在業(yè)內(nèi)苫拍，Android手機一直有著“越用越慢”的口碑芜繁。根據(jù)第三方的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，有77%的Android手機用戶承認(rèn)自己曾遭遇過手機變慢的影響绒极。他們不明白為什么購買之初“如絲般順滑”的Android手機骏令，在使用不到一年之后都會“卡頓”得讓人抓狂！根據(jù)我們初步的測試數(shù)據(jù)垄提，手機長期所使用產(chǎn)生的磁盤碎片可以使得磁盤的寫入效率下降為原來的50%榔袋。是不是有一種“嚇?biāo)辣緦殞毩恕钡母杏X。

那么怎么辦呢铡俐？筆者曾經(jīng)對這一問題進(jìn)行分析凰兑，且讓我一一向你道來。

故事起因

故事的起因是审丘，針對“Android系統(tǒng)越用越卡的問題”吏够，騰訊某產(chǎn)品團隊希望在自身產(chǎn)品中進(jìn)行優(yōu)化，從而提升產(chǎn)品口碑滩报。

經(jīng)過簡單的分析討論稿饰，大家認(rèn)為造成這種現(xiàn)象可能是由于兩個方面原因：內(nèi)存、磁盤：

• 先說內(nèi)存露泊。為了保證應(yīng)用可以快速被再次調(diào)起，Android在內(nèi)存管理上采用如下策略：進(jìn)程保持在內(nèi)存中旅择，在占用內(nèi)存未超過閾值之前不會系統(tǒng)進(jìn)行主動清理惭笑。但隨著應(yīng)用的增多，試圖保持在內(nèi)存中的進(jìn)程將會增多生真，因此影響系統(tǒng)的流暢度沉噩。可以說柱蟀，內(nèi)存與系統(tǒng)卡頓的關(guān)系早已是業(yè)界的共識川蒙，其解決方案也比較明了，即賦予系統(tǒng)主動清理內(nèi)存的能力长已，例如待機后殺掉不必要的進(jìn)程畜眨。

• 再聊磁盤昼牛。長期使用Android手機必將產(chǎn)生大量的磁盤碎片，而磁盤碎片將會降低磁盤的讀寫性能康聂，從而影響系統(tǒng)流暢度贰健。但是磁盤碎片是否能對磁盤的讀寫性能造成了很大影響,以至于影響系統(tǒng)流暢度尚未可知，且暫時也沒有發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)行嘗試的潛在優(yōu)化點恬汁。

于是伶椿，產(chǎn)品團隊找到了我們專項測試組，希望分析Android越用越卡與磁盤是否有關(guān)系氓侧，并初步探索系統(tǒng)在磁盤管理模式方面是否存在潛在優(yōu)化點脊另。這就有了下文。

逐步分析

Step 0：磁盤與系統(tǒng)流暢度的關(guān)系

其實约巷，日常的生活經(jīng)驗（例如SSD可以讓老筆記本煥發(fā)新生）已經(jīng)我們能夠感覺得到磁盤對系統(tǒng)流暢度的影響很大偎痛。但是，這里還是有再必要簡單說一下载庭，磁盤是如何影響系統(tǒng)流暢度的看彼。

開發(fā)過Android項目的同學(xué)都知道Android在使用網(wǎng)絡(luò)的最佳實踐是使用3級緩存的設(shè)計來提升系統(tǒng)的流暢度并節(jié)省流量：CPU首先嘗試從內(nèi)存中加載圖片，若此時圖片存在在內(nèi)存中則加載成功囚聚，否則內(nèi)存會從磁盤中加載圖片靖榕，若此時圖片存在在磁盤中則加載成功，否則磁盤會最終向網(wǎng)絡(luò)中下載圖片顽铸。

其實上述的執(zhí)行邏輯茁计，也就解釋了磁盤是如何影響系統(tǒng)流暢度的：對于系統(tǒng)流暢度（其實也是各個應(yīng)用的流暢度）影響最直接的就是CPU的執(zhí)行效率，但是如果這個過程中內(nèi)存谓松、磁盤以及網(wǎng)絡(luò)的讀寫速度如果跟不上CPU的執(zhí)行效率的話星压，就會造成CPU在處理任務(wù)的時候需要花費時間等待數(shù)據(jù)，從而影響了流暢度鬼譬。

所以第一個問題就弄清楚了：磁盤的讀寫速度的降低會使得系統(tǒng)流暢度變差娜膘！那么，我們要分析的問題就轉(zhuǎn)化成：磁盤在長期使用的過程中优质，其讀寫速度會不會降低竣贪。

Step 1：弄清Android磁盤的讀寫機制

為了分析清楚磁盤“磁盤在長期使用的過程中，其讀寫速度會不會降低”這個問題巩螃，我們有必要先弄明白Android磁盤所采用的讀寫機制演怎。

通過資料查閱，我們了解到目前避乏，Android手機大多采用NAND Flash架構(gòu)的閃存卡來存儲內(nèi)容爷耀。NAND Flash的內(nèi)部存儲單位從小到大依次為：Page、Block拍皮、Plane歹叮、Die跑杭，而一個Device上可以封裝若干個Die。下圖就是一個NAND Flash組成結(jié)構(gòu)的示意圖盗胀。

NAND Flash組成結(jié)構(gòu)的示意圖

為了方便理解艘蹋，針對一個Die，我們再抽象一下票灰，Page女阀、Block、Plane屑迂、Die的關(guān)系如下圖所示浸策。

NAND Flash中Page、Block惹盼、Plane庸汗、Die的關(guān)系

雖然NAND Flash的優(yōu)點多多，但是為了延長驅(qū)動器的壽命手报，它的讀寫操作均是以Page為單位進(jìn)行的蚯舱，但擦除操作卻是按Block為單位進(jìn)行的。

由于有大量的讀寫操作掩蛤，于是我們的NAND Flash制定了如下的讀寫規(guī)則：

1. 刪除數(shù)據(jù)時枉昏，芯片將標(biāo)記這些Page為閑置狀態(tài)，但并不會立馬執(zhí)行擦除操作揍鸟。
2. 寫入數(shù)據(jù)時兄裂，如果目前磁盤剩余空間充足，則由芯片指定Block后直接按Page為單位進(jìn)行寫入即可阳藻。
3. 寫入數(shù)據(jù)時晰奖，如果目前磁盤剩余空間不足，為了獲得足夠的空間腥泥，磁盤先將某塊Block的內(nèi)容讀至緩存匾南，然后再在該Block上進(jìn)行擦除操作，最后將新內(nèi)容與原先內(nèi)容一起寫入至該Block蛔外。

那么問題來了蛆楞！假如現(xiàn)在我要向磁盤中寫入一張圖片的數(shù)據(jù)，這個圖片的數(shù)據(jù)大小剛好為一個Page冒萄。最壞的情況就是，內(nèi)存中恰好只有一個Block恰好有一個Page的無效數(shù)據(jù)可以擦除橙数。為了存下這張圖片尊流，于是主控就把這個Block的所有數(shù)據(jù)讀至緩存，擦除Block上的內(nèi)容灯帮，再向緩存中加上這個4KB新數(shù)據(jù)后最后寫回Block中崖技。

我的天啊逻住，其實想存儲的就是1個Page的圖片內(nèi)容，但是實際上確造成了整個Block的內(nèi)容都被重新寫入迎献，同時原本簡單一步搞定的事情被還被分成了前后四步執(zhí)行（閃存讀取瞎访、緩存改、閃存擦除吁恍、閃存寫入）造成延遲大大增加扒秸，速度變慢。這就是傳說中的“寫入放大”（Write Amplification）問題冀瓦。而“寫入放大”也說明了磁盤在長期使用的過程中伴奥，其讀寫速度（尤其是寫入速度）會存在降低的現(xiàn)象。

Step 2：解決“寫入放大”問題的技術(shù)——TRIM

不過翼闽，既然“寫入放大”（Write Amplification）都這么出名了拾徙，肯定不會沒有現(xiàn)成的解決方案的！這個很簡單感局，Google一下尼啡，我們就知道解決方案就是TRIM技術(shù)。

TRIM是一條ATA指令询微，由操作系統(tǒng)發(fā)送給閃存主控制器崖瞭，告訴它哪些數(shù)據(jù)占的地址是“無效”的。在TRIM的幫助下拓提，閃存主控制器就可以提前知道哪些Page是“無效”的读恃，便可以在適當(dāng)?shù)臅r機做出優(yōu)化，從而改善性能代态。這里要強調(diào)下寺惫，TRIM只是條指令，讓操作系統(tǒng)告訴閃存主控制器這個Page已經(jīng)“無效”就算完了蹦疑，并沒有任何其它多余的操作西雀。在測試的過程中，我們發(fā)現(xiàn)TRIM的觸發(fā)需要操作系統(tǒng)歉摧、驅(qū)動程序以及閃存主控三者都支持才能真正意義上實現(xiàn)艇肴。例如：

• 操作系統(tǒng)不支持的情況：Android 4.3以下均不支持
• 閃存主控不支持的情況：Samsung Galaxy Nexus（I9250）所選用的閃存不支持

基于TRIM技術(shù)，目前常見有兩種方案可以解決“寫入放大”的問題：

1. discard選項叁温。該方案將在掛載 ext4 分區(qū)時加上 discard 選項再悼，此后操作系統(tǒng)在執(zhí)行每一個磁盤操作時同時都會執(zhí)行 TRIM 指令。該方案的優(yōu)點是總體耗時短膝但，但影響會到刪除文件時的性能冲九。
2. fstrim命令。該方案將選擇合適的時機對整個分區(qū)執(zhí)行TRIM操作跟束。相對于方案一莺奸，該方案總體耗時較長丑孩，但不會影響正常操作時的磁盤性能。

不得不說灭贷，如果從用戶的角度出發(fā)温学，還是FSTRIM的方法更靠譜一些，但如何尋找合適的TRIM時機就是一個比較講究的問題了甚疟。

Step 3：TRIM在Android中的實現(xiàn)

根據(jù)前面的分析仗岖，我們不難理解在Android中的 TRIM 選擇通過fstrim命令的方式進(jìn)行實現(xiàn)。那么古拴，Google又是如何設(shè)計觸發(fā)TRIM的時機呢箩帚？

通過走讀Android源碼（AOSP 4.4.4），可以了解到Android通過系統(tǒng)服務(wù)IdleMaintenanceService來進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控并決定何時觸發(fā)TRIM黄痪。根據(jù)IdleMaintenanceService.java源碼紧帕，我們繪制了fstrim的觸發(fā)示意圖如下：

Android中fstrim的觸發(fā)邏輯

注釋：

• 有/無操作：距屏幕熄滅||屏保啟動已超過71分鐘
• 是/否電量充足：維護期20%，非維護期（充電狀態(tài)30%桅打，非充電狀態(tài)80%）
• 是/否維護超時：啟動維護已超過71分鐘
• 是/否已到維護期：據(jù)上次啟動維護超過1天

Step 4：分析閃存碎片及TRIM對磁盤I/O性能的影響

了解了這么多技術(shù)背景是嗜，那我們通過測試數(shù)據(jù)分析閃存碎片和TRIM對磁盤I/O性能的影響。根據(jù)測試目的挺尾，具體的測試設(shè)置如下：

• 測試目的：

評估閃存碎片和TRIM對磁盤I/O性能的影響

• 測試方案：

測試對象：LG Nexus 5 with cm-11-20140805-SNAPSHOT-M9-hammerhead

測試步驟：

1. 重新刷機鹅搪，使用Bonnie++測試SD卡目錄的I/O性能；
2. 模擬長期使用SD卡的過程（期間需要避免TRIM觸發(fā)）遭铺，使用Bonnie++測試SD卡目錄的I/O性能丽柿；
3. 主動觸發(fā)TRIM，使用Bonnie++測試SD卡目錄的I/O性能魂挂。

備注：

1. 模擬長期使用SD卡的過程的方法：開發(fā)專用的測試應(yīng)用甫题，該應(yīng)用將向SD卡目錄不停寫入大小隨機的文件，當(dāng)SD卡剩余空間不足時將刪除所寫入的文件涂召，然后繼續(xù)上述操作直到應(yīng)用退出坠非。
2. 避免TRIM觸發(fā)的方法：根據(jù)Android的觸發(fā)過程分析，只需設(shè)置屏幕常亮并即可避免TRIM的觸發(fā)果正。

• 測試數(shù)據(jù)：

閃存碎片和TRIM對磁盤I/O性能影響測試結(jié)果

數(shù)據(jù)解讀：

1. 通過反復(fù)擦寫SD卡炎码，可以發(fā)現(xiàn)SD卡的I/O效率指標(biāo)均存在一定幅度的下滑，其中反映磁盤空間分配性能及文件數(shù)據(jù)寫回性能的指標(biāo)下滑明顯秋泳；
2. Sequential Output-Block可以反映分配磁盤文件空間的效率潦闲，經(jīng)反復(fù)擦寫SD卡后，該效率降低至原始值的15-20%迫皱，應(yīng)該是大量的磁盤閑置數(shù)據(jù)塊造成的影響歉闰；
3. Sequential Output-Rewrite可以反映文件系統(tǒng)緩存和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣让?jīng)反復(fù)擦寫SD卡制造閑置數(shù)據(jù)塊后荞估，該效率降低至原始值的50%拌夏。
4. 主動調(diào)用TRIM后慧耍，可以發(fā)現(xiàn)SD卡的I/O效率指標(biāo)均恢復(fù)至接近原始值水平（但仍未完全達(dá)到初始狀態(tài)的水平）既绩。

• 測試結(jié)論：

1. 在TRIM無效的情況下概龄，長期使用SD卡，磁盤寫入速度會受到明顯影響;
2. TRIM對因閑置數(shù)據(jù)塊造成的I/O性能下降有一定的恢復(fù)作用饲握；
3. 大量的讀寫操作對SD卡造成了一定量的不可恢復(fù)的損耗私杜。

Step 5：FSTRIM系統(tǒng)自動觸發(fā)測試

完成了上面的工作，不由得讓我們大吃一鯨：原來TRIM對SD卡的讀寫速度的維護如此重要救欧！前面也說到衰粹，Android選擇FSTRIM方案的來實現(xiàn)TRIM，那么Android所設(shè)計的FSTRIM觸發(fā)時機有沒有什么問題呢笆怠？

根據(jù)Android系統(tǒng)的設(shè)定铝耻，F(xiàn)STRIM預(yù)期是每隔24小時觸發(fā)一次。所以蹬刷，接下來我們需要評估一下瓢捉，F(xiàn)STRIM能否依據(jù)上述設(shè)定成功被系統(tǒng)觸發(fā)。

• 測試目的：

分析FSTRIM能否被按時被系統(tǒng)觸發(fā)

• 測試方案：

測試對象：2臺Samsung Galaxy Nexus 及2臺LG Nexus 5

測試步驟：

1. 刷機后办成，安裝常用應(yīng)用并啟動（均無SIM卡泡态，其中1臺設(shè)備開啟Wifi，另1臺設(shè)備關(guān)閉Wifi）迂卢；
2. 進(jìn)行Log記錄某弦；
3. 強制執(zhí)行一次FSTRIM；
4. 滅屏等待30小時左右而克，提取Log記錄進(jìn)行分析靶壮。

• 測試數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)解讀：

1. FSTRIM大多數(shù)情況會被自動觸發(fā)，但也存在無法觸發(fā)的情況拍摇；
2. 根據(jù)FSTRIM的觸發(fā)邏輯亮钦，是否開啟WIFI對FSTRIM的影響主要是有無推送消息（影響滅屏條件）以及不同的耗電。

• 測試結(jié)論：

測試數(shù)據(jù)顯示FSTRIM大多數(shù)情況會被自動觸發(fā)充活，但也存在無法觸發(fā)的情況蜂莉。可能的原因是：FSTRIM對電量的要求略高混卵，所以一旦發(fā)生意外情況（如應(yīng)用的PUSH消息）終止了計劃FSTRIM的執(zhí)行之后映穗，很長時間之內(nèi)都無法再滿足FSTRIM的啟動條件。

所以幕随，如需提高其觸發(fā)頻率蚁滋，我們可以考慮降低觸發(fā)條件中對電量的要求。

總結(jié)&思考：

根據(jù)前面的分析，我們可以從Android源碼及測試數(shù)據(jù)對前面兩個問題做出回答：

1. 磁盤碎片（更準(zhǔn)確的說法是SD卡中的閑置數(shù)據(jù)塊）會嚴(yán)重影響磁盤的讀寫性能辕录，可能會導(dǎo)致Android系統(tǒng)越用越卡睦霎，而Android系統(tǒng)的FSTRIM對此有恢復(fù)的作用；
2. 經(jīng)過實驗分析走诞， FSTRIM并不一定能夠按期（每天一次）執(zhí)行副女。而導(dǎo)致這一問題的原因可能是IdleMaintenanceService對電量的要求過高（未充電狀態(tài)下大于80%）。

當(dāng)然蚣旱，我們可以通過一下手段對這一問題做出優(yōu)化嘗試：

1. FSTRIM對電量的要求略高碑幅，如需提高其觸發(fā)頻率可以從降低觸發(fā)條件中對電量的要求；
2. 在必要的情況下塞绿，可以發(fā)送特定的Intent事件沟涨，使系統(tǒng)強制觸發(fā)FSTRIM。

至此异吻，我們也大致解答了項目組提出的問題裹赴，這個故事也基本可以告一段落了。
回顧整個分析問題的過程诀浪，我發(fā)現(xiàn)篮昧，作為一名專項測試人員，盡管我并不需要實際編寫項目中的任何一句代碼笋妥，但這并不意味著我不需要了解Android及其Framework的代碼懊昨。實際上，只有在平時的學(xué)習(xí)和工作中了解其工作機制的基礎(chǔ)上春宣，我們才能設(shè)計出合理的測試方案酵颁，從而更好的完成工作。