前语

很高兴见到你。

关于功用优化，或许咱们的榜首反应是这是高手做的作业，一直以来我也是这样以为的。但在最近一段时间，在公司项目上做了一些结构的功用优化，让我初步掀开了功用优化的面纱，也对他有了进一步的知道。所以这篇文章结合我做的一些优化，做一些相关经历的共享。

功用优化一般状况下分为两类：时间优化与空间优化。前者是下降处理器处理时间，后者是下降内存运用量。归根结底都是下降对硬件资源的运用，来进步程序的功用，然后进步程序运转流畅性、下降功耗等。今日也主要从这两个方面来打开聊一聊。功用优化一般需求针对详细的代码、或许场景，所以后续的内容，我都会结合详细的场景来打开叙述，从0开端去叙述在项目中的考虑过程，并总结一些功用优化的通用思路。因而，在讲功用优化之前，需求先向你介绍一下咱们项目的大概内容。

了解项目

首要需求简略来了解一下咱们作业的项目结构流程。咱们项目的结构是一个图画处理结构，其功用如下图：

聊一聊性能优化

接收上层传下来的图画帧，进行烘托处理之后，将处理完结的图画返回给上层。

这是宏观上关于结构的描述。但由于这套结构，他是纯c++开发，且接口复杂，较难以理解，导致接入本钱过高。因而，在原有的结构上，咱们进行再一次封装，如下图:

聊一聊性能优化

c++接口主要对接native接入事务；关于android，则封装java接口，让接入方削减编写jni的本钱。 需求留意的是，图中的Java接口以及c++接口，都是完好封装的结构层，具有自己的数据结构，向上屏蔽底层细节。

现在来调查一下全体的处理流程：

  1. 事务层运用相机捕获数据帧，并将数据帧传递给Java接口层
  2. Java接口层将数据帧，经过JNI调用，把数据传递到c++层
  3. JNI接口层将数据封装后传递给c++接口层
  4. 最终，c++接口层将数据封装后传递给底层SDK。
  5. 处理完结之后则反过来走完上述流程

如下图：

聊一聊性能优化

大概了解到这个程度就能够了。接下来详细打开我所做的几个功用优化。

优化一

由于整个结构主要是对帧数据进行处理，因而咱们需求重视帧数据的处理流程。咱们从相机收集开端来剖析：

  1. 相机收集数据，并将帧数据存放在缓冲区中，这是最原始的数据
  2. 咱们不能直接运用缓冲区中的数据，由于缓冲区是复用的，因而需求复制出来。这儿产生一次数据复制，以及一帧数据内存的分配。
  3. 事务方将数据封装到咱们的java接口数据结构，并传递到咱们的结构java接口层。伪代码如下面的代码：
// 相机数据帧回调
void onCameraFrameArrive(byte[] data,int width,int hight) {
    // 创立结构数据结构，Frame内部复制一次相机帧数据
    Frame frame = new Frame(data,width,hight);
    // 调用接口传递数据
    sendFrame(frame);
}
  1. java接口经过jni，将数据传递给c++层。JNI层需求对java数据进行一次复制，c++不能直接持有并处理java内存数据。c++持有java内存会让内存管理变得复杂，且无法直接对java内存进行数据处理。JNI层再将数据封装后，传递给c++接口层。伪代码如下
// java代码
void sendFrame(Frame frame){
    sendFrameToNative(frame);
}
private native void sendFrameToNative(Object frame);
// c++代码
void copyByteArray(jbyteArray value) {
    jsize arraySize = jniEnv->GetArrayLength(value);
    // 创立c++数组，并复制一份新的数据
    auto* array = new int8_t[size];
    jniEnv->GetByteArrayRegion(value, 0, arraySize, array)；
}

好了，流程上先了解到这儿。流程中总共产生了两次内存的分配与复制：

  1. 相机缓存不能直接运用，java事务层产生了一次复制；
  2. c++不能直接运用java内存，产生了一次从java内存到c++内存的复制

这儿的优化思路是：咱们能够让JNI直接从相机缓存中进行复制，而没有必要复制一份中间数据，这样能够削减一次内存复制与内存分配。咱们产生复制的当地在于Frame类的构造函数中，优化伪代码如下：

class Frame {
    private byte[] mData;
    // 优化前：
    public Frame(byte[] data,int width,int height) {
        mData = new byte[data.length];
        ...
    }
    // 优化后
    public Frame(byte[] data,int width,int height) {
        mData = data;
        ...
    }
}

经过持有内存的引证，来替代复制内存。那么或许有读者有疑问：那咱们是不是以后都经过持有引证的办法就能够了？并不是的，还是得依据事务的内容来决议。咱们这儿直接持有了相机缓存的引证，那么咱们必须将数据处理操作设置为同步操作，并在处理完毕后解除引证，不然会形成数据过错。

在本流程中，Frame属于结构层接口。关于结构的规划，咱们能够将事务层传递的byte数组，做一次复制，这是最安全的。不管上层传递的byte数组是否复用、是否开释等，都不会形成过错，但同时会带来一定的功用损耗。而规划为直接持有上层byte数组，意味着事务方必须了解接口参数的意义，懂得byte数组参数是被结构直接持有，如有必要，需求在外部做数据复制。这下降了一定的接口易用性，但也带来了更好地功用体现。另一种折中的处理方案，是创立两个不同的接口：复制与不复制，让用户决议运用哪个接口，但这也会为接口带来更高的复杂性。

最终咱们来总结一下：

  1. 盯梢中心数据的处理流程，例子中是视频图画帧，记载数据产生复制、内存分配、运算等当地，重新考虑是否有更好的处理方案，来削减核算和内存本钱。
  2. 假如产生在接口层的优化，需求考虑优化的本钱，是否符合场景需求。在易用性、复杂性、高功用等要素中找到平衡点。

接下来咱们看第二个优化点。

优化二

android studio有一个十分好用的功用剖析东西：android profile，他能够协助咱们剖析运转中的cpu占用状况，以及内存的分配状况。从这些数据中咱们能够去剖析，咱们的程序是否存在问题，是否有优化的空间。

继续案例一中的场景，在开发中，运用这个东西完结了许多功用优化，或许说是bug的排查。这儿主要讲两个：内存颤动和内存走漏。详细东西的运用办法能够移步官方文档Android Profiler，这儿我主要介绍运用这个东西处理问题的思路。

首要榜首个：内存颤动。android profile能够在运转时，检查内存的占用状况，在开发过程中我运用东西检查了一下运转时内存状况，类似下图：（图源网络）

ps：下面相关的图画我均采用网络图片替代，嗯，，由于我懒得去重现一次场景再记载图画（手动狗头）

聊一聊性能优化

内存出现频频添加与废物收回，图画呈现锯齿状。内存的频频请求与开释，会损耗很多的功用，最终导致的成果便是咱们的应用卡顿。android profile具有的另一个功用是记载函数的内存请求巨细，如onCreate函数请求了多少内存，剩下多少内存等。经过这个功用，我查询了一下其在运转时内存分配地点的函数以及目标状况，如下：（图源网络）

聊一聊性能优化

聊一聊性能优化

东西详细记载了所创立的目标，如上面两个图：byte数组占大多数内存分配；createSubDecor函数占大多数的内存分配。那么咱们拿到这些信息之后，就能够去到对应的办法进行排查。

在我的项目，我的原因主要是，在java层每帧都复制一次数据，导致不断开辟内存，可是却运用一次就丢掉。场景一的优化之后，削减了这次复制即处理了这个问题。

第二，内存走漏。检测内存走漏最好的办法便是：不断重进场景，调查内存增量。假如每次进入、退出之后，内存都有增量，则十分或许产生了内存走漏。在当时的检测中，发现运转时内存不断添加，即便手动废物收回也杯水车薪，最终导致OOM程序崩溃。这很明显便是产生了内存走漏。经过记载内存请求记载，发现是在jni，在c++线程中创立了java目标，运用完结后未删去部分引证，导致目标无法被虚拟机收回（在c++线程完毕后，目标才会被收回）。

凭借类似的类似的东西，能够检查程序关于资源的运用状况，也是十分方便协助咱们做功用优化的。

优化三

第三个优化，是学习了android在屏幕改写机制上的思路，来进步全体的帧率功用。还回到咱们作业的项目中来。咱们的项目结构主要的能力便是烘托数据帧，但其对输入有一个要求：在上一帧烘托完结之前，不允许下一帧输入，不然会被限流节点丢掉数据。因而在原来的程序是这样的：

聊一聊性能优化

横向代表时间线，竖直线代表帧的输入，蓝色箭头代表结构sdk正在烘托数据帧，此刻无法承受新的帧输入

调查上面的图画，结构处理数据的时间比帧输入更长，因而当第二帧输入的时分，榜首帧还没处理完结，此刻第二帧被丢掉。可是，当榜首帧处理完结的时分，此刻第三帧数据没有到达，结构sdk进入空闲状态。

为了进步全体的处理帧率，咱们需求让结构sdk时间坚持运转状态。因而我在这儿学习android的烘托机制，加上双缓冲。

聊一聊性能优化

  1. 输入的数据缓存到双缓冲中进行保存，直接覆写到back内存中，假如front内存没有数据，则交换前后缓冲区
  2. 结构sdk从front区读取数据，并交换前后缓冲区

添加了缓存之后，能够确保结构sdk时间处于运转当中，进步全体输出帧率，如下图：

聊一聊性能优化

这次优化的中心思路在于：充分运用cpu、内存等资源，来完成咱们需求的作用。前面咱们说的，都是怎么节省资源，下降消耗，但都是在确保相同的输出作用，或许可承受丢失的状况下。而这次功用优化，则是充分运用咱们的硬件资源，完成更好的体现作用。关于烘托库而言，帧率体现，也是其功用体现的一个方面。

但此类型的优化也有他的价值：添加cpu与内存的负载。当评价下来之后，觉得这些资源的付出，值得换来帧率的进步，那么这次优化便是有意义的。反之，在一些低功用低下的机器，内存自身就十分紧张，双缓冲需求的内存价值就太大了。需求结合详细的事务状况来做判断。

优化四

做android开发的读者都知道，咱们不能在主线程做耗时操作，会直接导致界面卡顿。因而大多数的操作咱们会选择放在子线程去运转。多线程并行处理数据，能够进步全体的处理功率。在咱们的项目中，对数据帧的处理通常是多节点的，如下：

聊一聊性能优化

节点的处理之间，有严格的先后联系，也有无关的可并行联系。关于并行联系的节点，咱们能够创立多个线程，进行并行处理，进步处理时间，如下：

聊一聊性能优化

将处理2和处理3进行并行处理，再分别输出。这是最基本的优化方案，但事实上，在实践开发中还会遇到一些其他的问题。

处理2节点与处理3并行之后，需求付出的价值有：添加一个线程，处理添加线程切换的价值；添加数据占用的内存；添加对cpu的负载等等。换来的功率进步是否值得也是需求归纳评价。

在项目中，我处理成并行是有作用的。原因是处理2与处理3耗时在几十ms，而线程切换带来的损耗小于1ms，内存占用低，因而关于数据的传递我是采用指针传递的，不涉及内存的复制。归纳评价下，这是一个值得的优化，能够下降全体流程几十ms的时间。

你以为这就完毕了吗？在测验中又发现了新的问题。在低端机器中，自身cpu现已跑满了，添加了线程之后，非但没有进步功率，反而线程切换的损耗带来了功率的下降。cpu负载这一价值，导致此优化是无效的。因而，该优化仅在中高端机器上开启。

线程是一把双刃剑，运用得好，能够为咱们带来很大的功率进步，但同时也要留意需求付出的价值，避免反向优化。

总结

好，以上便是近段时间，我的一些关于功用优化的经历，咱们再来总结一下功用优化的思路：

  1. 功用优化是跟着详细的事务场景去完成的，盯梢中心数据、中心流程，如图画帧处理流程，剖析每个步骤的处理是否合理，是否有优化的空间。
  2. 运用东西剖析运转时的内存与cpu等资源状况，发现或许存在的内存走漏、内存颤动、cpu占用过高级问题。
  3. 功用优化能够是确保作用下降资源的运用，也能够是充分运用资源，进步程序的体现作用。
  4. 在做出优化的决议计划前，要归纳评价当时的环境要素，剖析优化需求付出的价值，避免反向优化。

功用优化过程中，能够参阅以下的详细主张：

  1. 尽量削减数据复制
  2. 尽量削减内存请求，运用缓存池来替代反复请求与开释
  3. 平衡线程的数量与并行处理的使命耗时之间的联系，找到最佳平衡点
  4. 留意代码细节的功用问题，如遍历次数、内存占用量等，不同的编程言语也会有不同的特性，经过操练算法标题能够增强功用意识

功用优化并不是一个高深莫测的技术，而是需求咱们在开发过程中时间留意的问题，少一次复制、少一次遍历，都能让咱们的程序功用更好。但咱们无法在开发初期则达到最佳的功用体现，需求咱们阶段性进行全体的功用检测与优化，来排查代码中存在的功用问题。

操练算法标题是个不错的办法，能够进步自己对功用的意识，增强自己功用优化能力，写出更加强壮的代码。不同的编程言语有自己的特性，需求结合自己的言语去学习，如java的废物收回、c++的自动开释等。我以为，面向api写代码大家都会，而真实决议距离的，是代码的规划与功用。

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