Matrix源码分析系列-如何计算App启动耗时（一）-阿里云开发者社区

什么是启动耗时

分为两个角度：

冷启动：就是点击应用图标到打开应用的冷启动响应时间，且前提是应用从未被创建过进程，
热启动：测量点击应用图标到打开应用的热启动响应时间，被测应用之前已经被打开过，无关闭应用行为，测试时被重新切换到前台

启动耗时影响什么

第一想到的肯定是用户体验，如果你的应用半分钟没有启动起来，那谁还想用呢？所以很多大厂App，虽然一个App承载的业务多的数不胜数，但肯定都有一个特点，一点就开，即开即用。

启动耗时的标准是什么

各类应用的冷启动时间应≤2000毫秒、游戏类应用和影音娱乐类应用冷启动时间≤3000毫秒，各类应用的热启动时间应≤500毫秒、游戏类应用和影音娱乐类应用冷启动时间≤1000毫秒。同样来源于软件绿色联盟应用体验标准3.0——性能标准，请点击链接查看详情。

如何查看启动耗时呢

其实查看启动耗时，官方已经给我提供了很多工具，如TraceView，我们就可以通过它来查看图形执行时间，调用栈等，但是它的缺点也很明显，运行时开销严重，得出的结果并不真实，同样的我们还可以借助android studio terminal，来一个简单的测试，如下：命令：

adb shell am start -W [packageName]/[AppstartActivity全路径]

可以看到，我用同一个命令，测试了两次，第一次是应用进程存活时，LaunchState是HOT，TotalTime就是启动耗时，WaitTime是AMS启动Activity的总耗时，包括创建进程 + Application初始化 + Activity初始化到界面显示的过程。第二次的冷启动低于500ms，还算是比较合理的，热启动在115ms，是不是很优秀，其实这个应用不具有代表性，因为是测试Demo，代码比较简单，所以启动很快，对于一些大型引用肯定就不是这样了，虽然这种方式可以很快的拿到指标数据，但有个缺点你会发现，即使我知道了耗时，如果出现耗时不正常的操作，就不知道哪里出现的问题。所以我就想，是不是Matrix能解决这些问题呢，待我们去验证。我们还是不着急去看Matrix的源码，我们先来看下如何通过代码实现一个启动耗时统计，除了以上方法，google还给我们提供了Systrace 命令行工具，可以结合代码插桩一起完成耗时分析，插桩就是在需要监听的方法前后，插入一行代码。 最新消息google 在Android 10 中引入的全新平台级跟踪工具 Perfetto，具体请看developer.android.com/topic/perfo…，具体可以理解为Systrace的升级版本，我们现在不研究这些工具，先来看看，我们如何通过代码插桩的方式来监控应用的启动耗时。插桩也是Matrix实现的核心，所以我们仔细聊聊。

需要监控的函数

既然我们决定使用代码的插桩来实现，那么就需要知道对哪些函数做操作，具体什么函数，这要看App整个启动过程的函数调用顺序，我整理了几个流程图，请看：大致流程就是这样，并没有特别详细，基本原理给大家搞清楚，然后知道函数的调用顺序就ok，从图中分析出的知识点：

包括SystemServer在内，我们的app也都是zygote进程fork出来的
当别人通过startActivity启动我们的app时，其实是ActivityManagerService通过startProcessLocked告知zygote进程
当app进程被创建后，进程中会创建出ActivityThread，通过源码我们发现ActivityThread中有个java的main函数，main函数调用attach函数，如图

attach函数通过binder又返回到ActivityManagerService中，再由ActivityManagerService调用attachApplicationLocked，然后再通过binder调到ApplicationThread.bindApplication，ApplicationThread是ActivityThread中的私有类，如图

ApplicationThread 通过handler message通信，最终调用ActivityThread的handleBindApplication函数，然后在该方法中根据拿到的appInfo信息，创建appContext，最后创建Application，调用application的onCreate函数。
Activity的创建通过ActivityStackSupervisor.realStartActivityLocked，最终通过binder，在ActivityThread中执行handleLaunchActivity，紧接着attach到对应的上下文中。

从这张图中，我们了解了App的启动过程，其实在Android不同的SDK版本中都有升级，会导致部分代码找不到，但大同小异。我们的目的其实是为了找到插桩的地方，且有一点我们用到的插桩是java字节码，所以有binder通信的地方，我们只能改动java层的代码，所以基本可以敲定，插桩代码就是在我们的App进程中。简单定义一个计算公式： App的启动耗时 = 第一个Activity创建好的时间 - Application onCreate 时间当然有的app是启动页+Home主页才算是app启动完成，这里先不纠结这个，我们现在已经可以明确的点，Application onCreate方法和 Activity的相关方法（后面再分析哪个方法更合适）都是我们要插桩的点。那么接下来我们简单说下插桩的几个框架，来看看哪个更加合适。

插桩方案选择哪个？AspectJ、ASM、ReDex

AspectJ 和 ASM 框架是我们最常用的 Java 字节码处理框架。AspectJ是 Java 中流行的 AOP（aspect-oriented programming）编程扩展框架，从使用上来看，作为字节码处理元老，AspectJ 的框架的确有自己的一些优势，但官方建议切换到 ObjectWeb 的 ASM 框架，而ReDex是 Facebook 开源的工具，通过对字节码进行优化，以减小 Android Apk 大小，同时提高 App 启动速度。ReDex 里甚至提供了 Method Tracing 和 Block Tracing 工具，可以在所有方法或者指定方法前面插入一段跟踪代码。我们为什么不用它呢，因为Matrix用的ASM，并且ASM可以实现 100% 场景的 Java 字节码操作，已经满足了我们的需求。那么接下来，我们用ASM来实现一个代码插桩用例。

ASM实现插桩用例

我们的目标是给Android的某个类，做函数插桩，下面我们做一个demo作为本次的用例，带你有序的了解，该如何通过ASM做函数插桩。

1.Demo项目创建

这一步不用多说，直接在Android Studio中，new project 就行，等待项目第一次编译完成

2.gradle插件创建

在项目的根目录中，创建buildSrc文件夹，然后构建一下项目，然后在buildSrc文件夹中创建build.gradle配置文件，如下：

plugins{
    //使用 java groovy 插件
    id 'java'
    id 'groovy'
}
group 'com.julive.sam'
version '0.0.1'
sourceCompatibility = 1.8
repositories{
    //使用阿里云的maven代理
    maven { url 'https://maven.aliyun.com/repository/google' }
    maven { url 'https://maven.aliyun.com/repository/public' }
    maven {
        url 'http://maven.aliyun.com/nexus/content/groups/public/'
    }
    maven {
        url 'http://maven.aliyun.com/nexus/content/repositories/jcenter'
    }
}
def asmVersion = '8.0.1'
dependencies {
  //引入gradle api
    implementation gradleApi()
    implementation localGroovy()
    //引入android studio扩展gradle的相关api
    implementation "com.android.tools.build:gradle:4.1.0"
    //引入apache io
    implementation 'org.apache.directory.studio:org.apache.commons.io:2.4'
    //引入ASM相关api，这是我们插桩的关键，要靠他实现方法插桩
    implementation "org.ow2.asm:asm:$asmVersion"
    implementation "org.ow2.asm:asm-util:$asmVersion"
    implementation "org.ow2.asm:asm-commons:$asmVersion"
}

接下来创建插件代码目录，由于我们使用java写的插件，所以需要选中buildSrc，然后鼠标右键选择new，再选择directory，最后出现的对话框中选择 src/main/java，下图中是因为我的项目已经创建完了，所以只有groovy目录，如果你需要写groovy的实现就创建下图中文件夹路径，创建完这个下一步就是创建插件。

在java目录中，创建包名com.julive.sam，在该包路径下创建Plugins插件，代码如下：

public class Plugins implements Plugin<Project> {
    @Override
    public void apply(Project target) {
    }
}

然后创建插件的配置resources文件夹，和java文件夹同级，在resources下创建文件夹META-INF/gradle-plugins/，最终在gradle-plugins中创建com.julive.sam.properties，意思是你的包名.properties ，一定要对应好包名，然后在该文件中加入代码

implementation-class=com.julive.sam.Plugins

com.julive.sam.Plugins 你点击后，看能否跳转至上面创建的Plugins插件中，如果可以直接跳转那就ok了。

3.下一步在App的build.gradle中配置插件

4.创建gradle的Transform实现

Transform是在.class -> .dex转换期间，用来修改.class文件的一套标准API，所以你现在应该知道了，在transform中我们肯定要调用ASM的实现，来实现.class文件的修改，最终转换为.dex文件。创建Transform的实现如下：

public class TransformTest extends Transform {
    @Override
    public String getName() {
        // 随便起个名字
        return "TransformSam";
    }
    @Override
    public Set<QualifiedContent.ContentType> getInputTypes() {
        //代表处理的 java 的 class 文件
        return TransformManager.CONTENT_CLASS; 
    }
    @Override
    public Set<? super QualifiedContent.Scope> getScopes() {
        //要处理所有的class字节码
        return TransformManager.SCOPE_FULL_PROJECT;
    }
    @Override
    public boolean isIncremental() {
        // 是否增量编译，我们先不考虑，返回false
        return false; 
    }
    @Override
    public void transform(TransformInvocation transformInvocation) throws TransformException, InterruptedException, IOException {
        super.transform(transformInvocation);
        try {
            //待实现
            doTransform(transformInvocation); // hack
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

看上面注释是不是就对Transform有了一定的了解呢，那么如何处理.class文件呢？我们来实现doTransform函数，来看如何处理

private void doTransform(TransformInvocation transformInvocation) throws IOException {
        System.out.println("doTransform   =======================================================");
        //inputs中是传过来的输入流，其中有两种格式，一种是jar包格式一种是目录格式。
        Collection<TransformInput> inputs = transformInvocation.getInputs();
        //获取到输出目录，最后将修改的文件复制到输出目录，这一步必须做不然编译会报错
        TransformOutputProvider outputProvider = transformInvocation.getOutputProvider();
        //删除之前的输出
        if (outputProvider != null)
            outputProvider.deleteAll();
        inputs.forEach(transformInput -> {
            //遍历directoryInputs
            transformInput.getDirectoryInputs().forEach(directoryInput -> {
            });
            //jarInputs
            transformInput.getJarInputs().forEach(jarInput -> {
            });
        });
    }

从transformInvocation的api中，我们获取了两个东西，一个是inputs，一个是outputProvider，我们遍历inputs后发现，他有两个api getDirectoryInputs和getJarInputs 这俩是什么东西呢？我描述不太好，我加了日志，来看下日志输出：

这下是不是看明白了，其实我对getDirectoryInputs做了一层文件筛选处理

transformInput.getDirectoryInputs().forEach(directoryInput -> {
      ArrayList<File> list = new ArrayList<>();
      getFileList(directoryInput.getFile(), list);
});
  //递归查找该文件夹下所有文件，因为我们修改的是.class 文件，而不关系文件夹
   void getFileList(File file, ArrayList<File> fileList) {
        if (file.isFile()) {
            fileList.add(file);
        } else {
            File[] list = file.listFiles();
            for (File value : list) {
                getFileList(value, fileList);
            }
        }
    }

好，从上面我们看出，已经找到了MainActivity的class文件，那么接下来给MainActivity.class的onCreate函数，插入两行代码，

5.现在开始操作ASM的api

首先要实现ASM的 ClassVisitor 类来操作我们想要操作的类，它可以访问class文件的各个部分，比如方法、变量、注解等基本的实现如下：

public class TestClassVisitor extends ClassVisitor{
    private String className;
    private String superName;
    TestClassVisitor(final ClassVisitor classVisitor) {
        super(Opcodes.ASM6, classVisitor);
    }
    /**
     * 这里可以拿到关于.class的所有信息，比如当前类所实现的接口类表等
     *
     * @param version    表示jdk的版本
     * @param access     当前类的修饰符 （这个和ASM 和 java有些差异，比如public 在这里就是ACC_PUBLIC）
     * @param name       当前类名
     * @param signature  泛型信息
     * @param superName  当前类的父类
     * @param interfaces 当前类实现的接口列表
     */
    @Override
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {
        super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
        this.className = name;
        this.superName = superName;
    }
    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        //委托函数
        MethodVisitor methodVisitor = cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        //找到我们需要修改的类，注意这里是/ 斜杠来表示文件的路径，并不是java代码中的.
        if (className.equals("com/julive/samtest/MainActivity")) {
            // 判断方法name是onCreate
            if (name.startsWith("onCreate")) {
                //插桩函数的实现，同样用到ASM提供的对象，下面看具体实现代码
                return new TestMethodVisitor(Opcodes.ASM6, methodVisitor, access, name, descriptor, className, superName);
            }
        }
        return methodVisitor;
    }
}

这里集成AdviceAdapter，其实AdviceAdapter是继承自MethodVisitor，这是不是就跟ClassVisitor一一呼应呢，使用它是因为它比较方便的实现，提供了onMethodEnter，onMethodExit，正好是我们的需求。在onCreate的函数的前后各插入一行代码。但仔细看onMethodEnter的函数实现，你会发现一脸懵逼，不知道是啥玩意。往下看

public class TestMethodVisitor extends AdviceAdapter {
    private String className;
    private String superName;
    protected TestMethodVisitor(int i, MethodVisitor methodVisitor, int i1, String s, String s1,String className,String superName) {
        super(i, methodVisitor, i1, s, s1);
        this.className = className;
        this.superName = superName;
    }
    @Override
    protected void onMethodEnter() {
        super.onMethodEnter();
        mv.visitLdcInsn("TAG");
        mv.visitLdcInsn(className + "---->" + superName);
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "android/util/Log", "i", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
        mv.visitInsn(Opcodes.POP);
    }
    @Override
    protected void onMethodExit(int opcode) {
        mv.visitLdcInsn("TAG");
        mv.visitLdcInsn("this is end");
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "android/util/Log", "i", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
        mv.visitInsn(Opcodes.POP);
        super.onMethodExit(opcode);
    }
}

在这里推荐一个插件，plugins.jetbrains.com/plugin/1486…，用插件测试代码如下：

public class Test {
    void aa() {
        Log.i("TAG", "this is end");
    }
}

转换ASM代码如下：

public static byte[] dump() throws Exception {
        ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);
        FieldVisitor fieldVisitor;
        MethodVisitor methodVisitor;
        AnnotationVisitor annotationVisitor0;
        classWriter.visit(V1_8, ACC_PUBLIC | ACC_SUPER, "com/julive/samtest/Test", null, "java/lang/Object", null);
        classWriter.visitSource("Test.java", null);
        {
            methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null);
            methodVisitor.visitCode();
            Label label0 = new Label();
            methodVisitor.visitLabel(label0);
            methodVisitor.visitLineNumber(5, label0);
            methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 0);
            methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V", false);
            methodVisitor.visitInsn(RETURN);
            Label label1 = new Label();
            methodVisitor.visitLabel(label1);
            methodVisitor.visitLocalVariable("this", "Lcom/julive/samtest/Test;", null, label0, label1, 0);
            methodVisitor.visitMaxs(1, 1);
            methodVisitor.visitEnd();
        }
        {
            methodVisitor = classWriter.visitMethod(0, "aa", "()V", null, null);
            methodVisitor.visitCode();
            Label label0 = new Label();
            methodVisitor.visitLabel(label0);
            methodVisitor.visitLineNumber(8, label0);
            methodVisitor.visitLdcInsn("TAG");
            methodVisitor.visitLdcInsn("this is end");
            methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "i", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
            methodVisitor.visitInsn(POP);
            Label label1 = new Label();
            methodVisitor.visitLabel(label1);
            methodVisitor.visitLineNumber(9, label1);
            methodVisitor.visitInsn(RETURN);
            Label label2 = new Label();
            methodVisitor.visitLabel(label2);
            methodVisitor.visitLocalVariable("this", "Lcom/julive/samtest/Test;", null, label0, label2, 0);
            methodVisitor.visitMaxs(2, 1);
            methodVisitor.visitEnd();
        }
        classWriter.visitEnd();
        return classWriter.toByteArray();
    }

是不是很长，哈哈，这段代码其实是将整个Test类的东西，都通过ASM的方式生成，我们只需要找到对应的日志如下：

methodVisitor.visitLdcInsn("TAG");
   methodVisitor.visitLdcInsn("this is end");
   methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "i", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
   methodVisitor.visitInsn(POP);

然后将其放入到onMethodExit函数中，就可以了。

Matrix源码分析系列-如何计算App启动耗时（一）