鸿蒙（HarmonyOS）性能优化实战-Trace使用教程

概述

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

常用trace及含义

下面将从渲染流程入手，配合常用场景介绍常用trace。

渲染流程

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

图1 渲染流程图

从trace角度来看，一帧的渲染流程如下：

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

一帧的渲染流程中的ui后端引擎的常用trace的含义如图2所示。

图2 ui后端引擎渲染trace泳道图

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

当vsync信号刷新时，如图3所示。

图3 rs侧渲染trace泳道图

懒加载

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

图4 懒加载trace泳道图

页面加载

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

图5 页面加载帧trace泳道图

trace实践

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

// src/main/ets/pages/lazyforeachpage.ets

@entry
@component
struct lazyforeachpage {
  private iconitemsourcelist = new listdata();
  abouttoappear() {
    // 添加120个iconitem的数据
     ......
  }
  build() {
    column() {
      text('懒加载示例')
        .fontsize(24)
        .fontcolor(color.black)
        .fontweight(fontweight.bold)
        .textalign(textalign.start)
        .width('90%')
        .height(50)
      list({ space: 20 }) {
        lazyforeach(this.iconitemsourcelist, (item: iconitemmodel) => {
          listitem() {
            iconitem({ image: item.image, text: item.text })
          }
        }, (item: iconitemmodel, index) => index.tostring())
      }
      .divider({ strokewidth: 2, startmargin: 20, endmargin: 20 }) // 每行之间的分界线
      .width('100%')
      .height('100%')
      .layoutweight(1)
    }
    .width('100%')
    .height('100%')
    .alignitems(horizontalalign.center)
  }
}

// src/main/ets/view/iconview.ets

@component
export struct iconitem {
  image: string | resource = '';
  text: string | resource = '';
  build() {
    flex({ direction: flexdirection.row, justifycontent: flexalign.center, aligncontent: flexalign.center }) {
      image(this.image)
        .height(40)
        .width(40)
        .objectfit(imagefit.contain)
        .margin({
          left: 15
        })
      text(this.text)
        .fontsize(20)
        .fontcolor(color.black)
        .width(100)
        .height(50)
        .textalign(textalign.center)
    }
    .width('100%')
    .height(50)
  }
}

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

图6 lazyforeach遍历的列表的泳道分析图

接下来，逐一解析这五个模块的详情：

1.加载并路由lazyforeach页面

图7 加载并路由lazyforeach页面泳道图

• h:jsideclarativeengine::loadpagesource加载一个 javascript 文件，并且解析为 abc 字节码；
• h:flushpipelinewithoutanimation 清理渲染管道的操作；
• h:customnode:onappear 用于构建当前 onappear 生命周期的操作，并执行abouttoappear生命周期函数；
• h:customnode:builditem lazyforeachpage 渲染子节点并挂载在 lazyforeachpage 页面上。

2.对当前帧节点stage，执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染

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

• h:layout[stage][self:1][parent:0]对当前帧节点stage，执行布局任务；(stage作为框架，承载着页面page节点。因此，标签的呈现会从stage开始)
  • h:measure[%s][self:17][parent:16] 对page、column、row、image、text等组件布局尺寸计算；
  • h:builder:buildlazyitem [0]和h:listlayoutalgorithm::measurelistitem:0 分别为创建一个lazyitem项目和计算列表项的布局尺寸；
  • h:layout[%s][self:38][parent:37] 对page、column、row、image、text等组件执行布局任务；
• h:framenode::rendertask 执行渲染任务；
• h:requestnextvsync 请求下一帧vsync信号。

3.对当前帧节点flex，执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染

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

• h:layout[flex][self:63][parent:62]对当前帧节点flex，执行布局任务**；**
  • h:measure[%s][self:17][parent:16] 对image、text等组件布局尺寸计算；
• h:framenode::rendertask flex渲染任务执行；
• h:requestnextvsync 请求下一帧vsync信号。

4.构建前预处理数据及添加预测布局任务

图10 构建前预处理数据及添加预测布局任务泳道图

• h:builder:buildlazyitem [11]构建前预处理数据了11条数据；
• h:layout[listitem][self:76][parent:-1] 添加一条flex、image、text的预测布局；
• h:flushmessages 发送消息通知图形侧进行渲染。

5.合成渲染树上各节点图层任务

图11 合成渲染树上各节点图层任务泳道图

• h:acquirebuffer、h:processsurfacenode:entryview xywh[0 0 720 1280]获取屏幕缓冲区并绘制entryview、systemui_statusbar、systemui_navigationbar等；
• h:repaint 硬件合成器合成绘制当前节点树。

自定义trace

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

添加自定义trace后，可在smartperf-host调试工具上查看，自定义trace将以独立泳道的形式呈现在对应打点的进程下。
下图两条泳道使用了starttrace和finishtrace方法，表示程序运行过程中，指定标签从调用starttrace到调用finishtrace的耗时统计。图中记录了custom_trace_tag_1和custom_trace_tag_2两个标签，先后呈现了2个标签的耗时统计。

图12 自定义trace示例

下图两条泳道使用了tracebyvalue方法，表示程序运行过程中，指定trace在对应时间段内的状态值，状态值含义可按需传参，开发者可以通过鼠标放置在对应数据块上，来查看具体的状态值。图中记录了custom_trace_tag_2标签在红色方框标识的时间段内，打点状态值为2001。

图13 自定义状态值示例

性能打点原理

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

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

app中的打点示例

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

// frameworks/base/log/ace_trace.h

#define ace_scoped_trace(fmt, ...) acescopedtrace acescopedtrace(fmt, ##__va_args__)
#define ace_function_trace() ace_scoped_trace(__func__)

class ace_force_export acescopedtrace final {
public:
    explicit acescopedtrace(const char* format, ...) __attribute__((__format__(printf, 2, 3)));
    ~acescopedtrace();

    ace_disallow_copy_and_move(acescopedtrace);

private:
    bool traceenabled_ { false };
};

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

// frameworks/core/pipeline/pipeline_context.cpp

void pipelinecontext::flushvsync(uint64_t nanotimestamp, uint32_t framecount)
{
    ace_function_trace();

    // 此处省略方法内的其他业务逻辑
    // ...
}

rs中的打点示例

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

// utils/log/rs_trace.h

#include "hitrace_meter.h"
#define rosen_trace_begin(tag, name) starttrace(tag, name)
#define rs_trace_begin(name) rosen_trace_begin(hitrace_tag_graphic_agp, name)
#define rosen_trace_end(tag) finishtrace(tag)
#define rs_trace_end() rosen_trace_end(hitrace_tag_graphic_agp)
#define rs_trace_name(name) hitrace_meter_name(hitrace_tag_graphic_agp, name)
#define rs_trace_name_fmt(fmt, ...) hitrace_meter_fmt(hitrace_tag_graphic_agp, fmt, ##__va_args__)
#define rs_async_trace_begin(name, value) startasynctrace(hitrace_tag_graphic_agp, name, value)
#define rs_async_trace_end(name, value) finishasynctrace(hitrace_tag_graphic_agp, name, value)
#define rs_trace_int(name, value) counttrace(hitrace_tag_graphic_agp, name, value)
#define rs_trace_func() rs_trace_name(__func__)

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

// rosen/modules/render_service/core/pipeline/rs_surface_capture_task.cpp

void rssurfacecapturevisitor::processdisplayrendernode(rsdisplayrendernode &node)
{
    rs_trace_name("rssurfacecapturevisitor::processdisplayrendernode:" +
        std::to_string(node.getid()));

    // 此处省略方法内的其他业务逻辑
    // ...
}

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