字节跳动 iOS Heimdallr 卡死卡顿监控方案与优化之路
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前言
卡死、卡顿作为目前iOS App的重要性能指标，不仅影响着用户体验，更关系到用户留存、DAU等重要产品数据。本文主要介绍Heimdallr对卡死、卡顿异常的监控原理，并结合长时间的业务沉淀发现的问题进行不断迭代和优化，逐步实现全面、稳定、可靠的历程。
一、什么是卡死/卡顿？
卡顿，顾名思义就是在使用过程中出现了一段时间的阻塞，使得用户在这一段时间内无法进行操作，屏幕上的内容也没有任何的变化。Heimdallr在监控指标上，根据阻塞时间的长短进行了3个等级的划分。
1、流畅性与丢帧：动画、滑动列表不流畅，一般为十几至几十毫秒的级别
2、卡顿：短时间操作无反应，恢复后能继续使用，从几百毫秒至几秒
3、卡死：长时间无反应，直至被系统杀死，通过线上收集数据，最少为5s
可以看到，根据严重性由小至大可将卡顿问题划分为流畅性与丢帧、卡顿、卡死三个不同的等级。卡死的严重程度与Crash是相当的，甚至更为严重。因为卡死不仅仅造成了类似于崩溃的闪退，更使得用户被迫等待了相当长的一段时间，更加损害用户的体验。由于监控方案上的差异，本文主要面向的是后两者卡顿和卡死的监控。
二、卡死/卡顿的原因
iOS开发中，由于UIKit是非线程安全的，因此一切与UI相关的操作都必须放在主线程执行，系统会每16ms（1/60帧）将UI的变化重新绘制，渲染至屏幕上。如果UI刷新的间隔能小于16ms，那么用户是不会感到卡顿的。但是如果在主线程进行了一些耗时的操作，阻碍了UI的刷新，那么就会产生卡顿，甚至是卡死。主线程对于任务的处理是基于Runloop机制，如下图所示。Runloop支持外部注册通知回调，提供了
1、RunloopEntry
2、RunloopBeforeTimers
3、RunloopBeforeSources
4、RunloopBeforeWaiting
5、RunloopAfterWaiting
6、RunloopExit
6个时机的事件回调，其流转关系如下图所示。Runloop在没有任务需要处理的时候就会进入至休眠状态，直至有信号将其唤醒，其又会去处理新的任务。
在日常编码中，UIEvent事件、Timer事件、dispatch主线程任务都是在Runloop的循环机制的驱动下完成的。一旦我们在主线程中的任何一个环节进行了一个耗时的操作，或者因为锁的使用不当造成了与其它线程的死锁，主线程就会因为无法执行Core - Animation的回调而造成界面无法刷新。而用户的交互又依赖于UIEvent的传递和响应，该流程也必须在主线程中完成。所以说主线程的阻塞会导致UI和交互的双双阻塞，这也是导致卡死、卡顿的根本原因。
三、监控方案
既然问题的根本在于主线程Runloop的阻塞，那么我们就要通过技术手段监测主线程Runloop的运行状态。为了能够实时获取主线程Runloop的状态，首先对主线程注册上面提到的几个事件回调，在触发事件回调时，利用signal机制将其运行状态传递给另一个正在监听的子线程（后面称之为监听线程）。监听线程对于信号的处理可以是多样的，它可以设置等待signal的超时时间，如果超过了设定的阈值，这说明主线程可能正在经历阻塞。通过监听线程，我们可以完整地了解到主线程Runloop循环的周期，目前处于哪个阶段，耗时了多久等等。根据这些必要的信息，就可以采取对应的策略进行异常的捕获和处理，后面会单独就卡顿、卡死分别进行说明。
目前大多数APM工具都是采用监听Runloop的方式进行卡顿的捕获，这也是性能、准确性表现最好的一种方案。由于RunloopBeforeTimers的和RunloopBeforeSources是紧邻的两个事件回调，Heimdallr为了降低Runloop频繁事件回调造成的性能损失，去除了对RunloopBeforeTimers的监听。
1. 卡顿（ANR）
2. 卡死（WatchDog）
与卡顿不同，卡死的阻塞是更长的，而且是无法恢复的。iOS系统会对App的主线程进行类似的监控，一旦发现了阻塞的情况，持续时间大于当前系统内允许的阈值（不同iOS版本和机型不同），就会强制杀死当前App进程，这个操作是没有任何通知的。因此我们需要做的就是在系统发现卡死并强杀之前，获取堆栈，并尽可能的评估出卡死持续的时间。
预先设定一个卡死的阈值T（默认是8s），这个阈值可以是相对保守的，并不是说超过了这个阈值就一定会被判定为卡死。在超过卡死阈值T的时候，获取全线程的堆栈，并保存至本地文件中。之后每隔一段时间（采样间隔，默认是1s），会进行一次采样。采样的目的不是为了获取新的堆栈，而是为了更新卡死持续的时间，将该信息保存至本地文件中。因此，采样的间隔越小逼近真实卡死时间按越精确。直至到某一个时间节点，系统把App杀死。当App下一次启动时，卡死模块会根据上一次启动中保留的本地文件信息，还原出卡死的堆栈、持续时间等信息，并上报卡死异常。
需要说明的是，很多人认为卡死一定是因为死锁、死循环这样的场景，导致程序永远也无法完成导致的。其实不然，在很多场景下，一个或多个耗时的操作，只要其耗时超过了系统的允许阈值，都会触发卡死。当应用启动过程中，没有在限定时间内完成初始化工作也会被系统杀死。所以，某些卡死可能是多个场景的不合理一起导致的，这也给卡死的问题定位提出了更高的要求。
四、问题与优化
理想是丰满的，现实是骨感的。看似”无懈可击“的监控方案，在线上却暴露出不同程度的问题。
在卡顿监控中，我们认为超过了卡顿阈值时获取的堆栈一定是一个卡顿的场景，其实不然。在一些时候，获取的堆栈可能是他人的”背锅侠“。我们来看下面这个case。导致主线程卡顿的是4这个耗时操作，但是当我们设定阈值超时时，获取的堆栈却是没有任何性能问题的5。因此如果使用这种方式来进行卡顿的监控，一定会存在误报。而根据概率来讲，虽然上报的5是一个误报，但就线上的上报量来讲，4的数量一定是要大于5的。因此上报量级大的堆栈才应该是真正的耗时操作，是需要我们专注去解决的，而那些量级较小的堆栈则可能是误报。
那么是否能够通过一些技术手段，在控制性能开销的情况下，对卡顿场景捕捉的更加准确呢？一个比较好的思路就是采样策略。如下图，我们在原有的”常规模式“的基础上增加了”采样模式“。需要额外定义采样间隔、采样阈值。我们把卡顿阈值的等待过程，划分为以采样间隔为单位的粒度更细的时间节点。在每个时间节点进行主线程采样，对主线程进行堆栈的提取。由于仅对主线程进行堆栈提取，所以耗时较全线程抓栈要小很多。
获取了主线程堆栈后，通过提取顶层第一个自身调用来进行堆栈的聚合。如果某一个相同堆栈持续的时间超过了设定的采样阈值，例如图中的4，重复了3次，那么就会判定该场景一定是一个卡顿场景。那么此时就会进行全线程抓栈，而后面的卡顿阈值触发时则不再抓栈。
结合主线程采样，我们可以更加精准的以函数级别监控卡顿场景，但是也需要付出采样带来的额外性能开销。为了将采样的开销降至最低，避免线上对低端设备造成二次性能劣化，卡顿监控支持采样功能的退火策略。当某一个卡顿场景被多次捕获时，为了避免再次将其捕获，造成不必要的性能浪费，会逐步增加采样间隔，直至将”采样模式“退化成”常规模式“。
在Slardar平台配置并开启采样功能后，可以通过sample_flag来过滤通过采样超时获取的卡顿异常。通过此方式获取的堆栈，大概率为卡顿场景，可以更加有针对性的去分析和解决。
2. 卡死监控优化
相比卡顿，卡死的误报大多发生在后台（目前Heimdallr提供后台卡死过滤，如果对后台卡死不关心的业务方可以自行打开）。因为后台场景的限制，当前App的线程优先级更低，而且随时存在被系统挂起的可能，这给我们进行卡死时间的判定带来了很多问题。
上面的Case描述的是一个卡死的误报场景，因为在后台的原因线程的优先级较低，因此1、2、3任务执行的时间要比前台更久，更加容易超过我们的卡死阈值。而后，因为iOS系统的策略问题，后台应用被挂起（suspend），直至某一个时间点因为内存紧张，将整个应用杀死。但请注意，这个流程属于App正常的生命周期范畴，并不是WatchDog。而按照我们之前的策略，这将会被判定为卡死。由于我们无法监听到suspend事件，所以这种场景目前还无法排除误报。
还有一种误触发卡死的case是，suspend发生在8s阈值前，在长时间的挂起后，应用被resume，此时8s的超时被触发。但是实际上，我们的App只有在8s中的很少一部分时间在running，大部分时间都是被挂起，所以不应该触发卡死判定。归根结底是卡死计时的准确性问题。
为了解决上面的问题，对计时策略进行了改进。相比于直接进行8s的等待，我们将时间细分为8个1s。如果在这段时间内App被挂起，等到恢复时也不会直接超过8s的阈值，而仅仅会造成最多1s的误差。
最后，我们发现部分卡死场景是由于OC Runtime Lock导致的（大概率是dyld和OC Runtime Lock造成的死锁）。一旦发生这种类型的卡死，其它所有线程的OC代码都会因此而阻塞，当然也包括监听线程，卡死监控此时就无法捕获这个异常。为了能够覆盖所有场景，我们把卡死、卡顿模块的所有逻辑进行了C/C++重构，解除了对OC调用的依赖，并且性能相比与OC实现进一步得到提升。
结语
Heimdallr的ANR、WatchDog模块经过一段时间的迭代与优化，达到了一个全面、稳定、可靠的状态。这期间的一些优化思路借鉴了一些开源的APM框架，并结合使用方的实际需求进行不断改进。感谢所有使用方的反馈，帮助我们不断完善我们的功能与体验。后续我们会继续针对Watchdog场景增加防卡死功能，帮助接入方能够在无侵入式的情况下，解决通用场景的卡死问题。