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动态性能分级策略在客户端上的实践

赵杰、岑志军、吕洪阳 发表于 更新于 分类于 阅读次数：

背景

伴鱼绘本发布至今已有 5 年，作为一款主要面向儿童的 App，其包含大量游戏化场景和多媒体资源来保证内容的趣味性、丰富性。我们的产品面向海内外用户，统计发现 iOS 设备中约 3 成是已发布 5 年以上的旧设备。旧的设备意味着 CPU 运算能力差、内存小，同时国外网络环境相较于国内要差。所以在保证产品趣味性和丰富性的同时，我们要让程序维持优秀的用户体验，在各种不同性能的设备上流畅运行。

所以我们想到根据不同的设备情况，在不影响业务的前提下，对任务的执行做针对性控制。即高优的任务优先保证，低优的任务可以延迟或者不执行。

综上所述，我们整理了技术需求如下：

  1. 能够识别不同的设备性能情况
  2. 能够支持非业务性功能的分级控制
  3. 侵入性低，无需对现有众多组件进行代码改动

初探

需求确定之后，最开始想到根据机型生成功能配置表：将 App 内各个功能配置按照机型进行罗列，高配置设备优先保证体验，低配置设备优先保证流畅性。App 在运行时，按照配置表设定进行功能设置。但是此种形式尝试之后有一定的局限性：

  1. 配置表中的功能开关无法精准判定，各功能启动逻辑、性能消耗各异，开关的设定最终只能以各项累加值不超性能上限设定。
  2. 确定开关设定的工作量大，每个机型每个开关需要多次测试才能最终确定。
  3. 无法根据实时情况动态控制开关，功能的开闭完全由配置表决定，当设备实际性能足以支撑时也无法动态开启。

所以使用配置表来控制各个功能的开关无法很好满足我们的需求。

分级策略

在参考了前端、服务端的降级思想后，我们想既然都是为了应对资源稀缺无法满足用户访问的问题，那能不能在客户端也制定一个降级的方案，来满足我们的需求？

所以我们又补充了需求：

  1. 能够收集设备的性能（多维度：CPU、电量、机型等策略）
  2. 能够根据设定值对性能现状分级
  3. 性能监控可以方便拓展

说整就整，由此我们也制定出来一套客户端的动态性能分级策略。它会对设备的主要性能进行监控，当任意一个性能维度的变化达到了设定的阈值，就会触发分级预警，上层再根据预警做出对应的处理，以实现动态性能分级策略的效果。

概述

其大致的工作流程图如下：

工作流程图

在分级策略开启后，监听设备性能的关键信息，同时和设定好的设备性能分级指标进行对比，当判断级别发生变化后，发出分级预警。

在初期，监控主要分为电量、CPU、内存、网络这几个方面。并对其进行了量化分级，等级高则表明当前设备剩余性能充足，等级低则剩余性能很少。

监控信息来源及分级标准

  • 电量 : UIDevice 提供有 API 和通知，可以拿到实时的设备电量和电量变化。对于电量监控主要是为了识别出低电量状态，并减缓设备当前的耗电速度，降低用户此阶段的电量焦虑。结合资料和用户使用场景对电量的分级有高(剩余电量 > 10%)、低(剩余电量 ≤ 10%)两种。
  • CPU : 可以通过内核 < mach> 库计算得到数据。我们认为当有运算需求时，对 CPU 高占用是合理的，以尽快得出结果、缩减运算时间，所以多数情况下并没有对 CPU 高占用做限制。对 CPU 的监控只发生在低电量状态下，当 CPU 使用在一段时间内均值超出 80%，便会认为是高能耗，建议进行降级处理。
  • 内存 : 同样是通过内核 < mach> 库得到的数据。由于通过实际测试发现，iOS 对 App 的最大内存占用限制在设备总内存的 50% 左右，当使用内存超限时可能导致爆内存崩溃。为了预防这种崩溃，以 App 最大使用设备 50% 内存为限，对内存性能设定了三级：低( App 占用内存 > 45%，濒临爆内存)、中(25% < 内存占用 < 45%，提前预防)、高(< 25%，余量充足)。当中等级时建议部分任务做内存优化，当低等级则建议全部任务调整内存占用。
  • 网络 : 系统有网络消耗相关的 API，但只能获取当前消耗的流量，通过前后两个时间点的已用流量差值计算得出的结果，只能算作流量消耗速度。而我们监控网速是想知道当前网络情况所能支持的最大带宽是多少，进而能够使后续的网络相关任务做出对应的判断。所以流量测速不满足需求，由此我们在每次监控循环周期内（秒级别，服务端下发控制），增加了额外的小流量下载任务，来进行最大带宽测量。经测试发现，当带宽高于 100kb/s 时，App能较为流畅的运行、展示效果；而带宽低于 10kb/s 时，App 只能满足基本的 API 请求，多媒体的加载耗时较长。故对网络也设定了三个级别：高（带宽 > 100kb/s）、中（10kb/s < 带宽 < 100kb/s）、低（带宽 < 10kb/s）

以上所有分级阈值均由服务端下发控制，实现了动态调整。

等级判断

等级判断的具体代码如下：

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- (void)judgeDeviceLevelChange {
    LevelChangeModel *curStateModel = LevelChangeModel.new;
    // 网络情况处理
    curStateModel.networkInfo = [self dealWithNetwork];
    // 电量情况处理
    curStateModel.batteryInfo = [self dealWithBattery];
    // 内存情况处理
    curStateModel.memoryInfo = [self dealWithMemory];
    
    // 汇总
    [self.queue push:curStateModel];
    LevelChangeReason reason = 0;
    if (curStateModel.memoryInfo.level != self.preModel.memoryInfo.level) {
        reason = reason | kLevelChangeReasonMemory;
    }
    if (curStateModel.batteryInfo.level != self.preModel.batteryInfo.level) {
        reason = reason | kLevelChangeReasonBattery;
    }
    if (curStateModel.networkInfo.level != self.preModel.networkInfo.level) {
        reason = reason | kLevelChangeReasonNetwork;
    }
    curStateModel.changeReason = reason;
    
    // 发送通知
    [self postNotiWithModel:curStateModel];
    
    self.preModel = curStateModel;
}

在拿到各个 monitor 的数据之后，将本次性能等级与上次性能等级逐一对比按位运算，最终得出本次性能变动综合原因。与各项性能详细数据组合后，对外发送通知。

分级响应

识别到性能等级变化后，用通知进行信息传递，这样避免了和其他各个组件之间的强耦合，有分级需求的组件仅需监听通知即可，应用十分灵活。具体的功能控制分布在各个组件中，对应的开发人员更清楚各自的细节，在进行不同级别调整的时候可以做更加细致的处理。

通知的具体内容如下：

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{
	"changeReason": 1,
	"networkInfo": {
		"networkValue": 150, // 当前网速  单位： kb/s
		"level": 3
	},
	"memoryInfo": {
		"memoryValue": 200, // 当前使用量  单位： mb
		"level": 2
	},
	"batteryInfo": {
		"batteryValue": 90, // 当前余量  单位： %
		"level": 2
	}
}

性能损失

由于涉及到监控，所以会对设备性能有一定消耗，测试后设备的实际性能情况如下：

未启用动态性能分级

启用动态性能分级

可见，性能分级策略对设备性能的影响有限，不会对原有的业务运行造成性能威胁。

策略流程

策略流程图

从图中可以看到，主要对电量、内存、网络三方面进行并行监控。以电量为例，其目的是减缓设备在低电量情况下的电量消耗速度，所以会先判断是否为低于 10% 电量的非充电状态，符合条件则会进入下一步 CPU 状态判断。因为 CPU 占用率频繁变更，需要统计一段时间内的数据，所以会对其进行多次数据记录（连续 5 次高于 80% ）再确定电量等级。得到结果后，会与上一次的测算记录对比，并将对比结果与本次数据记录。

内存、网络的等级判定较为简单，获取到性能数据后根据分级阈值就可得到性能等级。这两项比电量的等级区分多了一个中等级，业务可以根据需要做更细致的处理。

各个单项的数据拿到之后，由管理器统一汇总，会将各项的等级与上一次结果进行对比判断，如果有变动项就会对外发出性能变更预警。

结构设计

垂直分层和水平模块

如图所示分3层：1、组件提供性能监控、定级、等级信息分发、分级阈值的更新、配置; 2、业务组件（如需应用分级 可增加通知监听）; 3、壳工程负责分级功能的初始化

LevelStrategyManager: 对整个分级策略的主要逻辑控制，包含分级策略的开关，各性能分级阈值的动态更新(循环周期、性能指标阈值，支持远端下发)等。

各个 Monitor: 对设备的信息(电量、内存等)进行监控，遵守 LSMonitorProtocol 协议

LSMonitorProtocol: 性能指标协议。当分级策略需要拓展监控更多方面的数据时，仅需再增加遵从此协议的 monitor 和配置即可。

LevelChangeLogic: 监控到的分级数据汇总到这里并进行逻辑判断，得出结果并交付 manager

LevelStrategyTool: 工具类，向 monitor 提供额外的便利方法。

基于上述的工作方式和结构设计，可以看到分级策略能够解决我们之前的顾虑。不需要前期大量统计各功能的消耗；能够根据设备的实时情况给出对应的分级；升降级接入灵活，仅需注册通知即可。

对外接口

LevelStrategyManager 是对外的统一管理类，其头文件如下。可见 manager 的头文件十分简单，使用方只需要在合适的地方开启，如有需要可以对级别标准进行更新。组件监听指定名称的通知就能收到性能级别变动的消息。

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FOUNDATION_EXPORT NSString *const kPerformanceLevelChangedNoti; // 性能等级变化通知
FOUNDATION_EXPORT NSString *const kFatalLevelChangedNoti; // 最差性能通知

@interface LevelStrategyManager : NSObject

+ (instancetype)shareInstance;

// 更新级别标准
- (void)updateWithDic:(NSDictionary *)configDic;

不能光说不练，我们来看一下分级策略的具体应用效果：

分级策略在客户端图片组件库中的应用

介绍

图片组件基于服务端 OSS 服务，结合客户端功能分级策略动态调整图片 OSS 参数，并且使用链式语法。减少了大量的冗余代码，优化 App 性能和提高用户体验。

如何应用分级策略？

在开发中将图片长宽按照设计图设置：pt size*scale，scale 默认按照设备实际值进行设置。但当网络情况较差时，过高的 scale 会导致下载的图片体积偏大，设备在此种情况下无法在短时间将图片下载到本地，会给用户造成较长的等待时间，影响用户的体验。同时，高 scale 也会导致图片处理时大内存和高 CPU 占用。所以需要依据性能等级实时调整，故在图片库中添加了对分级策略的通知监听。当收到等级变化的通知时，图片库会根据通知内容对 scale 动态调整，保证设备可以流畅展示图片。

以下是运用了动态分级策略前后，在首页多图片加载场景下加载 2000 张图片内存占用的对比：
(注：2x、3x是屏幕显示模式，图片展示尺寸以点为单位设置，倍数越大，一个点代表的像素越多，显示的图片越高清)

优化前 2x设备 3x设备 收益
723M 156M 282M 60%+
用户真实使用场景

测试结果根据用户的实际使用过程，在主要页面进行浏览一定时间后得出。可见动态分级策略可以为我们带来较大的内存收益。而当完全模拟为低性能等级时，收益更大：

优化前 2x设备 3x设备 收益
723M 53M 154M 70%+
用户手机性能不好场景（完全降级）

目前，图片库根据分级策略平均每日触发约 20 万次的升降级，保证用户在设备性能差的时候尽快地加载图片，在性能好时又能看到高质量图片。

策略示例

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//ImageMakerDeviceManager.m

// 通知注册
[[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:self
                                             selector:@selector(performanceChange:)
                                                 name:kPerformanceLevelChangedNoti
                                               object:nil];

// 通知响应
- (void)performanceChange:(NSNotification *)noti {
    LevelModel *model = noti.object;
    if (!model) {
        return;
    }
    // 网络低性能
    if (model.networkInfo.level == kNetworkLevelPoor) {
        self.screenScale = [self scale] - 1;
        return;
    }
    // 内存低性能
    if (model.memoryInfo.level == kMemoryLevelPoor) {
        self.screenScale = [self scale] - 1;
        return;
    }
    // 电量低性能
    if (model.batteryInfo.level == kBatteryLevelPoor) {
        self.screenScale = [self scale] - 1;
        return;
    }
    self.screenScale = [self scale];
}

业务层使用图片加载方式较为简单方便，如下：

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//ImageMaker.m
@interface NSString (ImageMaker)
   
/**
@brief 处理图片url回调

@return 返回新的处理url结果
*/
- (NSString *)imageMaker:(void (^)(ImageMaker *maker))block;

@end

//Demo.m
NSString *oriImgUrl = @"https://xxx.xxipalfish.com/kid/img/logo.ad4731cb.png";
NSString *imgUrl = [oriImgUrl imageMaker:^(ImageMaker * _Nonnull maker) {
    maker.resize.w(168).h(125).mode(ImageResizeFill).rstUrl(); //Resize(图片缩放)
    maker.corners.radius(12).rstUrl(); // Corner(圆角矩形)
    maker.crop.x(100).y(90).rstUrl(); // Crop(自定义裁剪)
    maker.circle.radii(20).rstUrl(); // Circle(内切圆)
}];

总结与展望

动态性能分级策略在绘本 App 上已经应用，每天已有 60 万次的性能等级调整，在图片库中的应用使得我们在低端机上的表现有了初步的改善。除了上述的应用之外，我们也在设备图片库的缓存清理、空间存储上应用了此策略，将 App 的性能指标做了进一步优化。但伴鱼拥有庞大数量的组件库，性能分级策略的应用还需要做进一步推广，包括像日志、音视频、H5内容等。分级策略本身也有优化空间，我们也将持续打磨做到更高效。

参考文献

作者介绍

  • 赵杰，伴鱼 iOS 工程师，负责伴鱼绘本客户端研发，功能降级框架等工作
  • 岑志军，伴鱼 iOS 工程师，负责伴鱼绘本客户端研发，图片性能优化等工作
  • 吕洪阳，伴鱼 iOS 工程师，伴鱼绘本iOS端负责人

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