Android性能優(yōu)化之多線程管理優(yōu)化方案詳解

背景

在我們?nèi)粘ｉ_發(fā)中，多線程管理一直是非常頭疼的問題之一赵颅，尤其在歷史性長虽另，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的app中，線程數(shù)會達(dá)到好幾百個甚至更多饺谬，然而過多的線程不僅僅帶來了內(nèi)存上的消耗同時也降低了cpu調(diào)度的效率捂刺，過多的cpu調(diào)度帶來的消耗的壞處甚至超過了多線程帶來的好處。

在我們?nèi)粘ｉ_發(fā)中募寨，通常會遇到以下幾個問題：

  • 某個場景會創(chuàng)造過多的線程族展，最終導(dǎo)致oom。
  • 線程池過多問題拔鹰，比如三方庫有一套線程池仪缸，自己項目也有一套線程池，隨著三方/二方業(yè)務(wù)接入列肢，導(dǎo)致了不相兼容的線程池數(shù)越多恰画，降低了全體線程池數(shù)的調(diào)度效率，比如多個okhttp的調(diào)用瓷马。
  • 歷史原因?qū)е滤┗梗琻ew Thread橫行，又或者是各種線程使用不規(guī)范欧聘，導(dǎo)致工程混亂片林。
  • 即使是空閑時候，依舊有線程在不斷Waiting怀骤。
  • 各種線程死鎖問題费封。

最終種種原因?qū)е拢覀兊捻椖吭谏暇€過程中蒋伦，會遇到各種線程不明的情況弓摘，對排查問題或者解決問題帶來極大的考驗。

常規(guī)解決方案

對于上述問題的解決痕届，許多團(tuán)隊通過codeview去限制代碼準(zhǔn)入衣盾，比如定制Thread的規(guī)范寺旺，又或者是定義項目統(tǒng)一的線程池，在項目中去使用势决。

這個方案優(yōu)點就是可操作性強阻塑，便于團(tuán)隊去實施，但是這比較依靠review（或者其他代碼掃描插件）果复，對于歷史項目來說比較容易出現(xiàn)疏漏陈莽，而且后期也依舊需要維護(hù)，對于大型團(tuán)隊來說虽抄，需要兼顧所有人代碼走搁，且三方庫無法處理。同時Thread的衍生物也有很多迈窟，比如Android中的HandlerThread等等私植，也是線程。

現(xiàn)在比較流行的方案是通過字節(jié)碼插樁的方式车酣，統(tǒng)一做線程監(jiān)控亦或進(jìn)行線程統(tǒng)一曲稼，比如監(jiān)控處理的matrix，還有優(yōu)化相關(guān)的booster等湖员。線程統(tǒng)一這個依靠項目的情況贫悄，會有全統(tǒng)一線程池的情況（所以共用一個線程池），也有統(tǒng)一某單一業(yè)務(wù)的線程池的情況（比如只收口項目okhttp的線程池）下面我們圍繞這兩個主題娘摔，分別進(jìn)行探討

線程監(jiān)控

當(dāng)前線程統(tǒng)計

對線程的監(jiān)控,首先我們要統(tǒng)計當(dāng)前的信息對不對窄坦，可以直接通過

Thread.getAllStackTraces()

獲取到當(dāng)前所有thread的信息與堆棧情況，其返回值是一個map對象凳寺，

Map<Thread, StackTraceElement[]>

獲取結(jié)果例子如下

[
Thread[Binder:30506_2,5,main],
 Thread[FinalizerWatchdogDaemon,5,system], 
 Thread[Binder:30506_3,5,main], 
 Thread[Jit thread pool worker thread 0,5,system], 
 Thread[ReferenceQueueDaemon,5,system], 
 Thread[Profile Saver,5,system], 
 Thread[main,5,main], 
 Thread[Binder:30506_1,5,main], 
 Thread[RenderThread,7,main], 
 Thread[pika_thread,5,main], 
 Thread[vivo.PerfThread,5,main], 
 Thread[Signal Catcher,10,system], 
 Thread[FinalizerDaemon,5,system], 
 Thread[HeapTaskDaemon,5,system]
 ]

我們可以看到key是一個thread對象鸭津，如果我們要設(shè)計一個自己的apm的話可以通過遍歷key拿到一個Thread對象，然后再通過該Thread對象拿到自身的信息即可肠缨，比如獲取thread的名稱逆趋。

Thread.getAllStackTraces().keys.map {    it.name}

線程信息具體化

通過上述，我們可以拿到了當(dāng)前所有的線程信息怜瞒，但是很遺憾的是父泳，其中有一些線程信息幾乎是“不可用”的般哼，比如我們用new Thread構(gòu)建出來的線程吴汪，如果不給它指定的名字的話，默認(rèn)就會出現(xiàn)類似這種情蒸眠，比如Thread-1漾橙，這種名稱的線程對我們來說幾乎是沒有任何意義的，我們暫且把它稱為“匿名線程”楞卡，解決匿名線程的手段有很多霜运，之前在學(xué)完ASM Tree api脾歇，再也不怕hook了這篇我們可以看到，我們可以用asm對調(diào)用thread進(jìn)行插樁淘捡，通過改變指令調(diào)用函數(shù)藕各，把普通的空參數(shù)Thread（）方法變成帶有name的構(gòu)造方法Thread（String）進(jìn)行hook處理褥紫，把調(diào)用者名稱的信息放到前置的ldc指令来破，從而到達(dá)一個轉(zhuǎn)化的效果母谎。

737008951c21ac8fb01d378349b69475.png

asm 代碼實例如下：

method.instructions.insertBefore(
        node, new LdcInsnNode(klass.name))
                def r = node.desc.lastIndexOf(')')
                把構(gòu)造函數(shù)描述變成了帶有string name的構(gòu)造函數(shù)描述
                def desc = "${node.desc.substring(0, r)}Ljava/lang/String;${node.desc.substring(r)}"println(" * ${node.owner}.${node.name}${node.desc} => ${node.owner}.${node.name}$desc: ${klass.name}.${method.name}${method.desc}")node.desc = desc

當(dāng)然坛善，Thread還有很多構(gòu)造函數(shù)乌询，我們就不一一舉例子去適配阔馋，相關(guān)的操作也是類似的擎椰，涉及到Executors等其他創(chuàng)建線程的方式膨桥，我們也可以通過這種指令替換的方式去進(jìn)行Thread的命名操作创葡。

線程統(tǒng)一

線程的統(tǒng)一可以依靠項目統(tǒng)一的線程池浙踢，但是這個約束不到第三方，我們可以利用ASM等工具進(jìn)行線程的統(tǒng)一灿渴，線程統(tǒng)一包括全模塊統(tǒng)一跟單模塊統(tǒng)一（特定模塊）洛波，由于單模塊統(tǒng)一涉及具體業(yè)務(wù)，比如對okhttpclient的調(diào)度線程統(tǒng)一逻杖，由于不具備通用性奋岁，需要根據(jù)模塊具體實現(xiàn)去統(tǒng)一，我們這里就不討論了荸百，單模塊統(tǒng)一有個好處就是風(fēng)險低闻伶，只影響單一模塊的線程調(diào)度。我們討論一下全模塊的統(tǒng)一够话。

在項目中蓝翰，我們有各種各樣的線程調(diào)度api，直接new Thread女嘲，Executors畜份，ThreadPoolExecutor等等，它們公共點就是都用到了Thread欣尼，最終都是靠著Thread去運行爆雹，但是想要把它們統(tǒng)一起來，我們要兼顧更上一層的api愕鼓，那么適配工作量可是不少８铺！那么我們有沒有一種黑科技菇晃，能夠簡單點就把線程統(tǒng)一到一個特定的線程池册倒，作為收口呢？（注意這里討論的是把全項目的線程統(tǒng)一磺送，包括三方庫）驻子，為了找到突破點灿意，我們先看一下最基本的Thread是怎么創(chuàng)建出來的

Thread創(chuàng)建

最常用的Thread創(chuàng)建肯定是最簡單的，我們舉個例子：

var thread = Thread{    Log.i("hello","this is my thread ${Thread.currentThread().name}")}

那么這段代碼它做了什么呢崇呵？我們要從字節(jié)碼的角度去分析缤剧，才能找到突破點。

NEW java/lang/ThreadDUPINVOKEDYNAMIC run()Ljava/lang/Runnable; [ 
 // handle kind 0x6 : INVOKESTATIC
   java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
     // arguments:
       ()V,
          // handle kind 0x6 : INVOKESTATIC  
          com/example/spider/MainActivity.onCreate$lambda-0()V,   ()V]INVOKESPECIAL java/lang/Thread.<init> (Ljava/lang/Runnable;)VASTORE 2

我們來一一說明下調(diào)用的指令：

  1. NEW 創(chuàng)建一個java/lang/Thread對象域慷，此時只是引用被創(chuàng)建鞭执，所引用的對象還沒有創(chuàng)建，并加入操作數(shù)棧頂部芒粹。
8b759f94e51dacdd69c29b00d12cb38a.jpg
  1. DUP 將操作數(shù)棧頂部的參數(shù)復(fù)制一份兄纺，并加入操作數(shù)棧。
de8af0d76ab683d3bc730c1dbed5e7d0.jpg

3.INVOKEDYNAMIC lambad用到的函數(shù)調(diào)用指令化漆，運行時綁定信息估脆，()Ljava/lang/Runnable，由于入?yún)閚ull座云，所以不消耗操作數(shù)棧的參數(shù)疙赠，返回值是Runnable，所以會在操作數(shù)棧上新加入一個Runnable對象朦拖。


2533c1a3c1e47d40fc0870237fb9c302.jpg

4.INVOKESPECIAL 構(gòu)造函數(shù)能調(diào)用到的特殊指令圃阳，即創(chuàng)建一個對象，(Ljava/lang/Runnable;)V璧帝，我們看到入?yún)⒅挥幸粋€Runnable對象捍岳，但是實際上調(diào)用INVOKESPECIAL的構(gòu)造函數(shù)隱藏了一個條件，就是需要一個被創(chuàng)建對象對應(yīng)的引用對象睬隶，這就是dup存在的原因锣夹，因為需要消耗一個Thread引用對象！這點需要注意苏潜。

25308b0434ac8f064569af20e1dc6836.jpg

5.ASTORE 2银萍，就是把操作數(shù)棧頂部的變量放到了局部變量表index為2的地方，這里為什么是2呢恤左，是由當(dāng)前運行環(huán)境決定的贴唇，靜態(tài)方法中index為0的就是參數(shù)1，而普通方法index為0的地方卻是this指針飞袋，這點是需要注意的戳气，除了index = 0 的地方有這個約定，其他index下標(biāo)其實就是函數(shù)環(huán)境的決定的授嘀。（這也側(cè)面說明物咳，存在AStore锣险，ALoad這些指令的時候蹄皱，我們很難去做通用性插樁览闰，因為這里依賴了局部變量表的具體實現(xiàn)）

524bf0eb969ec653ccb6942b05f82549.jpg

看到這里，我們就能夠明白了一個Thread創(chuàng)建的字節(jié)碼是怎么樣的了巷折。

那么我們想想看压鉴，怎么達(dá)到我們統(tǒng)一線程池的目的《途校看到Thread的創(chuàng)建過程我們就知道油吭，Thread會依賴局部變量表（第5條），所以我們?nèi)绻苯訉hread進(jìn)行操作的話署拟，是不行的婉宰，因為局部變量表的存儲index是依靠當(dāng)前環(huán)境的！其實我們統(tǒng)一線程池推穷，想要統(tǒng)一的也不一定是要統(tǒng)一Thread心包，而是統(tǒng)一Runnable執(zhí)行的線程環(huán)境對吧！突破點就來了馒铃，我們對Runnable進(jìn)行操作蟹腾，把其原本依賴執(zhí)行的Thread變成我們自己線程池的Thread是不是就可以了！

目標(biāo)明確了区宇，但是我們也需要為此做一些特定的處理娃殖，因為這種自定義指令集的處理，用其他ASM工具也是無法生成的议谷，所以我們才具體解釋相關(guān)的指令集炉爆。最終這邊的方案就是，進(jìn)行Thread調(diào)用替換卧晓，即把new Thread這個指令叶洞，替換為我們自己的MyThread的指令進(jìn)行定制化處理。步驟如下：

  1. 替換原本的INVOKESPECIAL指令調(diào)用為我們自己的MyThread調(diào)用禀崖，這里給出MyThread實現(xiàn)衩辟。
class MyThread(private val runnable: Runnable) : Thread(runnable) {
   // 調(diào)用到自己的start
   override fun start() { 
      Log.i("hello", "MyThread")
       // runnable 在定義的統(tǒng)一線程池執(zhí)行
       ThreadHelper.runInCustomPool(runnable)
   }
}
f55fb501593d1e84d10645646458bf41.jpg
  1. 原本指令返回的是Thread，由于我們替換為了MyThread波附，那么原本跟Thread強綁定的NEW指令艺晴，DUP指令就也需要變更跟MyThread類型相關(guān)的指令，我們這里就不采用替換掸屡，采取新加的方式封寞。（替換也可以，這里選擇方便處理仅财，因為操作數(shù)只對棧頂元素生效）
daec00ddb2a48a817047b0ae4aadeac9.jpg
  1. 到了這一步狈究，還不行，因為我們原本要返回的是Thread對象盏求，現(xiàn)在變成了MyThread對象抖锥，所以我們需要一個轉(zhuǎn)化指令CHECKCAST亿眠。
c2c16b463de2af82339db642c76a13c9.jpg

我們給出具體的ASM代碼：

class MyThreadHookUtils {
    static THREAD = "java/lang/Thread"    static void transform(ClassNode klass) {
            // 我們自定義的MyThread類不需要參加轉(zhuǎn)化
            if (klass.name.equals("com/example/spider/MyThread")) {
                return
            }
            klass.methods?.forEach { methodNode ->            methodNode.instructions.each {
                    if (it.opcode == Opcodes.INVOKESPECIAL) {
                        transformInvokeSpecial((MethodInsnNode) it, klass, methodNode)
                    }
                }
            }
        }
        private static void transformInvokeSpecial(MethodInsnNode node, ClassNode klass, MethodNode method) {
            // 如果不是構(gòu)造函數(shù)，就直接退出
             if (node.owner != THREAD) {
                return
            }
            println("transformInvokeSpecial")
            transformThreadInvokeSpecial(node, klass, method)
        }
        private static void transformThreadInvokeSpecial( MethodInsnNode node,            ClassNode klass,            MethodNode method    ) { 
           println("init  ===>  " + node.desc + " " + node.owner) 
           if (node.desc.equals("(Ljava/lang/Runnable;)V")) {
                int index = method.instructions.indexOf(node) 
               def dyc = method.instructions[index - 1]
                InsnList insertNodes1 = new InsnList()
                TypeInsnNode newInsnNode = new TypeInsnNode(Opcodes.NEW, "com/example/spider/MyThread")
                InsnNode dupNode = new InsnNode(Opcodes.DUP)
                insertNodes1.add(newInsnNode)
                insertNodes1.add(dupNode) 
               method.instructions.insertBefore(dyc, insertNodes1) 
               MethodInsnNode methodHookNode = new MethodInsnNode(Opcodes.INVOKESPECIAL, "com/example/spider/MyThread","<init>",                  "(Ljava/lang/Runnable;)V", false)
                TypeInsnNode typeInsnNode = new TypeInsnNode(Opcodes.CHECKCAST, "java/lang/Thread")
                InsnList insertNodes = new InsnList() 
                insertNodes.add(methodHookNode)
                insertNodes.add(typeInsnNode)
                method.instructions.insertBefore(node, insertNodes) 
                method.instructions.remove(node)
                println("hook  ===>  " + node.name + " " + node.owner + " " + method.instructions.indexOf(node))
            } 
       }
    }

這個時候磅废，任何Thread的start方法或者其他方法纳像，都會調(diào)用到我們自定義的MyThread類的方法里面，在這里做線程池統(tǒng)一的處理拯勉，就非常方便了竟趾，因為我們有Runnable對象！同時所以方法我們都可以隨意去玩了宫峦！

注意

注意的是岔帽，這種全局Thread插樁是有風(fēng)險的，在實際項目中导绷，我們會通過白名單的方式山卦，選擇性的去統(tǒng)一部分Thread，因為全局統(tǒng)一容易導(dǎo)致不可預(yù)期的問題诵次。同時還有一個非常注意的點账蓉，我們可以看到上面關(guān)于指令的代碼全部是基于index的去定位各種指令集的，NEW -> DUP ->INVOKEDYNAMIC ->INVOKESPECIAL 然而在真實項目中逾一，這個指令集順序不一定可靠铸本，因為可能會被插入其他指令或者無關(guān)指令，所以我們還有一步就是指令順序的校驗遵堵，必須是滿足NEW -> DUP ->INVOKEDYNAMIC ->INVOKESPECIAL這幾個順序的函數(shù)指令集才進(jìn)行插樁箱玷，這部分內(nèi)容比較簡單，就不列舉了陌宿，比較INSN指令的OpCode即可锡足，校驗規(guī)則按照項目實際需要。

總結(jié)

看到這里壳坪，我們對Thread應(yīng)該有了足夠的了解舶得，同時本篇也介紹了ASM相關(guān)黑科技操作在Thread類的使用！同時也是android 性能優(yōu)化系列的第一篇爽蝴，在未來我會繼續(xù)輸出更多的文章沐批，感謝大家觀看！

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