Android高手笔记 - 耗电优化

耗电的背景知识

电池技术：电池容量，充电时间，寿命，安全性；
电量和硬件：应用程序不会直接去消耗电池，而是通过使用硬件模块消耗相应的电能；CPU、屏幕、WiFi 和数据网络、GPS 以及音视频通话都是我们日常的耗电大户。
电量和应用程序：电能 = 电压 * 电流 * 时间，手机电压一般不会改变，所以模块电量(mAh) = 模块电流(mA) * 模块耗时(h)；
- 模块电流应该怎样去获取呢？Android 系统要求不同的厂商必须在 /frameworks/base/core/res/res/xml/power_profile.xml 中提供组件的电源配置文件。
- Android 系统的电量计算PowerProfile也是通过读取power_profile.xml的数值而已；

    (1). 不同的厂商具体的数值都不太一样，我们可以通过下面的方法获取：1. 从手机中导出/system/framework/framework-res.apk文件。2. 使用反编译工具（如 apktool）对导出文件framework-res.apk进行反编译。3. 查看power_profile.xml文件在framework-res反编译目录路径：/res/xml/power_profile.xml。(2). 系统的电量消耗情况，我们可以通过 dumpsys batterystats 导出:adb shell dumpsys batterystats > battery.txt// 各个Uid的总耗电量，而且是粗略的电量计算估计。Estimated power use (mAh):Capacity: 3450, Computed drain: 501, actual drain: 552-587...Idle: 41.8Uid 0: 135 ( cpu=103 wake=31.5 wifi=0.346 )Uid u0a208: 17.8 ( cpu=17.7 wake=0.00460 wifi=0.0901 )Uid u0a65: 17.5 ( cpu=12.7 wake=4.11 wifi=0.436 gps=0.309 )...// reset电量统计adb shell dumpsys batterystats --reset(3).当测试或者其他人反馈耗电问题时，bug report结合Battery Historian是最好的排查方法。//7.0和7.0以后$ adb bugreport bugreport.zip//6.0和6.0之前:$ adb bugreport > bugreport.txt//通过historian图形化展示结果python historian.py -a bugreport.txt > battery.html

Android 耗电的演进历程

野蛮生长：Pre Android 5.0
- Android 5.0 之前，系统并不是那么完善，对于电量优化相对还是比较少的。特别没有对应用的后台做严格的限制，多进程、fork native 进程以及广播拉起等各种保活流行了起来。
逐步收紧：Android 5.0～Android 8.0
- Android 5.0 专门开启了一个Volta 项目，目标是改善电池的续航。在优化电量的同时，还增加了的 dumpsys batteryst 等工具生成设备电池使用情况统计数据。
  (5.0： Volta项目，JobScheduler,dumpsys batterystats,BatteryHistorian,修复native fork进程保活的bug)
- 从 Android 6.0 开始，Google 开始着手清理后台应用和广播来进一步优化省电。
  (6.0: 省电功能，Doze低功耗模式，AppStandby应用待机模式)
  (7.0: 优化省电功能，Doze加强版，implicit broadcasts限制，混合编译)
  (8.0: 更多优化省电功能，后台执行限制，后台位置限制)
最严限制：Android 9.0
- 从 Android 9.0 开始，Google 对电源管理引入了几个更加严格的限制。
  (9.0: 应用待机分组AppStandbyBueckets，应用后台限制BackgroundRestrictions，省电模式BatterySaver)

耗电优化

什么是耗电优化

所谓的耗电优化不就是减少应用的耗电，增加用户的续航时间吗？
但是落到实践中，如果我们的应用需要播放视频、需要获取 GPS 信息、需要拍照，这些耗电看起来是无法避免的。

从哪些方面优化

1. 后台耗电：

用户对于实际经常使用的应用耗电是有预期的，但是如果一个不常用的应用耗电耗却非常多就会很容易引起关注，所以电优化的第一个方向是优化应用的后台耗电；例如长时间获取 WakeLock、WiFi 和蓝牙的扫描等。

2. 符合系统的规则

Android P 是通过 Android Vitals 监控后台耗电，所以我们需要符合 Android Vitals 的规则

后台 Alarm 唤醒、后台网络、后台 WiFi 扫描以及部分长时间 WakeLock 阻止系统后台休眠：
1. Alarm Manager Wakeup唤醒过多：手机非充电状态时，每小时唤醒次数大于10次；
2. 频繁使用局部唤醒锁：手机非充电状态时，partial wake lock持有超时1小时；
3. 后台网络使用过高：手机非充电状态时，且应用在后台，每小时网络使用量超过50MB；
4. 后台wifi scans过多：手机非充电状态时，且应用在后台，每小时大于4次；

耗电优化的几个问题

缺乏现场，无法复现；
信息不全，难以定位；
无法评估结果；

为什么需要在后台耗电

某个需求场景。最普遍的场景就是推送，为了实现推送我们只能做各种各样的保活。在需求面前，用户的价值可能被排到第二位。
代码的 Bug。因为某些逻辑考虑不周，可能导致 GPS 没有关闭、WakeLock 没有释放。

耗电优化的方法

找到需求场景的替代方案，后台任务的总体指导思想是减少、延迟和合并
- 推送：
  1. 厂商通道；
  2. 定时拉取最新消息；
  3. foreground service或引导用户加入白名单；
- 若需要后台运行：
  1. 长时间下载：DownloadManager
  2. 数据同步：SyncAdapter(尽可能的打包所有需要同步的任务在一个周期中执行)
  3. 本地任务：JobScheduler(minApi21,Google官方建议网络请求相关业务放到JobScheduler)

        /*** 开启 JobScheduler*/private void startJobScheduler() {if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP) {JobScheduler jobScheduler = (JobScheduler) getSystemService(Context.JOB_SCHEDULER_SERVICE);JobInfo.Builder builder = new JobInfo.Builder(1, new ComponentName(getPackageName(), JobSchedulerService.class.getName()));// 设置仅在 充电和WIFI 下才使用 JobScheduler 进行批量任务处理builder.setRequiresCharging(true).setRequiredNetworkType(JobInfo.NETWORK_TYPE_UNMETERED);jobScheduler.schedule(builder.build());}}//JobSchedulerService 就是用于进行批量任务处理的服务/*** 用于进行批量任务处理的 JobSchedulerService*/@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)public class JobSchedulerService extends JobService {@Overridepublic boolean onStartJob(JobParameters params) {// 此处执行在主线程// 模拟一些处理：批量网络请求，APM日志上报return false;}@Overridepublic boolean onStopJob(JobParameters params) {return false;}}

    4. 特定时间执行：AlarmManager(持有Wake Lock,时间间隔|重复的任务，不建议网络请求使用)5. 实时通信：FCM、MiPush6. 立刻执行：foreground service

符合Android规则
- 系统大部分耗电监控是在没充电时，所以我们可以在充电时才做一些耗电工作；

    IntentFilter ifilter = new IntentFilter(Intent.ACTION_BATTERY_CHANGED);Intent batteryStatus = context.registerReceiver(null, ifilter);//获取用户是否在充电的状态或者已经充满电了int status = batteryStatus.getIntExtra(BatteryManager.EXTRA_STATUS, -1);boolean isCharging = status == BatteryManager.BATTERY_STATUS_CHARGING || status == BatteryManager.BATTERY_STATUS_FULL;

- 尽早适配最新的TargetAPI，版本越高，系统的限制约严格；

异常情况监控
- 监控异常情况并且上报日志，便于定位线上问题；

耗电监控

仿照Android Vitals指定自己的规则；

使用Java Hook实现耗电监控：

WakeLock 用来阻止 CPU、屏幕甚至是键盘的休眠。类似 Alarm、JobService 也会申请 WakeLock 来完成后台 CPU 操作。

//WakeLock 的核心控制代码都在PowerManagerService中。
// 代理PowerManagerService
ProxyHook().proxyHook(context.getSystemService(Context.POWER_SERVICE), "mService", this)；
@Override
public void beforeInvoke(Method method, Object[] args) {// 申请Wakelockif (method.getName().equals("acquireWakeLock")) {if (isAppBackground()) {// 应用后台逻辑，获取应用堆栈等等} else {// 应用前台逻辑，获取应用堆栈等等}// 释放Wakelock} else if (method.getName().equals("releaseWakeLock")) {// 释放的逻辑}
}

Alarm 用来做一些定时的重复任务，它一共有四个类型，其中ELAPSED_REALTIME_WAKEUP和RTC_WAKEUP类型都会唤醒设备。

//Alarm 的核心控制逻辑都在AlarmManagerService中
// 代理AlarmManagerService
new ProxyHook().proxyHook(context.getSystemService
(Context.ALARM_SERVICE), "mService", this)；
public void beforeInvoke(Method method, Object[] args) {// 设置Alarmif (method.getName().equals("set")) {// 不同版本参数类型的适配，获取应用堆栈等等// 清除Alarm} else if (method.getName().equals("remove")) {// 清除的逻辑}
}

其他
- 对于后台 CPU，我们可以使用卡顿监控学到的方法。
- 对于后台网络，同样我们可以通过网络监控学到的方法。
- 对于 GPS 监控，我们可以通过 Hook 代理LOCATION_SERVICE。
- 对于 Sensor，我们通过 Hook SENSOR_SERVICE中的“mSensorListeners”，可以拿到部分信息。
通过 Hook，我们可以在申请资源的时候将堆栈信息保存起来。当我们触发某个规则上报问题的时候，可以将收集到的堆栈信息、
电池是否充电、CPU 信息、应用前后台时间等辅助信息也一起带上。

通过插桩实现耗电监控

虽然使用 Hook 非常简单，但是某些规则可能不太容易找到合适的 Hook 点。而且在 Android P 之后，很多的 Hook 点都不支持了。
以WakeLock为例

public class WakelockMetrics {// Wakelock 申请public void acquire(PowerManager.WakeLock wakelock) {wakeLock.acquire();// 在这里增加Wakelock 申请监控逻辑}// Wakelock 释放public void release(PowerManager.WakeLock wakelock, int flags) {wakelock.release();// 在这里增加Wakelock 释放监控逻辑}
}

Facebook 也有一个耗电监控的开源库Battery-Metrics
课后练习https://github.com/AndroidAdvanceWithGeektime/Chapter19

电量检测方案

设置—耗电排行：直观，但没有详细数据，对解决问题帮助不大
使用广播监听电量变化—ACTION_BATTERY_CHANGED：价值不大：针对手机整体的耗电量，而非单个 App
dumpsys batterystats：adb shell dumpsys batterystats > battery.txt
Battery Historian：https://github.com/google/battery-historian

Gradle 耗电量统计插件中 BatteryCreateMethodVisitor 的核心实现代码

@Override
public void visitMethodInsn(int opcode, String owner, String name, String descriptor, boolean isInterface) {// 监控 WakelockString monitorClass = "com/ss/android/ugc/bytex/example/battery_monitor/WakelockMetrics";if (!monitorClass.equals(className)&& "android/os/PowerManager$WakeLock".equals(owner)&& opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL&& "acquire".equals(name)) {mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC,monitorClass,name,"(Landroid/os/PowerManager$WakeLock;J)V",isInterface);return;}if (!monitorClass.equals(className)&& "android/os/PowerManager$WakeLock".equals(owner)&& opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL&& "release".equals(name)) {mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC,monitorClass,name,"(Landroid/os/PowerManager$WakeLock;)V",isInterface);return;}// 监控 GpsmonitorClass = "com/ss/android/ugc/bytex/example/battery_monitor/GpsMetrics";if (!monitorClass.equals(className)&& "android/location/LocationManager".equals(owner)&& opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL&& "requestLocationUpdates".equals(name)) {mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC,monitorClass,name,"(Landroid/location/LocationManager;Ljava/lang/String;JFLandroid/location/LocationListener;)V",isInterface);return;}if (!monitorClass.equals(className)&& "android/location/LocationManager".equals(owner)&& opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL&& "removeUpdates".equals(name)) {mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC,monitorClass,name,"(Landroid/location/LocationManager;Landroid/location/LocationListener;)V",isInterface);return;}// 监控 Alarm ServicemonitorClass = "com/ss/android/ugc/bytex/example/battery_monitor/AlarmMetrics";if (!monitorClass.equals(className)&& "android/app/AlarmManager".equals(owner)&& opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL&& "set".equals(name)) {mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC,monitorClass,name,"(Landroid/app/AlarmManager;IJLandroid/app/PendingIntent;)V",isInterface);return;}if (!monitorClass.equals(className)&& "android/app/AlarmManager".equals(owner)&& opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL&& "cancel".equals(name)) {mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC,monitorClass,name,"(Landroid/app/AlarmManager;Landroid/app/PendingIntent;)V",isInterface);return;}super.visitMethodInsn(opcode, owner, name, descriptor, isInterface);
}

参考文章

Android开发高手课-耗电优化（上）：从电量优化的演进看耗电分析
Android开发高手课-耗电优化（下）：耗电的优化方法与线上监控
大众点评App的短视频耗电量优化实战
Android Vitals
Battery Historian
Android后台调度任务与省电
Android P 电量管理
电源管理限制
深入探索 Android 电量优化

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耗电的背景知识

Android 耗电的演进历程

耗电优化

什么是耗电优化

从哪些方面优化

1. 后台耗电：

2. 符合系统的规则

耗电优化的几个问题

为什么需要在后台耗电

耗电优化的方法

耗电监控

使用Java Hook实现耗电监控：

通过插桩实现耗电监控

电量检测方案

Gradle 耗电量统计插件中 BatteryCreateMethodVisitor 的核心实现代码

参考文章

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