鸿蒙（HarmonyOS）性能优化实战-Trace使用教程

概述

OpenHarmony的DFX子系统提供了为应用框架以及系统底座核心模块的性能打点能力，每一处打点即是一个Trace，其上附带了记录执行时间、运行时格式化数据、进程或线程信息等。开发者可以使用SmartPerf-Host调试工具对Trace进行解析，在其绘制的泳道图中，对应用运行过程中的性能热点进行分析，得出优化方案。本文旨在介绍OpenHarmony中常用的Trace，解释它们的含义和用途，并阐述如何通过这些Trace来识别潜在的性能问题。同时，我们还将详细介绍Trace的工作原理，帮助读者更好地理解这些Trace及如何实现性能数据的采集和分析。通过本文的阅读，读者将对OpenHarmony中的Trace有一个深入的了解，为应用程序性能优化提供有力支持。

常用Trace及含义

下面将从渲染流程入手，配合常用场景介绍常用Trace。

渲染流程

与其他操作系统相同，OpenHarmony也是由Vsync信号控制每一帧绘制操作的时机。Vsync信号是一个垂直同步信号，它指示显示器在垂直空白期之后开始下一帧的刷新。设备的屏幕以固定的频率发送Vsync信号，以刷新率60Hz举例，则屏幕每隔16.6ms发送一次Vsync信号。在收到Vsync信号后，UI后端引擎开始准备屏幕的下一帧绘制，然后应用程序提交渲染命令，用于描述图形绘制、纹理设置、着色器使用等。一旦应用程序提交了渲染命令，UI后端引擎会将其添加到渲染队列中，并在合适的时机执行这些渲染命令，通常会在后台线程执行，以确保主线程不被长时间阻塞。当这些渲染命令被UI后端引擎执行时，它们会被传递给图形系统Render Service进行处理，图形系统会根据命令进行相应的图形计算和渲染操作，如顶点变换、光照、纹理贴图等。在图形系统完成渲染后，渲染结果将被写入帧缓冲区。帧缓冲区是一个内存区域，存储用于显示器输出的图像数据。一旦帧缓冲区更新完成，UI后端引擎会等待直到下一个Vsync信号到来，这个过程是为了确保渲染结果在显示器垂直消隐之前准备好。当下一个Vsync信号到来时，UI后端引擎将已经准备好的帧缓冲区的内容发送给显示器，显示器根据这些数据刷新自己的像素，至此完成一整个渲染周期。如图1所示。

图1 渲染流程图

从Trace角度来看，一帧的渲染流程如下：

（1）Vsync信号到达；
（2）UI后端引擎进行第一帧绘制；
（3）向Render Service通信，传输绘制命令并请求一帧；
（4）Render Service对多个图层进行合并，计算刷新区域，然后进行渲染和绘制本帧；
（5）完成一帧绘制后交给屏幕。

一帧的渲染流程中的UI后端引擎的常用Trace的含义如图2所示。

图2 UI后端引擎渲染Trace泳道图

序号Trace参数说明描述
1OnVsyncEvent now:%" PRIu64 "当前时间戳–纳秒级收到Vsync信号，渲染流程开始
2FlushVsync刷新视图同步事件，包括记录帧信息、刷新任务、绘制渲染上下文、处理用户输入
3UITaskScheduler::FlushTask刷新UI界面，包括布局、渲染和动画等
4FlushMessages发送消息通知图形侧进行渲染
5FlushLayoutTask执行布局任务
6FlushRenderTask %zu当前页面上的需要渲染的节点的数量总渲染任务执行
7Layout节点布局
8FrameNode::RenderTask单个渲染任务执行
9ListLayoutAlgorithm::MeasureListItem:%d当前列表项索引计算列表项的布局尺寸

图形图像子系统中的Render Service，是负责界面内容绘制的部件，处理由各个应用提交的统一渲染任务，将不同应用渲染的图层进行合并、送显。在收到每个Vsync周期信号时，首先处理应用提交的指令，包括应用渲染树节点的新增、删除、修改，然后进行动画计算和遮挡计算，以上是为了对统一渲染树进行更新。接下来开始对渲染树执行绘制，首先预处理每个节点，计算绝对位置和脏区信息，然后针对脏区进行绘制，优先使用硬件合成器进行绘制，当遇到无法合成绘制的，交由GPU执行重绘，绘制的所有结果都将存入屏幕缓冲区，最后将绘制结果提交送显、上屏展示。

当Vsync信号刷新时，如图3所示。

图3 RS侧渲染Trace泳道图

序号Trace描述
1RSMainThread::DoComposition合成渲染树上各节点图层
2RSMainThread::ProcessCommand处理client端指令
3Animate动画处理
4RSMainThread::CalcOcclusion遮挡计算
5ProcessDisplayRenderNode[x]单个显示器画面的绘制流程
6ProcessSurfaceNode:x单个节点的合成器处理
7Repaint硬件合成器合成绘制
8Redraw无法进行合成，则执行重绘
9RenderFrameGPU执行绘制
10SwapBuffers刷新屏幕缓冲区
11Commit绘制结果提交上屏

懒加载

懒加载使用LazyForEach实现，LazyForEach从提供的数据源中按需迭代数据，并在每次迭代过程中创建相应的组件。当LazyForEach在滚动容器中使用时，框架会根据滚动容器可视区域按需创建组件。当组件滑出可视区域外时，框架会进行组件销毁以降低内存占用。图4抓取的是懒加载过程中一帧的Trace。

图4 懒加载Trace泳道图

序号Trace参数说明描述
1OnIdle, targettime:%" PRId64 "时间戳，在这个时间之前完成该任务idle事件循环中检查是否有新的事件需要处理，如果有，则将任务调度器加入UI线程中并执行预测任务
2expiringItem_ count:[%zu]懒加载Item的个数预构建，包含处理所有懒加载项
3List predict添加预测布局任务
4Builder:BuildLazyItem [%d]需创建的项目索引在需要时创建项，并进行缓存
5Layout[%s][self:%d][parent:%d]tag标签，当前节点在UINode树中的索引，父节点在UINode树中的索引当前帧节点布局
6Build[%s][self:%d][parent:%d]tag标签，当前节点在UINode树中的索引，父节点在UINode树中的索引当前帧节点构建
7CustomNode:BuildRecycle %sJS视图名称触发复用渲染
8ExecuteJS执行JS代码

页面加载

当触发页面加载时，OpenHarmony会创建一个新的页面实例，然后按照特定的程序调用页面的生命周期方法。在生命周期方法中加载页面的布局，然后将数据绑定到页面上的视图元素，使页面能够显示和更新数据。图5抓取的是页面加载中一帧的Trace。

图5 页面加载帧Trace泳道图

序号Trace参数说明描述
1PageRouterManager::RunPage页面路由预处理及加载页面
2PageRouterManager::LoadPage加载页面并路由
3JsiDeclarativeEngine::LoadPageSource加载一个JavaScript文件并将其解析为ABC字节码
4JsiDeclarativeEngine::LoadJsWithModule Execute Page code : %s页面url地址执行页面代码
5Build[%s][self:%d][parent:%d]tag标签，当前节点在UINode树中的索引，父节点在UINode树中的索引当前帧节点构建
6CustomNode:BuildItem %sJS视图名称渲染子节点然后将其挂载到父节点上
7ViewChangeCallback(%d, %d)视图宽，视图高视图变化回调

Trace实践

以下示例采用LazyForEach的方式遍历列表，并借助SmartPerf-Host调试工具追踪代码执行流程。
在代码示例中，使用一个List容器组件，通过懒加载方式来创建出120个IconView自定义组件。在IconView组件中，使用了Flex容器组件包含Image和Text子组件，形成了图文混合列表。

// src/main/ets/pages/LazyForEachPage.ets

@Entry
@Component
struct LazyForEachPage {
  private iconItemSourceList = new ListData();
  aboutToAppear() {
    // 添加120个IconItem的数据
     ......
  }
  build() {
    Column() {
      Text('懒加载示例')
        .fontSize(24)
        .fontColor(Color.Black)
        .fontWeight(FontWeight.Bold)
        .textAlign(TextAlign.Start)
        .width('90%')
        .height(50)
      List({ space: 20 }) {
        LazyForEach(this.iconItemSourceList, (item: IconItemModel) => {
          ListItem() {
            IconItem({ image: item.image, text: item.text })
          }
        }, (item: IconItemModel, index) => index.toString())
      }
      .divider({ strokeWidth: 2, startMargin: 20, endMargin: 20 }) // 每行之间的分界线
      .width('100%')
      .height('100%')
      .layoutWeight(1)
    }
    .width('100%')
    .height('100%')
    .alignItems(HorizontalAlign.Center)
  }
}

// src/main/ets/view/IconView.ets

@Component
export struct IconItem {
  image: string | Resource = '';
  text: string | Resource = '';
  build() {
    Flex({ direction: FlexDirection.Row, justifyContent: FlexAlign.Center, alignContent: FlexAlign.Center }) {
      Image(this.image)
        .height(40)
        .width(40)
        .objectFit(ImageFit.Contain)
        .margin({
          left: 15
        })
      Text(this.text)
        .fontSize(20)
        .fontColor(Color.Black)
        .width(100)
        .height(50)
        .textAlign(TextAlign.Center)
    }
    .width('100%')
    .height(50)
  }
}

下面使用SmartPerf-Host调试工具抓取htrace文件，并生成一个跟踪泳道分析图，来了解示例代码的加载流程。跟踪泳道分析图被分为五个部分，每个部分都标注数字并框选出相应的标签，从而使得整体的过程能够得到更好的理解。

图6 LazyForEach遍历的列表的泳道分析图

接下来，逐一解析这五个模块的详情：

1.加载并路由LazyForEach页面

图7 加载并路由LazyForEach页面泳道图

  • H:JsiDeclarativeEngine::LoadPageSource加载一个 JavaScript 文件，并且解析为 ABC 字节码；
  • H:FlushPipelineWithoutAnimation 清理渲染管道的操作；
  • H:CustomNode:OnAppear 用于构建当前 OnAppear 生命周期的操作，并执行aboutToAppear生命周期函数；
  • H:CustomNode:BuildItem LazyForEachPage 渲染子节点并挂载在 LazyForEachPage 页面上。

2.对当前帧节点Stage，执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染

图8 对当前帧节点Stage，执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染泳道图

  • H:Layout[stage][self:1][parent:0]对当前帧节点Stage，执行布局任务；(Stage作为框架，承载着页面Page节点。因此，标签的呈现会从Stage开始)
    • H:Measure[%s][self:17][parent:16] 对Page、Column、Row、Image、Text等组件布局尺寸计算；
    • H:Builder:BuildLazyItem [0]和H:ListLayoutAlgorithm::MeasureListItem:0 分别为创建一个LazyItem项目和计算列表项的布局尺寸；
    • H:Layout[%s][self:38][parent:37] 对Page、Column、Row、Image、Text等组件执行布局任务；
  • H:FrameNode::RenderTask 执行渲染任务；
  • H:RequestNextVSync 请求下一帧Vsync信号。

3.对当前帧节点Flex，执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染

图9 对当前帧节点Flex，执行布局任务、执行渲染任务并通知图形侧进行渲染泳道图

  • H:Layout[Flex][self:63][parent:62]对当前帧节点Flex，执行布局任务**；**
    • H:Measure[%s][self:17][parent:16] 对Image、Text等组件布局尺寸计算；
  • H:FrameNode::RenderTask Flex渲染任务执行；
  • H:RequestNextVSync 请求下一帧Vsync信号。

4.构建前预处理数据及添加预测布局任务

图10 构建前预处理数据及添加预测布局任务泳道图

  • H:Builder:BuildLazyItem [11]构建前预处理数据了11条数据；
  • H:Layout[ListItem][self:76][parent:-1] 添加一条Flex、Image、Text的预测布局；
  • H:FlushMessages 发送消息通知图形侧进行渲染。

5.合成渲染树上各节点图层任务

图11 合成渲染树上各节点图层任务泳道图

  • H:AcquireBuffer、H:ProcessSurfaceNode:EntryView XYWH[0 0 720 1280]获取屏幕缓冲区并绘制EntryView、SystemUi_StatusBar、SystemUi_NavigationBar等；
  • H:Repaint 硬件合成器合成绘制当前节点树。

自定义Trace

开发者可以根据业务需求，使用hiTraceMeter进行自定义Trace打点跟踪，目前支持ArkTS和Native，具体使用细节可参考下方链接：

性能打点跟踪开发指导（ArkTS）
性能打点跟踪开发指导（Native）

添加自定义Trace后，可在SmartPerf-Host调试工具上查看，自定义Trace将以独立泳道的形式呈现在对应打点的进程下。
下图两条泳道使用了startTrace和finishTrace方法，表示程序运行过程中，指定标签从调用startTrace到调用finishTrace的耗时统计。图中记录了CUSTOM_TRACE_TAG_1和CUSTOM_TRACE_TAG_2两个标签，先后呈现了2个标签的耗时统计。

图12 自定义Trace示例

下图两条泳道使用了TraceByValue方法，表示程序运行过程中，指定Trace在对应时间段内的状态值，状态值含义可按需传参，开发者可以通过鼠标放置在对应数据块上，来查看具体的状态值。图中记录了CUSTOM_TRACE_TAG_2标签在红色方框标识的时间段内，打点状态值为2001。

图13 自定义状态值示例

性能打点原理

Trace的生成依赖了DFX子系统中的HiTrace组件，其中包含的hiTraceMeter模块为开发者提供系统性能打点接口，具体细节可参考下方链接：

HiTrace组件
hiTraceMeter模块

hiTraceMeter拥有两套开始和结束打点接口，实现对逻辑行为的耗时统计。由于耗时统计大多数以方法为单位，所以hiTraceMeter也提供了快速打点单个方法执行耗时的宏定义HITRACE_METER、HITRACE_METER_NAME、HITRACE_METER_FMT，使用它们，只需要在方法起始位置调用即可。这些宏定义依赖了方法内局部变量的生命周期，其原理是在方法开始时构造了一个打点实例，在实例构造函数中调用开始打点接口，当方法执行完毕，打点实例随着方法结束而执行析构，在实例析构函数中调用结束打点接口。

App中的打点示例

ArkUI框架子系统应用hiTraceMeter的例子，来源于ArkUI开发框架源码。
以下代码对hiTraceMeter进行接口封装，其原理与HITRACE_METER等相同，依赖方法内局部变量的生命周期实现快速打点。

// frameworks/base/log/ace_trace.h

#define ACE_SCOPED_TRACE(fmt, ...) AceScopedTrace aceScopedTrace(fmt, ##__VA_ARGS__)
#define ACE_FUNCTION_TRACE() ACE_SCOPED_TRACE(__func__)

class ACE_FORCE_EXPORT AceScopedTrace final {
public:
    explicit AceScopedTrace(const char* format, ...) __attribute__((__format__(printf, 2, 3)));
    ~AceScopedTrace();

    ACE_DISALLOW_COPY_AND_MOVE(AceScopedTrace);

private:
    bool traceEnabled_ { false };
};

以下代码是刷新视图同步事件，包括记录帧信息、刷新任务、绘制渲染上下文、处理用户输入。在方法开头调用宏定义ACE_FUNCTION_TRACE，将函数名FlushVsync作为Trace名称记录下来，并记录函数开始时间，在函数结束时记录函数结束时间，得出执行耗时。

// frameworks/core/pipeline/pipeline_context.cpp

void PipelineContext::FlushVsync(uint64_t nanoTimestamp, uint32_t frameCount)
{
    ACE_FUNCTION_TRACE();

    // 此处省略方法内的其他业务逻辑
    // ...
}

RS中的打点示例

图形子系统应用hiTraceMeter的例子，来源于图形子系统源码。
以下代码对hiTraceMeter进行接口封装。

// utils/log/rs_trace.h

#include "hitrace_meter.h"
#define ROSEN_TRACE_BEGIN(tag, name) StartTrace(tag, name)
#define RS_TRACE_BEGIN(name) ROSEN_TRACE_BEGIN(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name)
#define ROSEN_TRACE_END(tag) FinishTrace(tag)
#define RS_TRACE_END() ROSEN_TRACE_END(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP)
#define RS_TRACE_NAME(name) HITRACE_METER_NAME(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name)
#define RS_TRACE_NAME_FMT(fmt, ...) HITRACE_METER_FMT(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, fmt, ##__VA_ARGS__)
#define RS_ASYNC_TRACE_BEGIN(name, value) StartAsyncTrace(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name, value)
#define RS_ASYNC_TRACE_END(name, value) FinishAsyncTrace(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name, value)
#define RS_TRACE_INT(name, value) CountTrace(HITRACE_TAG_GRAPHIC_AGP, name, value)
#define RS_TRACE_FUNC() RS_TRACE_NAME(__func__)

以下代码在显示器画面绘制方法。在方法开头调用宏定义RS_TRACE_NAME，将函数名ProcessDisplayRenderNode与对应的显示器id组合后，作为Trace名称记录下来，同时由于其本质是使用了快速打点单个方法的宏定义HITRACE_METER_NAME，于是只需要调用一次，即可收集到ProcessDisplayRenderNode函数的执行起终点时间，得出执行耗时。

// rosen/modules/render_service/core/pipeline/rs_surface_capture_task.cpp

void RSSurfaceCaptureVisitor::ProcessDisplayRenderNode(RSDisplayRenderNode &node)
{
    RS_TRACE_NAME("RSSurfaceCaptureVisitor::ProcessDisplayRenderNode:" +
        std::to_string(node.GetId()));

    // 此处省略方法内的其他业务逻辑
    // ...
}

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《鸿蒙开发学习手册》：

如何快速入门：https://qr21.cn/FV7h05

  1. 基本概念
  2. 构建第一个ArkTS应用
  3. ……

开发基础知识：https://qr21.cn/FV7h05

  1. 应用基础知识
  2. 配置文件
  3. 应用数据管理
  4. 应用安全管理
  5. 应用隐私保护
  6. 三方应用调用管控机制
  7. 资源分类与访问
  8. 学习ArkTS语言
  9. ……

基于ArkTS 开发：https://qr21.cn/FV7h05

  1. Ability开发
  2. UI开发
  3. 公共事件与通知
  4. 窗口管理
  5. 媒体
  6. 安全
  7. 网络与链接
  8. 电话服务
  9. 数据管理
  10. 后台任务(Background Task)管理
  11. 设备管理
  12. 设备使用信息统计
  13. DFX
  14. 国际化开发
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