Android ANR优化 2

在实际情况中，当Android项目的用户量特别大时候，一些细小的问题也会被放大，ANR问题就是一个典型的例子。
一些ANR问题只会发生在用户实际使用的情景，当系统资源比较紧张等一些特殊情况下才会遇到，而这些ANR问题有很大一部分是因为我们的代码不合理导致，这就需要我们定位问题，修复问题，并且在以后的代码设计中尽量避免这些不合理。
最近工作中集中分析了项目的大量的用户自动上报的ANR问题日志，虽然网上ANR相关的文章已经很多了，在这里还是做一个总结。

提纲

一. 什么情况下会出现ANR
二. ANR机制的原理
三. 如何分析ANR问题
四. 如何避免ANR问题

一.什么情况下会出现ANR问题：

ANR(Application Not responding)。Android中，主线程(UI线程)如果在规定时内没有处理完相应工作，就会出现ANR。
具体来说，ANR会在以下几种情况中出现：

1. 输入事件(按键和触摸事件)5s内没被处理: Input event dispatching timed out
2. BroadcastReceiver的事件(onRecieve方法)在规定时间内没处理完(前台广播为10s，后台广播为60s)：Timeout of broadcast BroadcastRecord
   07-27 19:18:47.448 1707 1766 W BroadcastQueue: Receiver during timeout: ResolveInfo{ccd831e com.example.qintong.myapplication/.MyBroadCastReciever m=0x108000}
   07-27 19:18:47.502 3513 3728 I WtEventController: ANR com.example.qintong.myapplication 7573
3. service 前台20s后台200s未完成启动 Timeout executing service
4. ContentProvider的publish在10s内没进行完：timeout publishing content providers
   在android文档(https://developer.android.com/training/articles/perf-anr.html)中，只写了第一种和第二种情况，而根据源码和实际的实验，我们能发现service的启动和provider的publish同样会造成anr问题。
   这里需要注意的是，在后三种情况，以BroadcastReviever为例，在onRecieve()方法执行10秒内没发生第一种ANR(也就是在这个过程中没有输入事件或输入事件还没到5s)才会发生Receiver timeout，否则将先发生事件无相应ANR，所以onRecieve()是有可能执行不到10s就发生ANR的，所以不要在onRecieve()方法里面干活，service的onCreate()和ContentProvider的onCreate()也一样，他们都是主线程的，不要在这些方法里干活，这个会在本文最后再细说。

二.ANR机制的实现原理：

文章：http://gityuan.com/2016/07/02/android-anr/从源码角度详细的分析了ANR机制实现的原理。对于上一章讲到的1-4中情况，分别找到了其源码中是如何实现的，对于每一种大概原理如下：1.在进行相关操作调用hander.sendMessageAtTime()发送一个ANR的消息，延时时间为ANR发生的时间(如前台Service是当前时间20s之后)。2.进行相关的操作3.操作结束后向remove掉该条message。如果相关的操作在规定时间没有执行完成，该条message将被handler取出并执行，就发生了ANR。
下面以BroadcastReceiver为例详细介绍：
BroadcastQueue.processNextBroadcast()

     final void processNextBroadcast(boolean fromMsg) {
        ...
        synchronized (mService) {
            ...
            do {
                if (mOrderedBroadcasts.size() == 0) {
                    ...
                    if (mService.mProcessesReady && r.dispatchTime > 0) {
                        long now = SystemClock.uptimeMillis();
                        if ((numReceivers > 0) &&
                                (now > r.dispatchTime + (2 * mTimeoutPeriod * numReceivers))) {
                            //1.发送延时消息
                            broadcastTimeoutLocked(false); // forcibly finish this broadcast
                            forceReceive = true;
                            r.state = BroadcastRecord.IDLE;
                        }
                    }

                    if (r.state != BroadcastRecord.IDLE) {
                        if (DEBUG_BROADCAST) Slog.d(TAG,
                                "processNextBroadcast("
                                        + mQueueName + ") called when not idle (state="
                                        + r.state + ")");
                        return;
                    }

                    if (r.receivers == null || r.nextReceiver >= numReceivers
                            || r.resultAbort || forceReceive) {
                        // No more receivers for this broadcast!  Send the final
                        // result if requested...
                        if (r.resultTo != null) {
                            try {
                                //2. 处理广播消息
                                performReceiveLocked(r.callerApp, r.resultTo,
                                        new Intent(r.intent), r.resultCode,
                                        r.resultData, r.resultExtras, false, false, r.userId);
                                // Set this to null so that the reference
                                // (local and remote) isn't kept in the mBroadcastHistory.
                                r.resultTo = null;
                            } catch (RemoteException e) {
                                ...
                            }
                        }
                        //3.取消延时消息
                        cancelBroadcastTimeoutLocked();
                        ...
                    }
                } while (r == null) ;
                ...
            }
        }
    }

1.发送延时消息：broadcastTimeoutLocked(false)：

    final void broadcastTimeoutLocked(boolean fromMsg) {
    ...
        long now = SystemClock.uptimeMillis();
        if (fromMsg) {
            if (mService.mDidDexOpt) {
                // Delay timeouts until dexopt finishes.
                mService.mDidDexOpt = false;
                long timeoutTime = SystemClock.uptimeMillis() + mTimeoutPeriod;
                setBroadcastTimeoutLocked(timeoutTime);
                return;
            }
            if (!mService.mProcessesReady) {
                return;
            }

            long timeoutTime = r.receiverTime + mTimeoutPeriod;
            if (timeoutTime > now) {
                setBroadcastTimeoutLocked(timeoutTime);
                return;
            }
        }

他调用了setBroadcastTimeoutLocked(long timeoutTime):

    final void setBroadcastTimeoutLocked(long timeoutTime) {
        if (! mPendingBroadcastTimeoutMessage) {
            Message msg = mHandler.obtainMessage(BROADCAST_TIMEOUT_MSG, this);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timeoutTime);
            mPendingBroadcastTimeoutMessage = true;
        }
    }

传入setBroadcastTimeoutLocked(long timeoutTime)的时间xxx + mTimeoutPeriod，mTimeoutPeriod就是onRecieve()可以执行的时间，在BroadcastQueue初始化时候被赋值，前台队列为10s后台队列为60s：
ActivityManagerService.java:

    public ActivityManagerService(Context systemContext) {
        ...
        static final int BROADCAST_FG_TIMEOUT = 10 * 1000;
        static final int BROADCAST_BG_TIMEOUT = 60 * 1000;
        ...
        mFgBroadcastQueue = new BroadcastQueue(this, mHandler,
                "foreground", BROADCAST_FG_TIMEOUT, false);
        mBgBroadcastQueue = new BroadcastQueue(this, mHandler,
                "background", BROADCAST_BG_TIMEOUT, true);
        ...
    }

1. performReceiveLocked()为广播的实际处理，就不展开了
2. cancelBroadcastTimeoutLocked() ：
   该方法的主要工作是当service启动完成，则移除服务超时消息SERVICE_TIMEOUT_MSG。

    final void cancelBroadcastTimeoutLocked() {
        if (mPendingBroadcastTimeoutMessage) {
            mHandler.removeMessages(BROADCAST_TIMEOUT_MSG, this);
            mPendingBroadcastTimeoutMessage = false;
        }
    }

三.如何分析ANR问题：

从前文可以明确，ANR问题是由于主线程的任务在规定时间内没处理完任务，而造成这种情况的原因大致会有一下几点：

1. 主线程在做一些耗时的工作
2. 主线程被其他线程锁
3. cpu被其他进程占用，该进程没被分配到足够的cpu资源。

判断一个ANR属于哪种情况便是分析ANR问题的关键。那么拿到一个anr的日志，应该如何分析呢？
在发生ANR的时候，系统会收集ANR相关的信息提供给开发者：首先在Log中有ANR相关的信息，其次会收集ANR时的CPU使用情况，还会收集trace信息，也就是当时各个线程的执行情况。trace文件保存到了/data/anr/traces.txt中，此外，ANR前后该进程打印出的log也有一定价值。一般来说可以按一下思路来分析：

1. 从log中找到ANR反生的信息：可以从log中搜索“ANR in”或“am_anr”，会找到ANR发生的log，该行会包含了ANR的时间、进程、是何种ANR等信息，如果是BroadcastReceiver的ANR可以怀疑BroadCastReceiver.onRecieve()的问题，如果的Service或Provider就怀疑是否其onCreate()的问题。

2. 在该条log之后会有CPU usage的信息，表明了CPU在ANR前后的用量（log会表明截取ANR的时间），从各种CPU Usage信息中大概可以分析如下几点：
   (1). 如果某些进程的CPU占用百分比较高，几乎占用了所有CPU资源，而发生ANR的进程CPU占用为0%或非常低，则认为CPU资源被占用，进程没有被分配足够的资源，从而发生了ANR。这种情况多数可以认为是系统状态的问题，并不是由本应用造成的。
   (2). 如果发生ANR的进程CPU占用较高，如到了80%或90%以上，则可以怀疑应用内一些代码不合理消耗掉了CPU资源，如出现了死循环或者后台有许多线程执行任务等等原因，这就要结合trace和ANR前后的log进一步分析了。
   (3). 如果CPU总用量不高，该进程和其他进程的占用过高，这有一定概率是由于某些主线程的操作就是耗时过长，或者是由于主进程被锁造成的。

3. 除了上述的情况(1)以外，分析CPU usage之后，确定问题需要我们进一步分析trace文件。trace文件记录了发生ANR前后该进程的各个线程的stack。对我们分析ANR问题最有价值的就是其中主线程的stack，一般主线程的trace可能有如下几种情况：
   (1). 主线程是running或者native而对应的栈对应了我们应用中的函数，则很有可能就是执行该函数时候发生了超时。
   (2). 主线程被block:非常明显的线程被锁，这时候可以看是被哪个线程锁了，可以考虑优化代码。如果是死锁问题，就更需要及时解决了。
   (3). 由于抓trace的时刻很有可能耗时操作已经执行完了（ANR -> 耗时操作执行完毕 ->系统抓trace），这时候的trace就没有什么用了，主线程的stack就是这样的：

"main" prio=5 tid=1 Native
  | group="main" sCount=1 dsCount=0 obj=0x757855c8 self=0xb4d76500
  | sysTid=3276 nice=0 cgrp=default sched=0/0 handle=0xb6ff5b34
  | state=S schedstat=( 50540218363 186568972172 209049 ) utm=3290 stm=1764 core=3 HZ=100
  | stack=0xbe307000-0xbe309000 stackSize=8MB
  | held mutexes=
  kernel: (couldn't read /proc/self/task/3276/stack)
  native: #00 pc 0004099c  /system/lib/libc.so (__epoll_pwait+20)
  native: #01 pc 00019f63  /system/lib/libc.so (epoll_pwait+26)
  native: #02 pc 00019f71  /system/lib/libc.so (epoll_wait+6)
  native: #03 pc 00012ce7  /system/lib/libutils.so (_ZN7android6Looper9pollInnerEi+102)
  native: #04 pc 00012f63  /system/lib/libutils.so (_ZN7android6Looper8pollOnceEiPiS1_PPv+130)
  native: #05 pc 00086abd  /system/lib/libandroid_runtime.so (_ZN7android18NativeMessageQueue8pollOnceEP7_JNIEnvP8_jobjecti+22)
  native: #06 pc 0000055d  /data/dalvik-cache/arm/system@framework@boot.oat (Java_android_os_MessageQueue_nativePollOnce__JI+96)
  at android.os.MessageQueue.nativePollOnce(Native method)
  at android.os.MessageQueue.next(MessageQueue.java:323)
  at android.os.Looper.loop(Looper.java:138)
  at android.app.ActivityThread.main(ActivityThread.java:5528)
  at java.lang.reflect.Method.invoke!(Native method)
  at com.android.internal.os.ZygoteInit$MethodAndArgsCaller.run(ZygoteInit.java:740)
  at com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:630)

当然这种情况很有可能是由于该进程的其他线程消耗掉了CPU资源，这就需要分析其他线程的trace以及ANR前后该进程自己输出的log了。

四.如何降低ANR的概率：

有一些操作是很危险的，非常容易发生ANR，在写代码时候一定要避免：

1. 主线程读取数据：在Android中主线程去读取数据是非常不好的，Android是不允许主线程从网络读数据的，但系统允许主线程从数据库或者其他地方获取数据，但这种操作ANR风险很大，也会造成掉帧等，影响用户体验。
   （1）. 避免在主线程query provider，首先这会比较耗时，另外这个操作provider那一方的进程如果挂掉了或者正在启动，我们应用的query就会很长时间不会返回，我们应该在其他线程中执行数据库query、provider的query等获取数据的操作。
   （2）. sharePreference的调用：针对sharePreference的优化点有很多，文章http://weishu.me/2016/10/13/sharedpreference-advices/ 详细介绍了几点sharepreference使用时候的注意事项。首先sharePreference的commit()方法是同步的，apply()方法一般是异步执行的。所以在主线程不要用其commit()，用apply()替换。其次sharePreference的写是全量写而非增量写，所以尽量都修改完同一apply，避免改一点apply一次(apply()方法在Activity stop的时候主线程会等待写入完成，提交多次就很容易卡)。并且存储文本也不宜过大，这样会很慢。另外，如果写入的是json或者xml，由于需要加和删转义符号，速度会比较慢。
2. 不要在broadcastReciever的onRecieve()方法中干活，这一点很容易被忽略，尤其应用在后台的时候。为避免这种情况，一种解决方案是直接开的异步线程执行，但此时应用可能在后台，系统优先级较低，进程很容易被系统杀死，所以可以选择开个IntentService去执行相应操作，即使是后台Service也会提高进程优先级，降低被杀可能性。
3. 各个组件的生命周期函数都不应该有太耗时的操作，即使对于后台Service或者ContentProvider来讲，应用在后台运行时候其onCreate()时候不会有用户输入引起事件无响应ANR，但其执行时间过长也会引起Service的ANR和ContentProvider的ANR。
4. 尽量避免主线程的被锁的情况，在一些同步的操作主线程有可能被锁，需要等待其他线程释放相应锁才能继续执行，这样会有一定的ANR风险，对于这种情况有时也可以用异步线程来执行相应的逻辑。另外， 我们要避免死锁的发生(主线程被死锁基本就等于要发生ANR了)。