Flutter 性能分析

有句话叫「的应用固然很好,但流畅的应用则更好。」如果你的应用渲染并不流畅,该怎么处理呢?从哪里着手呢?本文展示了应该从哪里着手,步骤以及可以提供帮助的工具。

分析性能问题

分析应用的性能问题需要打开性能监控图层 (performance overlay) 来观察 UI 和 GPU 线程。在此之前,要确保是在 分析模式 下运行,而且当前设备不是虚拟机。使用用户可能采用的最慢设备来获取最佳结果。

连接到物理设备

几乎全部的 Flutter 应用性能调试都应该在真实的 Android 或者 iOS 设备上以 分析模式 进行。通常来说,调试模式或者是模拟器上运行的应用的性能指标和发布模式的表现并不相同。 应该考虑在用户使用的最慢的设备上检查性能。

在分析模式运行

除了一些调试性能问题所必须的额外方法, Flutter 的分析模式和发布模式的编译和运行基本相同。例如,分析模式为分析工具提供了追踪信息。

使用分析模式运行应用的方法:

  • 在 Android Studio 和 IntelliJ 使用 Run > Flutter Run main.dart in Profile Mode 选项

  • 在 VS Code 中,打开 launch.json 文件,设置 flutterMode 属性为 profile(当分析完成后,改回 release 或者 debug):

    "configurations": [
      {
        "name": "Flutter",
        "request": "launch",
        "type": "dart",
        "flutterMode": "profile"
      }
    ]
    
  • 命令行使用 --profile 参数运行

    $ flutter run --profile
    

关于不同模式的更多信息,请参考文档: Flutter 的构建模式选择

下面我们会从打开 DevTools、查看性能图层开始讲述。

运行 DevTools

Dart DevTool 提供诸如性能分析、堆测试以及显示代码覆盖率等功能。 DevTool 的 [Timeline] 界面可以让开发者逐帧分析应用的 UI 性能。

一旦你的应用程序在分析模式下运行,即 运行 DevTools

性能图层

性能图层用两张图表显示应用的耗时信息。如果 UI 产生了卡顿(跳帧),这些图表可以帮助分析原因。图表在当前应用的最上层展示,但并不是用普通的 widget 方式绘制的—Flutter 引擎自身绘制了该图层来尽可能减少对性能的影响。每一张图表都代表当前线程的最近 300 帧表现。

本节阐述如何打开性能图层并用其来分析应用中卡顿的原因。下面的截图展示了 Flutter Gallery 样例的性能图层:

Screenshot of overlay showing zero jank


raster 线程的性能情况在上面,UI 线程显示在下面。
垂直的绿色条条代表的是当前帧。

图表解释

最顶部(标志了 “GPU”)的图形表示 raster 线程所花费的时间,底部的图表显示了 UI 线程所花费的时间。横跨图表中的白线代表了 16 ms 内沿竖轴的增量;如果这些线在图表中都没有超过它的话,说明你的运行帧率低于 60 Hz。而横轴则表示帧。只有当你的应用绘制时这个图表才会更新,所以如果它空闲的话,图表就不会动。

这个浮层只应在 分析模式 中使用,因为在 调试模式 下有意牺牲了性能来换取昂贵的断言以帮助开发,所以这时候的结果会有误导性。

每一帧都应该在 1/60 秒(大约 16 ms)内创建并显示。如果有一帧超时(任意图像)而无法显示,就导致了卡顿,图表之一就会展示出来一个红色竖条。如果是在 UI 图表出现了红色竖条,则表明 Dart 代码消耗了大量资源。而如果红色竖条是在 GPU 图表出现的,意味着场景太复杂导致无法快速渲染。

Screenshot of performance overlay showing jank with red bars


红色竖条表明当前帧的渲染和绘制都很耗时。
当两张图表都是红色时,就要开始对 UI 线程 (Dart VM) 进行诊断了。

Flutter 的线程

Flutter 使用多个线程来完成其必要的工作,图层中仅展示了其中两个线程。您写的所有 Dart 代码都在 UI 线程上运行。尽管您没有直接访问其他线程的权限,但是您对 UI 线程的操作会对其他线程产生性能影响。

平台线程

平台线程实际上就是主线程。Plugin 的代码将会在这里运行。想要了解更多信息,请参阅 Android 的 MainThread 以及 iOS 的 UIKit 文档。

UI 线程

UI 线程在 Dart VM 中执行 Dart 代码。该线程包括开发者写下的代码和 Flutter 框架根据应用行为生成的代码。当应用创建和展示场景的时候,UI 线程首先建立一个 图层树(layer tree) ,一个包含设备无关的渲染命令的轻量对象,并将图层树发送到 GPU 线程来渲染到设备上。 不要阻塞这个线程! 在性能图层的最低栏展示该线程。

Raster 线程(以前叫 GPU 线程)

raster 线程拿到 layer tree,并将它交给 GPU(图形处理单元)。你无法直接与 GPU 线程或其数据通信,但如果该线程变慢,一定是开发者 Dart 代码中的某处导致的。图形库 Skia 在该线程运行,并在性能图层的最顶栏显示该线程。这个线程之前被叫做「GPU 线程」,因为它为 GPU 进行栅格化,但我们重新将它命名为「raster 线程」,这是因为许多开发者错误的(但是能理解)认为该线程运行在 GPU 单元。

I/O线程

执行昂贵的操作(常见的有 I/O)以避免阻塞 UI 或者 raster 线程。这个线程将不会显示在 performance overlay 上。

你可以在 GitHub wiki 上的框架结构 (The Framework architecture) 一文中了解更多信息和一些视频内容,另外你可以在我们的社区中查看文章 The Layer Cake

显示性能图层

你可以用如下方法显示性能图层:

  • 使用 Flutter Inspector

  • 从命令行启动

  • 写入代码

使用 Flutter inspector

打开 PerformanceOverlay widget 最简单的方法是 IDE 中 Flutter 插件提供的 Flutter inspector,你可以在 开发者工具使用 Flutter inspector 工具 中找到。只需单击 Performance Overlay 按钮,即可在正在运行的应用程序上切换图层。

命令行

使用 P 参数触发性能图层。

代码控制

若要以编程的方式启用性能图层,请参考 以编程方式调试应用 文档的 性能图层 章节。

定位 UI 图表中的问题

如果性能图层的 UI 图表显示红色,就要从分析 Dart VM 开始着手了,即使 GPU 图表同样显示红色。

定位 GPU 图表中的问题

有些情况下界面的图层树构造起来虽然容易,但在 raster 线程下渲染却很耗时。这种情况发生时,UI 图表没有红色,但 GPU 图表会显示红色。这时需要找出代码中导致渲染缓慢的原因。特定类型的负载对 GPU 来说会更加复杂。可能包括不必要的对 saveLayer 的调用,许多对象间的复杂操作,还可能是特定情形下的裁剪或者阴影。

如果推断的原因是动画中的卡顿的话,可以点击 Flutter inspector 中的 Slow Animations 按钮,来使动画速度减慢 5 倍。如果你想从更多方面控制动画速度,你可以参考 programmatically

卡顿是第一帧发生的还是贯穿整个动画过程呢?如果是整个动画过程的话,会是裁剪导致的吗?也许有可以替代裁剪的方法来绘制场景。比如说,不透明图层的长方形中用尖角来取代圆角裁剪。如果是一个静态场景的淡入、旋转或者其他操作,可以尝试使用重绘边界 (RepaintBoundary)。

检查屏幕之外的视图

保存图层 (saveLayer) 方法是 Flutter 框架中最重量的操作之一。更新屏幕时这个方法很有用,但它可能使应用变慢,如果不是必须的话,应该避免使用这个方法。即便没有显式地调用 saveLayer,也可能在其他操作中间接调用了该方法。可以使用棋盘画面以外的层 (PerformanceOverlayLayer.checkerboardOffscreenLayers) 开关来检查场景是否使用了 saveLayer

打开开关之后,运行应用并检查是否有图像的轮廓闪烁。如果有新的帧渲染的话,容器就会闪烁。举个例子,也许有一组对象的透明度要使用 saveLayer 来渲染。在这种情况下,相比通过 widget 树中高层次的父 widget 操作,单独对每个 widget 来应用透明度可能性能会更好。其他可能大量消耗资源的操作也同理,比如裁剪或者阴影。

当遇到对 saveLayer 的调用时,先问问自己:

  • 应用是否需要这个效果?

  • 可以减少调用么?

  • 可以对单独元素操作而不是一组元素么?

检查没有缓存的图像

使用重绘边界 (RepaintBoundary) 来缓存图片是个好主意,当需要的时候。

从资源的角度看,最重量级的操作之一是用图像文件来渲染纹理。首先,需要从持久存储中取出压缩图像,然后解压缩到宿主存储中(GPU 存储),再传输到设备存储器中 (RAM) 。

也就是说,图像的 I/O 操作是重量级的。缓存提供了复杂层次的快照,这样就可以方便地渲染到随后的帧中。 因为光栅缓存入口的构建需要大量资源,同时增加了 GPU 存储的负载,所以只在必须时才缓存图片。

打开覆盖层性能棋盘格光栅缓存图像 (PerformanceOverlayLayer.checkerboardRasterCacheImages) 开关可以检查哪些图片被缓存了。

运行应用来查看使用随机颜色网格渲染的图像,标识被缓存的图像。当和场景交互时,网格里的图片应该是静止的—代表重新缓存图片的闪烁视图不应该出现。

大多数情况下,开发者都希望在网格里看到的是静态图片,而不是非静态图片。如果静态图片没有被缓存,可以将其放到重绘边界 (RepaintBoundary) widget 中来缓存。虽然引擎也可能忽略 repaint boundary,如果它认为图像还不够复杂的话。

检视 widget 重建性能

Flutter 框架的设计使得构建达不到 60 fps 流畅度的应用变得困难。通常情况下如果卡顿,就是因为每一帧被重建的 UI 比需求更多的简单 bug。 Widget rebuild profiler 可以帮助调试和修复这些问题引起的 bug。

可以检视 widget inspector 中当前屏幕和帧下的 widget 重建数量。了解细节,可以参考 在 Android Studio 或类 IntelliJ 里开发 Flutter 应用 中的 显示性能数据

评分

可以通过编写评分测试来测量和追踪应用的性能。 Flutter Driver 库提供了对评分的支持。基于这套测试框架就可以生成以下几项的测试标准:

  • 卡顿

  • 下载大小

  • 电池性能

  • 启动时间

追踪这些评分可以在回归测试中了解对性能的不利影响。

了解更多,请参考 测试 Flutter 应用 中的 集成测试 一节。

更多资源

以下链接提供了关于 Flutter 工具的使用和 Flutter 调试的更多信息: