Android计算优化解析

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这篇文章是继“Android电量优化全解析”、“Android内存优化全解析”、“Android渲染优化解析”以后关于Android性能优化的第四篇原创文章，主要讲解了Android计算优化相关知识点，但愿对你们有所帮助。今天我讲述的内容按照下面的结构进行。

低性能函数

让咱们首先从一个很是熟悉的问题开始，也就是函数执行过慢的问题，这是性能概念方面的初级基础计算机科学知识。有时候，当你写完代码以后，你发现它的运行速度，比你预想的要慢，这种状况常常会平白无故地出现，你专一于采用某种方法编写代码，来解决特定的问题，可是很快你发现代码的运行时间过长，远远超过你的预期。 代码运行时间过长的问题，在很大程度上能够归咎于编程语言，固然还有相关硬件执行代码的方式。例如，在一些老旧硬件上，执行浮点比较算法分支语句所花的时间，几乎是整数或布尔数值的四倍。其缘由在于芯片架构，负责浮点计算的CPU部分在分支逻辑阶段以后开始工做。这意味着任何浮点比较都须要等待，直到循环管道结束，从而拖延其余运算，直到分支逻辑最终执行完成，可是请不要感到惧怕。现代硬件一般不须要处理这种细微问题，可是这也说明了一个很重要的观点，即，你编写代码的方式会影响性能，具体视硬件上执行的编程语言而有所不一样。这个问题甚至能够追溯到芯片架构。我想要说的是，为了优化你的代码，你须要理解系统如何运行代码。

缓慢的函数执行一般是因为两方面的问题形成的，第一种是执行速度很慢的函数，这种函数很容易被发现。你的某些函数所花费的时间，超过你的预期2倍、10倍，甚至50倍，这种问题容易解决。只要找到那些运行很慢的函数，查看代码找到问题所在，而后想办法解决就能够了。更难发现的是第二种类型，千方百计也难以发现，尤为是当你有数以千计的函数时，每一个函数所用的时间都额外增长一毫秒，从而致使整个程序执行速度变慢数百毫秒，这种类型的问题很难跟踪，并且更难以解决，由于一般你须要分析，每段执行代码才能发现这些小问题，这最终会影响你的产品发布，进而影响公司业绩。

要解决这些细小的问题，主要的方法是剖析（profiling），经过时间线分析方法，找到执行速度缓慢的代码部分，或者时间明显长于其它代码的部分，而后进行一些细小变动。而后再次进行时间线分析，找到执行很慢的函数以后，你须要对这些函数的代码行进行时间线分析，以及调用这些函数的全部其余函数。这项工做确实至关繁琐，除非你是这个领域的专家，可是不要惧怕，Android SDK有一些很不错的工具，帮助你找到这些有问题的代码部分，让你可以当即解决它们，让咱们来了解它们。

Traceview工具

将演示如何跟踪你的应用程序中的一些计算相关的性能问题。在这个演示中，咱们将使用工具来跟踪Sunshine应用程序，这个工具是TraceView。咱们载入它，打开DDMS视图选择咱们要分析的应用，请你注意一下，工具栏上的一些图标，尤为是这个图标。看上去像是三面箭头，上面有红色的圆点，若是按这些按钮，会出现一些提示，说将开始进行方法分析。这是TraceView的启动方法，咱们点击它。将出现一个弹出窗口，提示有两种方法来分析你的应用程序。你能够记录每一个方法的输入和输出，他们对资源的要求很高，或者，你也利用示例进行一些分析。其含义是，默认状况下分析程序，将会每1000毫秒侦测一次你的应用程序，以发现和记录实际上在运行的功能，如今，让咱们来使用这些默认设置。我点击一下OK，既然分析程序已经在继续，咱们就与你的应用程序进行交互，看可否记录一些动做。所以跳转到这里与Sunshine应用程序进行交互，好极了，山景地区的天气。不幸的是，周末的天气却不太好，将会下雨。咱们看看海岸区域，咱们在南加州的朋友还好吗？奇怪，他们已经进入冬季，这在圣地亚哥是不多见的。咱们回到Android Device Monitor，咱们想要中止分析。咱们仍是应该点击这个图标，启动时也是点击它。在最上方有一个黑色图标或者黑色方块，点击它能够中止分析。如今，可能须要一点时间来载入跟踪记录，将会显示在窗口上方，选项卡的这个位置。请记住，实际所用的时间可能更长一点，具体取决于实际记录的内容。

咱们来看跟踪视图，跟踪视图有两个主要组成部分。上方窗格的名称是timeline面板，下方窗格内有不少的信息，称为profile面板。这个时间线可以很好的显示代码的执行状况，这里显示的每一行，实际上对应于一个线程。显示的每个颜色，对应于一个正在运行的特定方法。例如，咱们能够看到，主线程的全部活动，咱们能够看到方法启动和中止时间点，更有用的是放大这里，找到特定的方法，了解他们是如何执行的。它们会以这种U型模式显示出来。这里的条形表示，方法的启动时间。右侧的条形表示，方法的中止时间。条形的宽度表示方法执行所用的时间。如今，咱们选择一个特定的方法，咱们跳转到跟踪视图窗口的底部，这里，咱们看到一些分析数据显示出来。咱们能够看到哪些方法调用了咱们选定的方法。在这里，用他们的父级方法显示为蓝色，咱们还能够看到一些信息，显示在这个方法内调用了哪些方法。也就是说，咱们调用了一个发送输入事件方法。在选择以后，会显示一个本地条柱。对于咱们选择的全部这些方法，都有大量的附加统计信息。例如，能够看到独占CPU时间，咱们可使用这些信息，找到具体方法的特定问题。非独占CPU时间是特定方法在其内部调用的全部方法所用的时间。这能够帮你在信息树内找到，选定方法的特定问题。另外一个十分有用的信息是，方法被调用了多少次，或者递归调用自己多少次。若是咱们滚动到右侧，咱们能够找到这些信息，这里有一个列名为"calls and recursion"，此列显示方法被调用多少次，或者它被递归调用多少次。在这个分析面板中，有大量的附加信息。另外，不要忘记这个搜索框，它能够帮助查找你所关心的功能。

• 每一个方法前面都有一个数字，按照Incl CPU Time时间的排序序号
• 展开一个方法后能够看到有两部分
  1. Parent表示调用这个方法的方法，能够叫作父方法
  2. Children表示这个方法中调用的其余方法，能够叫作子方法
• Profile面板中各列做用说明：

列名	做用
Name	该进程运行过程当中所调用的函数名
Incl Cpu Time	函数占用的CPU时间，包含内部调用其它函数的CPU时间
Excl Cpu Time	函数占用的CPU时间，但不包含内部调用其它函数所占用的CPU时间
Incl Real Time	函数运行的真实时间（以毫秒为单位），内含调用其它函数所占用的真实时间
Excl Real Time	函数运行的真实时间（以毫秒为单位），不包含调用其它函数所占用的真实时间
Calls+Recur Calls/Total	函数被调用次数以及递归调用占总调用次数的百分比
Cpu Time/Call	函数调用CPU时间与调用次数的比（该函数平均执行时间）
Real Time/Call	同CPU Time/Call相似，只不过统计单位换成了真实时间

备注： CPU time就是CPU实际花了多少时间在运行函数，CPU在多进程环境下不会把全部时间用在一个进程上的

批处理与缓存技术

我想向大家介绍我最喜欢的两个性能技术，批处理（batching）和缓存（caching）。前面咱们已经说过一些函数和运算，须要很是大的资源开销，这也会影响计算性能。例如，在执行以前把数据载入特定的内存区域，或者，在搜索以前对数值集进行排序，在执行屡次以后，并且次数确实是个很大的数字，资源开销将会严重影响应用程序的性能。批处理是能够帮助解决这种性能问题，它消除每一个运算的独立执行开销，好像是全部人都开一辆车，而不是每一个都开一辆，从而节省汽油。这种状况最多见于在执行运算以前，你须要准备数据。例如，在查找集合中的值时，最有效的方法是进行排序，而后进行二分法搜索等等。有一点必须弄清楚，这并非最有效的方法。这只是举一个例子而已，最简单的方法是写一个函数，提供一个集合和一个值，对集合进行排序，而后查看值是否存在于集合之中。对于某些性能要求来讲，这样作是能够的。可是，若是有10000个值，并且总共须要数百万组数据，排序所花费的时间，将会增长不少倍，答案很明确。对这组数据一次性完成排序，而后查找全部10000个值，并非明智的方法。这时就须要用到批处理，咱们找到重复的运算，找到以后，进行批处理。

缓存是与批处理类似的概念，这也是目前为止，你能理解的最重要的性能技术。这项技术全面地推进现代计算机科学的发展，以计算机为例，内存的做用是用来存储信息，让CPU可以更快的访问数据，其速度远快于访问硬盘数据。

或者以网络为例，世界各地存在大型服务器仓库，它们被称为数据中心，它们的做用是存储火缓冲被频繁访问的内容。这样，你的计算机就没必要每次都访问远在12000英里以外的服务器。你在埃及的朋友可能在这个服务器上发布了一张图片，固然，若是你在埃及，这样的缓冲服务器可能就没有什么意义，可是你已经明白其中的道理。以代码为例，最多见的缓存优化一般涉及屡次计算，可是若是始终相同的数据，例如，在循环计算中，你计算一个4x4数列的导数，结算始终是相同的，每次从新计算循环迭代，实际是在浪费计算机资源。相反，在循环流程的外部存储导数的结果，并让你的内部循环语句引用缓存结果，能够极大地提高效率。我之因此喜好缓存和批处理，是由于他们可以改善全部你可以想到的性能问题，包括咱们在本专题中提到的问题，这是两个很是有效的技术。若是你想成为一名性能专家，你最好可以熟练掌握这两项强大的技术。

使用批处理与缓存解决问题

目标： 在这个例子中，您将使用Traceview工具来查找并肯定哪些是阻碍应用程序性能问题的代码。而后，您将应用批处理或缓存来优化性能不佳的代码。

1）观察： 首先，让咱们看看咱们可以用怎样一个给定的应用功能来观察一个问题。在设备上启动compute应用，而后启动Batching/CachingActivity。你会看到一个正在舞蹈的海盗动画。

上面有一个写着"计算一些Fibonacci数"的按钮，点击它。你观察到了什么，为何会这样？不难看出，咱们的海盗朋友中止了摇摆。确定是按下按钮以后才致使了这个现象，如今，你已经观察到了一个问题，咱们来分析下。

2）Profile： 您刚刚了解了Traceview，让咱们把它运用起来。点击按钮，观察程序的运行轨迹。

3）分析： 根据运行轨迹分析，找出致使问题的方法是谁？

在这里，咱们要找的答案，其实是computeFibonacci方法。让咱们看看，我是怎么样找到它的。在下面的活动上运行TraceView，当我按下这个computeFibonacci函数，将会剖析这个函数。这是Traceview的输出，这是运行Traceview时看到的输出，你应该看到一些相似的内容，请注意这个大的粉色区域，这很糟，基本上，这表示有些函数在咱们的主线程上占用大量的CPU时间。若是你按照独占CPU时间排序或者将鼠标悬停在这个粉色区域。你会发现computeFibonacci方法，它来自于咱们的缓存活动，是占用CPU资源最多的函数，咱们须要解决这个问题。

解决斐波那契

有哪些好方法能够解决这个问题呢？请选择全部正确答案。咱们不该该为主线程增长任何没必要要的额外的工做，咱们应该让线程仅处理用户输入和屏幕绘制.咱们看看是否可以优化函数，使用共享技术提升运行速度和减小资源开销，让咱们缓存这些中间值。

让咱们来看看代码，看看发生了什么。咱们在主线程收到一个onClick（）事件计算斐波那契。看看方法：

若是你熟悉算法理论，你能够看到，斐波那契数递归执行，从代码运行的角度来看，它是很是耗时的。解决这个问题的方法之一是经过计算和缓存中间结果。

主线程阻塞

为了确保应用程序的高性能，每项功能都应该尽量高效地运行。可是这些功能的执行时间以及它们在代码中所处的位置也很重要，当你首次启动一个Android应用程序时，朱执行线程就已经建立了，主线程很是重要，由于它负责运行你的代码，并在合适的视图位置发送事件和执行绘图功能。这些前面咱们已经讲过，基本上来讲，主线程是应用程序所在的线程，有时候，主线程也称为UI线程。例如，若是你触摸屏幕上的按钮，UI线程将会发送一个触摸事件给视图，视图将按钮状态设定为已按下设定，而后向事件队列发送一个有效请求，而后UI线程处理此请求，并通知按钮将其自己绘制为已按下状态。若是你有任何触摸事件的处理代码块，将会在线程中执行，这些触摸处理所用的时间越长，线程的执行时间就会越长，在绘图功能执行完以前，视图将会更新显示状态，让用户可以看到其状态，这里须要记住的是，输入处理代码与渲染和更新代码，共享这个线程的处理周期时间。

这意味着，在触摸事件处理，网络访问或数据库查询等计算周期时间，UI不会更新绘图，在简单的状况下，渲染周期可能会延误16毫秒左右，而让用户感到延迟。可是，若是你暂停UI线程渲染超过5秒，用户将会看到"应用程序未响应"对话框，并询问用户是否会想要关闭你的应用程序，这样可能致使用户中止使用。那你如何解决这个问题，你要找出不须要在主线程上执行的功能，也就是说，不须要等它们完成以后，才能执行绘图。你应该将这个功能转移到一个单独的独立线程，这个线程不会阻止UI线程。例如，若是你按一下提交按钮，以完成一个订单，而后编写和发送确认邮件，这能够在单独的线程上完成。Android有系列很好用的API，可以简化这些工做。

使用Traceview工具明确问题所在

我将要演示如何操做traceview，这个程序，能够识别全部安装程序的帧速率，操做方法以下，安装后，点击show on click handler按键，各位会看到很眼熟的跳舞海盗，而后点选display an image按钮，如今你们会看到海盗不动了，但若是再这样作，海盗又继续跳舞了，同时Android图示也会出如今海盗下方。跟以前同样，只要点击这个按钮，海盗就不动了，下面要怎样操做，想必你们都知道了，就是要利用这些工具，如今演示怎样操做traceview。 在这里，查看下刚才追踪的数据，结果出现冗长的数据，这是什么意思呢？检查数据，找出哪两个方法调用得最频繁。辨别哪些程序，占用了大量的CPU资源？

咱们来看一下Traceview输出，请注意这个大的活动区域，咱们来探讨一些观察到的信息，你会发现，最上方的这个函数，在排序时占用的资源最多。还有其余一些函数，例如这个nativePullOnce,可是它们是系统调用，咱们没法控制它们。若是咱们更进一步，就会注意到这个nativeSetPixel和这个nativeGetPixel。让咱们看看它们来自于哪里，咱们展开它，看到了！！在繁忙的UI线程活动的某个位置，setPixel被调用，它来自于咱们的应用代码，getPixel也是如此，彷佛来自于繁忙的UI线程活动。如今，咱们发现setPixel和getPixel，来自于繁忙的UI线程活动，让咱们来更深刻地探讨。

所以getPixel和setPixel并非咱们编写的代码，在这个代码中哪一个父级方法调用getPixel和setPixel？父级方法其实是sepiaAndDisplayImage，让咱们来看Traceview，来了解其含义。咱们回到跟踪视图，若是咱们展开可收缩菜单，咱们能够找到父级调用堆栈，看到setPixel实际上被sepiaAndDislayImage方法调用。它在咱们繁忙的UI线程活动以内，让咱们看看如何优化。

异步任务

对图像进行编码处理是一个至关大的任务，这也是咱们不能轻易地优化掉的任务。特别是那些涉及网络接入，冗长的数据库调用和图像处理，那么通常规则是将它们从主线程移除。 让咱们来使用异步任务：

容器性能

前面咱们讲过，一些类型的硬件可能会形成程序执行速度较慢，还记得那个浮点分支问题吗？对于今天的硬件来讲，这已经不是问题。可是有一些问题仍是须要引发注意，好比说，你所使用的编程语言的基本元素的效率，以排序等基本算法为例，如今，有不少的排序算法，对于不一样的状况，它们各有优劣，例如，当元素数量少于一千或在大型已排序列表中寻找一个对象时，快速排序法一般比起冒泡排序法更快。通常状况下，最好的方法是二分查找算法，可是，当在未排数组中寻找对象时状况变得彻底不一样，不一样于比较每个对象以查找你想要的值。你可使用一个哈希函数来当即找到它，这是现代计算机科学和数据结构方面的基本知识。

幸运的是，现代编程语言像Java等，为你提供了这些容器和算法，所以你再也不须要本身反复地编写Murmur3哈希函数和快速排序算法。可是你须要知道另一些事情，在我多年的编程生涯中，一个常常会影响项目性能的问题，是因为这些语言提供的容器对象的性能所引发的。这听起来难以想象！Java提供一个矢量类的实现，你能够任意push、pop，添加和取消对象，为了得到这种灵活性，它在内部使用链式列表结构，这种结构具备一系列独特的性能特性，在你操做这种列表时，它的速度超级快，可是，当你在其余位置进行插入或删除时，它会消耗大量的时间。我要说的是，底层系统提供的这些容器并不会考虑，你的程序将会如何实际使用它们，James Sutherland发表了一系列的基准测试报告，他认为，咱们须要注意性能与功能之间的一些差别。例如，他发现Hashtable比HashMap大约快22%，具体视你如何使用这些容器而有所不一样，咱们须要思考的是，你是否曾经分析过你在代码中使用的容器类。你是否坚信，你在代码中使用的容器的实际运行速度绝对是最快的。一个好消息是，你可使用Android中的MPI来剖析这些容器的性能。

数据结构

在这个例子中，你将会看到，建立应用时，容器中不恰当的数据结构所形成的性能问题，为此咱们可使用Android SDK中的工具，来识别不恰当数据结构带来的性能问题。存储与修改应用程序数据代码的性能问题，很容易被开发人员忽悠，因此让咱们来探讨这个问题，并从性能角度来解决。对于这个示例，咱们将重点关注方法的执行时间，这个方法生成一个数字列表，并按它们的受喜好程度排名，为了便于演示，当咱们按下这个按钮，也就是dump popular numbers to log按钮，将会调用这个方法，与前面的示例类似。这段代码会形成图像短暂停顿从而影响跳舞海盗图像的帧率。若是你看一下logcat，你会发现，它经过tag popularity dump运行，像这样。让咱们看看底层发生了什么，并学习如何测量这段代码的运行速度，咱们想要仔细弄清楚，当咱们点击这个按钮时发生了什么，所以咱们使用trace类beginsection和endsection方法来指定开始测量位置和结束位置。首先，让咱们找到计算受喜好程度的代码，咱们将使用它计量代码效率和运行时间。

问题： beginSection与endSection应该放在哪一个地方？

在这个例子中，你会看到咱们是如何选择一个更有效的数据结构，提升了数据访问时间。

问题： 经过使用dumpPopularRandomNumbersByRank（），咱们粗略招致排序操做的成本，再加上o经过双循环迭代来生成排名列表（N^ 2）成本。

改进注意事项： 总有一个项排序一次性成本（你会根据本身的数据集的大小挑选理想的排序项）。 经过使用一个HashMap中，咱们经过得到直查询时间（为O（n））与二次时间为O（n^2）未优化的状况下，阵列的访问节省时间。咱们节省的访问时间这一个订单，由于数据已经存储在键值对！

这显著事项当n（或样品尺寸）特别大，这多是若是你用，好比工做，在世界上全部的职业足球运动员名单，想碰到一些属性显示它们的排名状况。

让咱们花点时间确认的改善。来吧，在加回（若是你删除它）调用endSection和beginSection。而后，运行在优化代码systrace。

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