Android性能优化之2个帧率和卡顿监控方案（附实现代码）

在 Android 开发中，监控应用的帧率（FPS）是评估应用性能和发现卡顿问题的一个重要指标。本次介绍一些常用的方法来监控 Android 应用的 FPS，包括如何实现这些方法的详细说明和代码示例。

使用 Choreographer API

从 Android 4.1（API 16）开始，Choreographer API 能够帮助开发者在每一帧进行操作，适合用于 FPS 的监控。

判断掉帧和卡顿

在使用 Choreographer API 中，可以通过以下方式判断掉帧或卡顿：

1、 计算帧间隔时间：

理想情况下，每帧之间的时间间隔应当是设备的刷新时间，一般为16ms（60 FPS）或8.3ms（120 FPS）等。
监控 doFrame 方法中两次回调的时间差，如果明显高于目标帧时间间隔（例如大于16ms），则说明可能出现掉帧或卡顿。

2、 设置阈值：

可以设置一个时间阈值，例如20ms，超过这个时间间隔的即视为掉帧。
连续多次掉帧可以视为卡顿。

实现方案与代码

创建一个类，使用 Choreographer.FrameCallback 接口来实现帧率监控。

import android.os.Build;
import android.os.Looper;
import android.util.Log;
import android.view.Choreographer;

public class FPSMonitor implements Choreographer.FrameCallback {
    private static final String TAG = "FrameMonitor";
    private static final long FRAME_INTERVAL_NANOS = 16666666; // 16.6ms in nanoseconds (roughly 60 FPS)
    private long lastFrameTimeNanos = 0;

    public void start() {
        if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.JELLY_BEAN) {
            Choreographer.getInstance().postFrameCallback(this);
        } else {
            // 对于低于 API 16 的设备需要实现兼容方案
            Log.e(TAG, "Device does not support Choreographer API");
        }
    }

    @Override
    public void doFrame(long frameTimeNanos) {
        if (lastFrameTimeNanos == 0) {
            lastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        } else {
            long elapsedNanos = frameTimeNanos - lastFrameTimeNanos;
            if (elapsedNanos > FRAME_INTERVAL_NANOS) {
                long droppedFrames = elapsedNanos / FRAME_INTERVAL_NANOS;
                Log.w(TAG, "Dropped frames: " + droppedFrames);

                // 检测到掉帧，打印当前线程的堆栈信息
                Thread currentThread = Thread.currentThread();
                StackTraceElement[] stackTraceElements = currentThread.getStackTrace();
                StringBuilder stackTrace = new StringBuilder("Stack trace:\n");
                for (StackTraceElement element : stackTraceElements) {
                    stackTrace.append("\tat ").append(element.toString()).append("\n");
                }
                Log.i(TAG, stackTrace.toString());
            }

            lastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        }

        // Schedule the next frame callback
        Choreographer.getInstance().postFrameCallback(this);
    }
}

在你的应用中启动 FPS 监控。

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    private FPSMonitor fpsMonitor;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        fpsMonitor = new FPSMonitor();
        fpsMonitor.start();
    }
}

使用 FrameMetrics API 进行掉帧检测

在 Android 7.0（API 24）及更高版本中，你可以使用 FrameMetrics API 来监控应用的帧率和掉帧情况。FrameMetrics 提供了一种强大的方法来衡量和分析视图的绘制性能。

以下是使用 FrameMetrics API 进行掉帧检测的详细介绍和代码示例：

1、 确保设备支持：仅在 API 24 及更高版本上可用，因此需要进行版本检查。

2、 注册 FrameMetrics Listener：

我们需要使用 Window 对象来注册一个 OnFrameMetricsAvailableListener，这个监听器会在每一帧结束时提供 FrameMetrics 数据。

示例代码

以下是一个简单的示例，展示如何使用 FrameMetrics API 进行掉帧检测并打印相关信息：

import android.app.Activity;
import android.os.Build;
import android.os.Bundle;
import android.util.Log;
import android.view.FrameMetrics;
import android.view.Window;
import android.view.Window.OnFrameMetricsAvailableListener;

public class FrameMetricsActivity extends Activity {
    private static final String TAG = "FrameMetricsActivity";

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        
        if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.N) {
            getWindow().addOnFrameMetricsAvailableListener(new OnFrameMetricsAvailableListener() {
                @Override
                public void onFrameMetricsAvailable(Window window, FrameMetrics frameMetrics, int dropCountSinceLastInvocation) {
                    long totalDuration = frameMetrics.getMetric(FrameMetrics.TOTAL_DURATION);
                    long intendedDuration = frameMetrics.getMetric(FrameMetrics.INTENDED_VSYNC_TIMESTAMP) 
                            - frameMetrics.getMetric(FrameMetrics.FRAME_PRESENT_TIMESTAMP);
                    
                    // 拿到掉的帧数量
                    Log.d(TAG, "Dropped frames since last: " + dropCountSinceLastInvocation);
                    
                    if (totalDuration > intendedDuration) {
                        Log.w(TAG, "Frame duration exceeded: " + totalDuration);
                        
                        // 当检测到掉帧时打印堆栈信息
                        StackTraceElement[] stackTraceElements = Thread.currentThread().getStackTrace();
                        StringBuilder stackTrace = new StringBuilder("Stack trace:\n");
                        for (StackTraceElement element : stackTraceElements) {
                            stackTrace.append("\tat ").append(element.toString()).append("\n");
                        }
                        Log.i(TAG, stackTrace.toString());
                    }
                }
            }, null);
        } else {
            Log.e(TAG, "FrameMetrics API not available on this device");
        }
    }
}

代码说明

TOTAL_DURATION：表示完整帧的时间，包括应用、合成和发布时间。
INTENDED_VSYNC_TIMESTAMP 和 FRAME_PRESENT_TIMESTAMP 之间的差值被认为是理想的帧时间。
如果 TOTAL_DURATION 大于理想持续时间，则可能存在掉帧。

注意事项

性能影响：持续监听帧数据可能对性能和电池寿命产生影响，建议仅在开发或调试阶段开启。
日志分析：结合其他性能工具（如 Android Profiler）可以更好地理解应用的性能瓶颈。
应用优化：识别出发生掉帧的代码后，可以通过优化逻辑、减少主线程工作等方式进行优化。
掉帧和卡顿判断需要考虑设备的刷新率，并合理设置阈值。

其他可行方案

SurfaceView 的 FPS 监控：

如果使用 SurfaceView，可以在绘制回调中统计帧率。

OpenGL 的 FPS 监控：

在使用 OpenGL 渲染时，在每次 SwapBuffers 时统计帧率。

第三方工具：

TinyDancer、LeakCanary 以及一些性能监控工具也提供了 FPS 监控功能，适合快速应用和调试。

TraceView 和 systrace：

Android 提供的 TraceView 和 systrace 工具可以帮助深度分析性能瓶颈，尽管不是实时监控，但有助于定位问题。

Just do IT Now.

优化-2个帧率和卡顿监控方案