Android 系統(tǒng)越用越卡的問題，可能存在的原因

1邦泄、先 說內(nèi)存删窒。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)存中顺囊，在占用內(nèi)存未超過閾值之前不會(huì)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)清理肌索。但隨著應(yīng)用的增多，試圖保持在內(nèi)存中的進(jìn)程將會(huì)增多特碳，因此 影響系統(tǒng)的流暢度诚亚。可以說测萎，內(nèi)存與系統(tǒng)卡頓的關(guān)系早已是業(yè)界的共識(shí)亡电，其解決方案也比較明了，即賦予系統(tǒng)主動(dòng)清理內(nèi)存的能力硅瞧，例如待機(jī)后殺掉不必要的進(jìn)程份乒。

2、再聊磁盤腕唧。長(zhǎng)期使用 Android 手機(jī)必將產(chǎn)生大量的磁盤碎片或辖，而磁盤碎片將會(huì)降低磁盤的讀寫性能，從而影響系統(tǒng)流暢度枣接。但是磁盤碎片是否能對(duì)磁盤的讀寫性能造成了很大影響,以至于影響系統(tǒng)流暢度尚未可知颂暇，且暫時(shí)也沒有發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)行嘗試的潛在優(yōu)化點(diǎn)。

逐步分析

Step 0：磁盤與系統(tǒng)流暢度的關(guān)系

其實(shí)但惶，日常的生活經(jīng)驗(yàn)（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(duì)系統(tǒng)流暢度的影響很大耳鸯。但是，這里還是有再必要簡(jiǎn)單說一下膀曾，磁盤是如何影響系統(tǒng)流暢度的县爬。

開 發(fā)過 Android 項(xiàng)目的同學(xué)都知道 Android 在使用網(wǎng)絡(luò)的最佳實(shí)踐是使用3級(jí)緩存的設(shè)計(jì)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(shí)圖片存在在內(nèi)存中則加載成功添谊，否則內(nèi)存會(huì)從磁盤中加載圖片财喳，若此時(shí)圖片存在在磁盤中則加載成功，否則磁盤會(huì)最終向網(wǎng)絡(luò)中 下載圖片斩狱。

其實(shí)上述的執(zhí)行邏輯耳高，也就解釋了磁盤是 如何影響系統(tǒng)流暢度的：對(duì)于系統(tǒng)流暢度（其實(shí)也是各個(gè)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(gè)過程中內(nèi)存所踊、磁盤以及網(wǎng)絡(luò)的讀寫速度如果跟不上 CPU 的執(zhí)行效率的話泌枪，就會(huì)造成 CPU 在處理任務(wù)的時(shí)候需要花費(fèi)時(shí)間等待數(shù)據(jù)，從而影響了流暢度秕岛。

所以第一個(gè)問題就弄清楚了：磁盤的讀寫速度的降低會(huì)使得系統(tǒng)流暢度變差碌燕！那么乍赫，我們要分析的問題就轉(zhuǎn)化成：磁盤在長(zhǎng)期使用的過程中，其讀寫速度會(huì)不會(huì)降低陆蟆。

Step 1：弄清 Android 磁盤的讀寫機(jī)制

為了分析清楚磁盤“磁盤在長(zhǎng)期使用的過程中，其讀寫速度會(huì)不會(huì)降低”這個(gè)問題惋增，我們有必要先弄明白 Android 磁盤所采用的讀寫機(jī)制叠殷。

通 過資料查閱，我們了解到目前诈皿，Android 手機(jī)大多采用 NAND Flash 架構(gòu)的閃存卡來存儲(chǔ)內(nèi)容林束。NAND Flash 的內(nèi)部存儲(chǔ)單位從小到大依次為：Page、Block稽亏、Plane壶冒、Die，而一個(gè) Device 上可以封裝若干個(gè) Die截歉。下圖就是一個(gè) NAND Flash 組成結(jié)構(gòu)的示意圖胖腾。

為了方便理解，針對(duì)一個(gè) Die瘪松，我們?cè)俪橄笠幌孪套鳎琍age、Block宵睦、Plane记罚、Die 的關(guān)系如下圖所示。

雖然 NAND Flash 的優(yōu)點(diǎn)多多壳嚎，但是為了延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器的壽命桐智，它的讀寫操作均是以 Page 為單位進(jìn)行的，但擦除操作卻是按 Block 為單位進(jìn)行的烟馅。

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

刪除數(shù)據(jù)時(shí)，芯片將標(biāo)記這些 Page 為閑置狀態(tài)焙糟，但并不會(huì)立馬執(zhí)行擦除操作口渔。

寫入數(shù)據(jù)時(shí)，如果目前磁盤剩余空間充足穿撮，則由芯片指定 Block 后直接按 Page 為單位進(jìn)行寫入即可缺脉。

寫入數(shù)據(jù)時(shí)，如果目前磁盤剩余空間不足悦穿，為了獲得足夠的空間攻礼，磁盤先將某塊 Block 的內(nèi)容讀至緩存，然后再在該 Block 上進(jìn)行擦除操作栗柒，最后將新內(nèi)容與原先內(nèi)容一起寫入至該 Block礁扮。

那 么問題來了知举！假如現(xiàn)在我要向磁盤中寫入一張圖片的數(shù)據(jù)，這個(gè)圖片的數(shù)據(jù)大小剛好為一個(gè) Page太伊。最壞的情況就是雇锡，內(nèi)存中恰好只有一個(gè) Block 恰好有一個(gè) Page 的無效數(shù)據(jù)可以擦除。為了存下這張圖片僚焦，于是主控就把這個(gè) Block 的所有數(shù)據(jù)讀至緩存锰提，擦除Block上的內(nèi)容，再向緩存中加上這個(gè)4KB 新數(shù)據(jù)后最后寫回 Block 中芳悲。

我 的天啊立肘，其實(shí)想存儲(chǔ)的就是1個(gè) Page 的圖片內(nèi)容，但是實(shí)際上確造成了整個(gè) Block 的內(nèi)容都被重新寫入名扛，同時(shí)原本簡(jiǎn)單一步搞定的事情被還被分成了前后四步執(zhí)行（閃存讀取谅年、緩存改、閃存擦除肮韧、閃存寫入）造成延遲大大增加融蹂，速度變慢。這就是 傳說中的“寫入放大”（Write Amplification）問題弄企。而“寫入放大”也說明了磁盤在長(zhǎng)期使用的過程中殿较，其讀寫速度（尤其是寫入速度）會(huì)存在降低的現(xiàn)象。

Step 2：解決“寫入放大”問題的技術(shù)——TRIM

不過桩蓉，既然“寫入放大”（Write Amplification）都這么出名了淋纲，肯定不會(huì)沒有現(xiàn)成的解決方案的！這個(gè)很簡(jiǎn)單院究，Google 一下洽瞬，我們就知道解決方案就是 TRIM 技術(shù)。

TRIM 是一條 ATA 指令业汰，由操作系統(tǒng)發(fā)送給閃存主控制器伙窃，告訴它哪些數(shù)據(jù)占的地址是“無效”的。在 TRIM 的幫助下样漆，閃存主控制器就可以提前知道哪些 Page 是“無效”的为障，便可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)做出優(yōu)化，從而改善性能放祟。這里要強(qiáng)調(diào)下鳍怨，TRIM 只是條指令，讓操作系統(tǒng)告訴閃存主控制器這個(gè) Page 已經(jīng)“無效”就算完了跪妥，并沒有任何其它多余的操作鞋喇。在測(cè)試的過程中，我們發(fā)現(xiàn) TRIM 的觸發(fā)需要操作系統(tǒng)眉撵、驅(qū)動(dòng)程序以及閃存主控三者都支持才能真正意義上實(shí)現(xiàn)侦香。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)落塑，目前常見有兩種方案可以解決“寫入放大”的問題：

discard 選項(xiàng)。該方案將在掛載 ext4 分區(qū)時(shí)加上 discard 選項(xiàng)罐韩，此后操作系統(tǒng)在執(zhí)行每一個(gè)磁盤操作時(shí)同時(shí)都會(huì)執(zhí)行 TRIM 指令憾赁。該方案的優(yōu)點(diǎn)是總體耗時(shí)短，但影響會(huì)到刪除文件時(shí)的性能散吵。

fstrim 命令缠沈。該方案將選擇合適的時(shí)機(jī)對(duì)整個(gè)分區(qū)執(zhí)行 TRIM 操作。相對(duì)于方案一错蝴，該方案總體耗時(shí)較長(zhǎng)，但不會(huì)影響正常操作時(shí)的磁盤性能颓芭。

不得不說顷锰，如果從用戶的角度出發(fā)，還是 FSTRIM 的方法更靠譜一些亡问，但如何尋找合適的 TRIM 時(shí)機(jī)就是一個(gè)比較講究的問題了官紫。

Step 3：TRIM 在 Android 中的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面的分析，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(shí)現(xiàn)州藕。那么束世，Google 又是如何設(shè)計(jì)觸發(fā)TRIM的時(shí)機(jī)呢？

通 過走讀 Android 源碼（AOSP 4.4.4）床玻，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(shí)觸發(fā) TRIM毁涉。根據(jù) IdleMaintenanceService.java 源碼，我們繪制了 fstrim 的觸發(fā)示意圖如下：

注釋：

有/無操作：距屏幕熄滅||屏保啟動(dòng)已超過71分鐘

是/否電量充足：維護(hù)期20%锈死，非維護(hù)期（充電狀態(tài)30%贫堰，非充電狀態(tài)80%）

是/否維護(hù)超時(shí)：?jiǎn)?dòng)維護(hù)已超過71分鐘

是/否已到維護(hù)期：據(jù)上次啟動(dòng)維護(hù)超過1天

Step 4：分析閃存碎片及 TRIM 對(duì)磁盤 I/O 性能的影響

了解了這么多技術(shù)背景，那我們通過測(cè)試數(shù)據(jù)分析閃存碎片和 TRIM 對(duì)磁盤 I/O 性能的影響待牵。根據(jù)測(cè)試目的其屏，具體的測(cè)試設(shè)置如下：

測(cè)試目的：

評(píng)估閃存碎片和TRIM對(duì)磁盤 I/O 性能的影響

測(cè)試方案：

測(cè)試對(duì)象：LG Nexus 5 with cm-11-20140805-SNAPSHOT-M9-hammerhead

測(cè)試步驟：

重新刷機(jī)，使用 Bonnie++ 測(cè)試 SD 卡目錄的 I/O 性能缨该；

模擬長(zhǎng)期使用 SD 卡的過程（期間需要避免TRIM觸發(fā)）偎行，使用 Bonnie++ 測(cè)試 SD 卡目錄的 I/O 性能；

主動(dòng)觸發(fā) TRIM贰拿，使用 Bonnie++ 測(cè)試 SD 卡目錄的 I/O 性能蛤袒。

備注：

模擬長(zhǎng)期使用 SD 卡的過程的方法：開發(fā)專用的測(cè)試應(yīng)用，該應(yīng)用將向 SD 卡目錄不停寫入大小隨機(jī)的文件膨更，當(dāng) SD 卡剩余空間不足時(shí)將刪除所寫入的文件汗盘，然后繼續(xù)上述操作直到應(yīng)用退出。

避免 TRIM 觸發(fā)的方法：根據(jù) Android 的觸發(fā)過程分析询一，只需設(shè)置屏幕常亮并即可避免 TRIM 的觸發(fā)隐孽。

測(cè)試數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)解讀：

通過反復(fù)擦寫 SD 卡癌椿，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)下滑明顯菱阵；

Sequential Output-Block 可以反映分配磁盤文件空間的效率踢俄，經(jīng)反復(fù)擦寫 SD 卡后，該效率降低至原始值的15-20%晴及，應(yīng)該是大量的磁盤閑置數(shù)據(jù)塊造成的影響都办；

Sequential Output-Rewrite 可以反映文件系統(tǒng)緩存和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋?jīng)反復(fù)擦寫 SD 卡制造閑置數(shù)據(jù)塊后虑稼，該效率降低至原始值的50%琳钉。

主動(dòng)調(diào)用 TRIM 后，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）蛛倦。

測(cè)試結(jié)論：

在 TRIM 無效的情況下歌懒，長(zhǎng)期使用 SD 卡，磁盤寫入速度會(huì)受到明顯影響;

TRIM 對(duì)因閑置數(shù)據(jù)塊造成的 I/O 性能下降有一定的恢復(fù)作用溯壶；

大量的讀寫操作對(duì) SD 卡造成了一定量的不可恢復(fù)的損耗及皂。

Step 5：FSTRIM 系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)測(cè)試

完成了上面的工作，不由得讓我們大吃一鯨：原來 TRIM 對(duì) SD 卡的讀寫速度的維護(hù)如此重要且改！前面也說到验烧，Android 選擇 FSTRIM 方案的來實(shí)現(xiàn) TRIM，那么 Android 所設(shè)計(jì)的 FSTRIM 觸發(fā)時(shí)機(jī)有沒有什么問題呢又跛？

根據(jù) Android 系統(tǒng)的設(shè)定碍拆，F(xiàn)STRIM 預(yù)期是每隔24小時(shí)觸發(fā)一次。所以慨蓝，接下來我們需要評(píng)估一下倔监，F(xiàn)STRIM 能否依據(jù)上述設(shè)定成功被系統(tǒng)觸發(fā)。

測(cè)試目的：

分析 FSTRIM 能否被按時(shí)被系統(tǒng)觸發(fā)

測(cè)試方案：

測(cè)試對(duì)象：2臺(tái) Samsung Galaxy Nexus 及2臺(tái) LG Nexus 5

測(cè)試步驟：

刷機(jī)后菌仁，安裝常用應(yīng)用并啟動(dòng)（均無SIM卡浩习，其中1臺(tái)設(shè)備開啟 Wifi，另1臺(tái)設(shè)備關(guān)閉 Wifi）济丘；

進(jìn)行 Log 記錄谱秽；

強(qiáng)制執(zhí)行一次 FSTRIM；

滅屏等待30小時(shí)左右摹迷，提取 Log 記錄進(jìn)行分析疟赊。

測(cè)試數(shù)據(jù)：

開啟WiFi

關(guān)閉WiFi

Samsung Galaxy Nexus啟動(dòng)FSTRIM 1次啟動(dòng)FSTRIM 1次

LG Nexus 5未啟動(dòng)FSTRIM啟動(dòng)FSTRIM 1次

數(shù)據(jù)解讀：

FSTRIM 大多數(shù)情況會(huì)被自動(dòng)觸發(fā)，但也存在無法觸發(fā)的情況峡碉；

根據(jù) FSTRIM 的觸發(fā)邏輯近哟，是否開啟 WIFI 對(duì) 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(cè)試結(jié)論：

測(cè) 試數(shù)據(jù)顯示 FSTRIM 大多數(shù)情況會(huì)被自動(dòng)觸發(fā)鲫寄，但也存在無法觸發(fā)的情況吉执》枰可能的原因是：FSTRIM 對(duì)電量的要求略高，所以一旦發(fā)生意外情況（如應(yīng)用的 PUSH 消息）終止了計(jì)劃 FSTRIM 的執(zhí)行之后戳玫，很長(zhǎng)時(shí)間之內(nèi)都無法再滿足 FSTRIM 的啟動(dòng)條件熙掺。

所以，如需提高其觸發(fā)頻率咕宿，我們可以考慮降低觸發(fā)條件中對(duì)電量的要求币绩。

總結(jié)：

磁盤碎片（更準(zhǔn)確的說法是 SD 卡中的閑置數(shù)據(jù)塊）會(huì)嚴(yán)重影響磁盤的讀寫性能，可能會(huì)導(dǎo)致 Android 系統(tǒng)越用越卡府阀，而 Android 系統(tǒng)的 FSTRIM 對(duì)此有恢復(fù)的作用缆镣；

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析， FSTRIM 并不一定能夠按期（每天一次）執(zhí)行试浙。而導(dǎo)致這一問題的原因可能是 IdleMaintenanceService 對(duì)電量的要求過高（未充電狀態(tài)下大于80%）董瞻。

優(yōu)化：

FSTRIM 對(duì)電量的要求略高，如需提高其觸發(fā)頻率可以從降低觸發(fā)條件中對(duì)電量的要求川队；

在必要的情況下，可以發(fā)送特定的 Intent 事件睬澡，使系統(tǒng)強(qiáng)制觸發(fā) FSTRIM固额。