse:response cacheStoragePolicy:NSURLCacheStorageNotAllowed]; self.internalResponse = response; } - (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveData:(NSData *)data { [self.responseData appendData:data]; [self.client URLProtocol:self didLoadData:data]; }Status Line 部分
對於 NSURLRequest 沒有像 NSURLResponse 一樣的方法找到 StatusLine。所以兜底方案是自己根據 Status Line 的結構，自己手動構造一個。結構爲：
協議版本號+空格+狀態碼+空格+狀態文本+換行爲 NSURLRequest 添加一個專門獲取 Status Line 的分類。
// NSURLResquest+cm_FetchStatusLineFromCFNetwork.m - (NSUInteger)cm_fetchStatusLineLength { NSString *statusLineString = [NSString stringWithFormat:@"%@ %@ %@\n", self.HTTPMethod, self.URL.path, @"HTTP/1.1"]; NSData *statusLineData = [statusLineString dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding]; return statusLineData.length; }Header 部分
一個 HTTP 請求會先構建判斷是否存在緩存，然後進行 DNS 域名解析以獲取請求域名的服務器 IP 地址。如果請求協議是 HTTPS，那麼還需要建立 TLS 連接。接下來就是利用 IP 地址和服務器建立 TCP 連接。連接建立之後，瀏覽器端會構建請求行、請求頭等信息，並把和該域名相關的 Cookie 等數據附加到請求頭中，然後向服務器發送構建的請求信息。
所以一個網絡監控不考慮 cookie ????，借用王多魚的一句話「那不完犢子了嗎」。
看過一些文章說 NSURLRequest 不能完整獲取到請求頭信息。其實問題不大， 幾個信息獲取不完全也沒辦法。衡量監控方案本身就是看接口在不同版本或者某些情況下數據消耗是否異常，WebView 資源請求是否過大，類似於控制變量法的思想。
所以獲取到 NSURLRequest 的
allHeaderFields後，加上 cookie 信息，計算完整的 Header 大小// NSURLResquest+cm_FetchHeaderWithCookies.m - (NSUInteger)cm_fetchHeaderLengthWithCookie { NSDictionary *headerFields = self.allHTTPHeaderFields; NSDictionary *cookiesHeader = [self cm_fetchCookies]; if (cookiesHeader.count) { NSMutableDictionary *headerDictionaryWithCookies = [NSMutableDictionary dictionaryWithDictionary:headerFields]; [headerDictionaryWithCookies addEntriesFromDictionary:cookiesHeader]; headerFields = [headerDictionaryWithCookies copy]; } NSString *headerString = @""; for (NSString *key in headerFields.allKeys) { headerString = [headerString stringByAppendingString:key]; headerString = [headerString stringByAppendingString:@": "]; if ([headerFields objectForKey:key]) { headerString = [headerString stringByAppendingString:headerFields[key]]; } headerString = [headerString stringByAppendingString:@"\n"]; } NSData *headerData = [headerString dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding]; headersLength = headerData.length; return headerString; } - (NSDictionary *)cm_fetchCookies { NSDictionary *cookiesHeaderDictionary; NSHTTPCookieStorage *cookieStorage = [NSHTTPCookieStorage sharedHTTPCookieStorage]; NSArray<NSHTTPCookie *> *cookies = [cookieStorage cookiesForURL:self.URL]; if (cookies.count) { cookiesHeaderDictionary = [NSHTTPCookie requestHeaderFieldsWithCookies:cookies]; } return cookiesHeaderDictionary; }Body 部分
NSURLConnection 的
HTTPBody有可能獲取不到，問題類似於 WebView 上 ajax 等情況。所以可以通過HTTPBodyStream讀取 stream 來計算 body 大小.- (NSUInteger)cm_fetchRequestBody { NSDictionary *headerFields = self.allHTTPHeaderFields; NSUInteger bodyLength = [self.HTTPBody length]; if ([headerFields objectForKey:@"Content-Encoding"]) { NSData *bodyData; if (self.HTTPBody == nil) { uint8_t d[1024] = {0}; NSInputStream *stream = self.HTTPBodyStream; NSMutableData *data = [[NSMutableData alloc] init]; [stream open]; while ([stream hasBytesAvailable]) { NSInteger len = [stream read:d maxLength:1024]; if (len > 0 && stream.streamError == nil) { [data appendBytes:(void *)d length:len]; } } bodyData = [data copy]; [stream close]; } else { bodyData = self.HTTPBody; } bodyLength = [[bodyData gzippedData] length]; } return bodyLength; }在
- (NSURLRequest *)connection:(NSURLConnection *)connection willSendRequest:(NSURLRequest *)request redirectResponse:(NSURLResponse *)response方法中將數據上報會在 打造功能強大、靈活可配置的數據上報組件 講-(NSURLRequest *)connection:(NSURLConnection *)connection willSendRequest:(NSURLRequest *)request redirectResponse:(NSURLResponse *)response { if (response != nil) { self.internalResponse = response; [self.client URLProtocol:self wasRedirectedToRequest:request redirectResponse:response]; } PCTNetworkTrafficModel *model = [[PCTNetworkTrafficModel alloc] init]; model.path = request.URL.path; model.host = request.URL.host; model.type = DMNetworkTrafficDataTypeRequest; model.lineLength = [connection.currentRequest dgm_getLineLength]; model.headerLength = [connection.currentRequest dgm_getHeadersLengthWithCookie]; model.bodyLength = [connection.currentRequest dgm_getBodyLength]; model.emptyLineLength = [self.internalResponse cm_getEmptyLineLength]; model.length = model.lineLength + model.headerLength + model.bodyLength + model.emptyLineLength; NSDictionary *networkTrafficDictionary = [model convertToDictionary]; [[PrismClient sharedInstance] sendWithType:CMMonitorNetworkTrafficType meta:networkTrafficDictionary payload:nil]; return request; }
六、 電量消耗
移動設備上電量一直是比較敏感的問題，如果用戶在某款 App 的時候發現耗電量嚴重、手機發熱嚴重，那麼用戶很大可能會馬上卸載這款 App。所以需要在開發階段關心耗電量問題。
一般來說遇到耗電量較大，我們立馬會想到是不是使用了定位、是不是使用了頻繁網絡請求、是不是不斷循環做某件事情？
開發階段基本沒啥問題，我們可以結合 Instrucments 裏的 Energy Log 工具來定位問題。但是線上問題就需要代碼去監控耗電量，可以作爲 APM 的能力之一。
1. 如何獲取電量
在 iOS 中，IOKit 是一個私有框架，用來獲取硬件和設備的詳細信息，也是硬件和內核服務通信的底層框架。所以我們可以通過 IOKit 來獲取硬件信息，從而獲取到電量信息。步驟如下：
首先在蘋果開放源代碼 opensource 中找到 IOPowerSources.h、IOPSKeys.h。在 Xcode 的
Package Contents裏面找到IOKit.framework。 路徑爲/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneOS.platform/Developer/SDKs/iPhoneOS.sdk/System/Library/Frameworks/IOKit.framework然後將 IOPowerSources.h、IOPSKeys.h、IOKit.framework 導入項目工程
設置 UIDevice 的 batteryMonitoringEnabled 爲 true
獲取到的耗電量精確度爲 1%
2. 定位問題
通常我們通過 Instrucments 裏的 Energy Log 解決了很多問題後，App 上線了，線上的耗電量解決就需要使用 APM 來解決了。耗電地方可能是二方庫、三方庫，也可能是某個同事的代碼。
思路是：在檢測到耗電後，先找到有問題的線程，然後堆棧 dump，還原案發現場。
在上面部分我們知道了線程信息的結構， thread_basic_info 中有個記錄 CPU 使用率百分比的字段 cpu_usage。所以我們可以通過遍歷當前線程，判斷哪個線程的 CPU 使用率較高，從而找出有問題的線程。然後再 dump 堆棧，從而定位到發生耗電量的代碼。詳細請看 3.2 部分。
- (double)fetchBatteryCostUsage
{
// returns a blob of power source information in an opaque CFTypeRef
CFTypeRef blob = IOPSCopyPowerSourcesInfo();
// returns a CFArray of power source handles, each of type CFTypeRef
CFArrayRef sources = IOPSCopyPowerSourcesList(blob);
CFDictionaryRef pSource = NULL;
const void *psValue;
// returns the number of values currently in an array
int numOfSources = CFArrayGetCount(sources);
// error in CFArrayGetCount
if (numOfSources == 0) {
NSLog(@"Error in CFArrayGetCount");
return -1.0f;
}
// calculating the remaining energy
for (int i=0; i<numOfSources; i++) {
// returns a CFDictionary with readable information about the specific power source
pSource = IOPSGetPowerSourceDescription(blob, CFArrayGetValueAtIndex(sources, i));
if (!pSource) {
NSLog(@"Error in IOPSGetPowerSourceDescription");
return -1.0f;
}
psValue = (CFStringRef) CFDictionaryGetValue(pSource, CFSTR(kIOPSNameKey));
int curCapacity = 0;
int maxCapacity = 0;
double percentage;
psValue = CFDictionaryGetValue(pSource, CFSTR(kIOPSCurrentCapacityKey));
CFNumberGetValue((CFNumberRef)psValue, kCFNumberSInt32Type, &curCapacity);
psValue = CFDictionaryGetValue(pSource, CFSTR(kIOPSMaxCapacityKey));
CFNumberGetValue((CFNumberRef)psValue, kCFNumberSInt32Type, &maxCapacity);
percentage = ((double) curCapacity / (double) maxCapacity * 100.0f);
NSLog(@"curCapacity : %d / maxCapacity: %d , percentage: %.1f ", curCapacity, maxCapacity, percentage);
return percentage;
}
return -1.0f;
}
3. 開發階段針對電量消耗我們能做什麼
CPU 密集運算是耗電量主要原因。所以我們對 CPU 的使用需要精打細算。儘量避免讓 CPU 做無用功。對於大量數據的複雜運算，可以藉助服務器的能力、GPU 的能力。如果方案設計必須是在 CPU 上完成數據的運算，則可以利用 GCD 技術，使用 dispatch_block_create_with_qos_class(<#dispatch_block_flags_t flags#>, dispatch_qos_class_t qos_class, <#int relative_priority#>, <#^(void)block#>)() 並指定 隊列的 qos 爲 QOS_CLASS_UTILITY。將任務提交到這個隊列的 block 中，在 QOS_CLASS_UTILITY 模式下，系統針對大量數據的計算，做了電量優化
除了 CPU 大量運算，I/O 操作也是耗電主要原因。業界常見方案都是將「碎片化的數據寫入磁盤存儲」這個操作延後，先在內存中聚合嗎，然後再進行磁盤存儲。碎片化數據先聚合，在內存中進行存儲的機制，iOS 提供 NSCache 這個對象。
NSCache 是線程安全的，NSCache 會在達到達預設的緩存空間的條件時清理緩存，此時會觸發 - (**void**)cache:(NSCache *)cache willEvictObject:(**id**)obj; 方法回調，在該方法內部對數據進行 I/O 操作，達到將聚合的數據 I/O 延後的目的。I/O 次數少了，對電量的消耗也就減少了。
NSCache 的使用可以查看 SDWebImage 這個圖片加載框架。在圖片讀取緩存處理時，沒直接讀取硬盤文件（I/O），而是使用系統的 NSCache。
- (nullable UIImage *)imageFromMemoryCacheForKey:(nullable NSString *)key {
return [self.memoryCache objectForKey:key];
}
- (nullable UIImage *)imageFromDiskCacheForKey:(nullable NSString *)key {
UIImage *diskImage = [self diskImageForKey:key];
if (diskImage && self.config.shouldCacheImagesInMemory) {
NSUInteger cost = diskImage.sd_memoryCost;
[self.memoryCache setObject:diskImage forKey:key cost:cost];
}
return diskImage;
}
可以看到主要邏輯是先從磁盤中讀取圖片，如果配置允許開啓內存緩存，則將圖片保存到 NSCache 中，使用的時候也是從 NSCache 中讀取圖片。NSCache 的 totalCostLimit、countLimit 屬性，
- (void)setObject:(ObjectType)obj forKey:(KeyType)key cost:(NSUInteger)g; 方法用來設置緩存條件。所以我們寫磁盤、內存的文件操作時可以借鑑該策略，以優化耗電量。
七、 Crash 監控
1. 異常相關知識回顧
1.1 Mach 層對異常的處理
Mach 在消息傳遞基礎上實現了一套獨特的異常處理方法。Mach 異常處理在設計時考慮到：
帶有一致的語義的單一異常處理設施：Mach 只提供一個異常處理機制用於處理所有類型的異常（包括用戶定義的異常、平臺無關的異常以及平臺特定的異常）。根據異常類型進行分組，具體的平臺可以定義具體的子類型。
清晰和簡潔：異常處理的接口依賴於 Mach 已有的具有良好定義的消息和端口架構，因此非常優雅（不會影響效率）。這就允許調試器和外部處理程序的拓展-甚至在理論上還支持拓展基於網絡的異常處理。
在 Mach 中，異常是通過內核中的基礎設施-消息傳遞機制處理的。一個異常並不比一條消息複雜多少，異常由出錯的線程或者任務（通過 msg_send()） 拋出，然後由一個處理程序通過 msg_recv()）捕捉。處理程序可以處理異常，也可以清楚異常（將異常標記爲已完成並繼續），還可以決定終止線程。
Mach 的異常處理模型和其他的異常處理模型不同，其他模型的異常處理程序運行在出錯的線程上下文中，而 Mach 的異常處理程序在不同的上下文中運行異常處理程序，出錯的線程向預先指定好的異常端口發送消息，然後等待應答。每一個任務都可以註冊一個異常處理端口，這個異常處理端口會對該任務中的所有線程生效。此外，每個線程都可以通過 thread_set_exception_ports(<#thread_act_t thread#>, <#exception_mask_t exception_mask#>, <#mach_port_t new_port#>, <#exception_behavior_t behavior#>, <#thread_state_flavor_t new_flavor#>) 註冊自己的異常處理端口。通常情況下，任務和線程的異常端口都是 NULL，也就是異常不會被處理，而一旦創建異常端口，這些端口就像系統中的其他端口一樣，可以轉交給其他任務或者其他主機。（有了端口，就可以使用 UDP 協議，通過網絡能力讓其他的主機上應用程序處理異常）。
發生異常時，首先嚐試將異常拋給線程的異常端口，然後嘗試拋給任務的異常端口，最後再拋給主機的異常端口（即主機註冊的默認端口）。如果沒有一個端口返回 KERN_SUCCESS，那麼整個任務將被終止。也就是 Mach 不提供異常處理邏輯，只提供傳遞異常通知的框架。
異常首先是由處理器陷阱引發的。爲了處理陷阱，每一個現代的內核都會安插陷阱處理程序。這些底層函數是由內核的彙編部分安插的。
1.2 BSD 層對異常的處理
BSD 層是用戶態主要使用的 XUN 接口，這一層展示了一個符合 POSIX 標準的接口。開發者可以使用 UNIX 系統的一切功能，但不需要了解 Mach 層的細節實現。
Mach 已經通過異常機制提供了底層的陷進處理，而 BSD 則在異常機制之上構建了信號處理機制。硬件產生的信號被 Mach 層捕捉，然後轉換爲對應的 UNIX 信號，爲了維護一個統一的機制，操作系統和用戶產生的信號首先被轉換爲 Mach 異常，然後再轉換爲信號。
Mach 異常都在 host 層被 ux_exception 轉換爲相應的 unix 信號，並通過 threadsignal 將信號投遞到出錯的線程。
2. Crash 收集方式
iOS 系統自帶的 Apples`s Crash Reporter 在設置中記錄 Crash 日誌，我們先觀察下 Crash 日誌
Incident Identifier: 7FA6736D-09E8-47A1-95EC-76C4522BDE1A
CrashReporter Key: 4e2d36419259f14413c3229e8b7235bcc74847f3
Hardware Model: iPhone7,1
Process: CMMonitorExample [3608]
Path: /var/containers/Bundle/Application/9518A4F4-59B7-44E9-BDDA-9FBEE8CA18E5/CMMonitorExample.app/CMMonitorExample
Identifier: com.Wacai.CMMonitorExample
Version: 1.0 (1)
Code Type: ARM-64
Parent Process: ? [1]
Date/Time: 2017-01-03 11:43:03.000 +0800
OS Version: iOS 10.2 (14C92)
Report Version: 104
Exception Type: EXC_CRASH (SIGABRT)
Exception Codes: 0x00000000 at 0x0000000000000000
Crashed Thread: 0
Application Specific Information:
*** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: '-[__NSSingleObjectArrayI objectForKey:]: unrecognized selector sent to instance 0x174015060'
Thread 0 Crashed:
0 CoreFoundation 0x0000000188f291b8 0x188df9000 + 1245624 (<redacted> + 124)
1 libobjc.A.dylib 0x000000018796055c 0x187958000 + 34140 (objc_exception_throw + 56)
2 CoreFoundation 0x0000000188f30268 0x188df9000 + 1274472 (<redacted> + 140)
3 CoreFoundation 0x0000000188f2d270 0x188df9000 + 1262192 (<redacted> + 916)
4 CoreFoundation 0x0000000188e2680c 0x188df9000 + 186380 (_CF_forwarding_prep_0 + 92)
5 CMMonitorExample 0x000000010004c618 0x100044000 + 34328 (-[MakeCrashHandler throwUncaughtNSException] + 80)
會發現，Crash 日誌中 Exception Type 項由2部分組成：Mach 異常 + Unix 信號。
所以 Exception Type: EXC_CRASH (SIGABRT) 表示：Mach 層發生了 EXC_CRASH 異常，在 host 層被轉換爲 SIGABRT 信號投遞到出錯的線程。
問題： 捕獲 Mach 層異常、註冊 Unix 信號處理都可以捕獲 Crash，這兩種方式如何選擇？
答： 優選 Mach 層異常攔截。根據上面 1.2 中的描述我們知道 Mach 層異常處理時機更早些，假如 Mach 層異常處理程序讓進程退出，這樣 Unix 信號永遠不會發生了。
業界關於崩潰日誌的收集開源項目很多，著名的有： KSCrash、plcrashreporter，提供一條龍服務的 Bugly、友盟等。我們一般使用開源項目在此基礎上開發成符合公司內部需求的 bug 收集工具。一番對比後選擇 KSCrash。爲什麼選擇 KSCrash 不在本文重點。
KSCrash 功能齊全，可以捕獲如下類型的 Crash
Mach kernel exceptions
Fatal signals
C++ exceptions
Objective-C exceptions
Main thread deadlock (experimental)
Custom crashes (e.g. from scripting languages)
所以分析 iOS 端的 Crash 收集方案也就是分析 KSCrash 的 Crash 監控實現原理。