Android Systrace 基础知识(12) - Kernel_CPU Info 解读
本文是 Systrace 系列文章的第十二篇，主要是对 Systrace 中的 CPU 信息区域(Kernel)进行简单介绍，简单介绍了如何在 Systrace 中查看 Kernel 模块输出的 CPU 相关的信息，了解 CPU 频率、调度、锁频、锁核相关的信息
本系列的目的是通过 Systrace 这个工具，从另外一个角度来看待 Android 系统整体的运行，同时也从另外一个角度来对 Framework 进行学习。也许你看了很多讲 Framework 的文章，但是总是记不住代码，或者不清楚其运行的流程，也许从 Systrace 这个图形化的角度，你可以理解的更深入一些。
系列文章目录
- [Systrace 简介[1]]
- [Systrace 基础知识 - Systrace 预备知识[2]]
- [Systrace 基础知识 - Why 60 fps ？[3]]
- [Systrace 基础知识 - SystemServer 解读[4]]
- [Systrace 基础知识 - SurfaceFlinger 解读[5]]
- [Systrace 基础知识 - Input 解读[6]]
- [Systrace 基础知识 - Vsync 解读[7]]
- [Systrace 基础知识 - Vsync-App ：基于 Choreographer 的渲染机制详解[8]]
- [Systrace 基础知识 - MainThread 和 RenderThread 解读[9]]
- [Systrace 基础知识 - Binder 和锁竞争解读[10]]
- [Systrace 基础知识 - Triple Buffer 解读[11]]
- Systrace 基础知识 - CPU Info 解读[12]
CPU 区域图例
下面是高通骁龙 845 手机 Systrace 对应的 Kernel 中的 CPU Info 区域（底下的一些这里不讲，主要是讲 Kernel CPU 信息）
Systrace 中 CPU Info 一般在最上面，里面经常会用到的信息包括：
- CPU 频率变化情况
- 任务执行情况
- 大小核的调度情况
- CPU Boost 调度情况
总的来说，Systrace 中的 Kernel CPU Info 这里一般是看任务调度信息，查看是否是频率或者调度导致当前任务出现性能问题，举例如下：
- 某个场景的任务执行比较慢，我们就可以查看是不是这个任务被调度到了小核？
- 某个场景的任务执行比较慢，当前执行这个任务的 CPU 频率是不是不够？
- 我的任务比较特殊，比如指纹解锁，能不能把我这个任务放到大核去跑？
- 我这个场景对 CPU 要求很高，我能不能要求在我这个场景运行的时候，限制 CPU 最低频率？
与 CPU 运行信息相关的内容在 Systrace 基础知识 -- 分析 Systrace 预备知识[13] 这篇文章里面有详细的讲解，不熟悉的同学可以配合这篇文章一起食用
核心架构
简单来说目前的手机 CPU 按照核心数和架构来说，可以分为下面三类：
- 非大小核架构
- 大小核架构
- 大中小核架构
目前的大部分 CPU 都是大小核架构，当然也有一些 CPU 是大中小核架构，比如高通骁龙 855\865，也有少部分 CPU 是非大小核架构
下面就来说说各种架构的区别，方便大家后续查看 Systrace
非大小核架构
很早的机器 CPU 只有双核心或者四核心的时候，一般只有一种核心架构，也就是说这四个核心或者两个核心是同构的，相同的频率，相同的功耗，一起开启或者关闭；有些高通的中低端处理器也会使用同构的八核心处理器，比如高通骁龙 636
现在的大部分机器已经不使用非大小核的架构了
大小核架构
现在的 CPU 一般采用 8 核心，八个核心中，CPU 0-3 一般是小核心，CPU 4-7，如下图中 Systrace 中就是按照这个排列的
小核心一般来说主频低，功耗也低，使用的一般是 arm A5X 系列，比如高通骁龙 845，小核心是由四个 A55 (最高主频 1.8GHz ) 组成
大核心一般来说最高主频比较高，功耗相对来说也会比较高，使用的一般是 arm A7X 系列，比如高通骁龙 845，大核心就是由四个 A75（最高主频 2.8GHz）组成
下图就是 845 的 CPU
当然大小核架构中还有一些变种，比如高通骁龙 636 (4 小核 + 2 大核）或者高通骁龙 710 (6 小核 + 2 大核），宗旨还是不变，「大核心用来支持高负载场景，小核心用来日常使用，至于够不够用，就看你舍不舍得花银子，毕竟一分价钱一分货，高通爸爸也不是做福利的」
下面这些高通的主流大小核处理器的参数如下
大中小核架构
部分 CPU 比较另辟蹊径，选择了大中小核的架构，比如高通骁龙 855 8 核 (1 个 A76 的大核+3 个 A76 的中核 + 4 个 A55 的小核）和之前的的 MTK X30 10 核 (2 个 A73 的大核 + 4 个 A53 的中核 + 4 个 A35 的小核）以及麒麟 980 8 核 (2 个 A76 的大核 + 2 个 A76 的中核 + 4 个 A55 的小核）
相比大小核架构，大中小核架构中的大核可以理解为超大核(高通称之为 Gold +) ，这个超大核的个数一般比较少(1-2 个)，主频一般会比较高，功耗相对也会高很多，这个是用来处理一些比较繁重的任务
下图是 855、845 和麒麟 980 的对比
顺带提一嘴，今年的高通骁龙 865 依然是大中小核的架构，大核和中核用的是 A77 架构,小核用的是 A55，大核和中核最高频率不一样，「大核只有一个，主频到 2.8GHz」，不知道 865 Plus 会不会搞到 3GHz
绑核
绑核，顾名思义就是「把某个任务绑定到某个或者某些核心上，来满足这个任务的性能需求」：
- 任务本身负载比较高，需要在大核心上面才能满足时间要求
- 任务本身不想被频繁切换，需要绑定在某一个核心上面
- 任务本身不重要，对时间要求不高，可以绑定或者限制在小核心上面运行
上面是一些绑核的例子，目前 Android 中绑核操作一般是由系统来实现的，常用的有三种方法
配置 CPUset
使用 CPUset 子系统可以限制某一类的任务跑在特定的 CPU 或者 CPU 组里面，比如下面，Android 中会划分一些默认的 CPU 组，厂商可以针对不同的 CPU 架构进行定制，目前默认划分
- system-background 一些低优先级的任务会被划分到这里，只能跑到小核心里面
- foreground 前台进程
- top-app 目前正在前台和用户交互的进程
- background 后台进程
- foreground/boost 前台 boost 进程，通常是用来联动的，现在已经没有用到了，之前的时候是应用启动的时候，会把所有 foreground 里面的进程都迁移到这个进程组里面
每个 CPU 架构对应的 CPUset 的配置都不一样，每个厂商也会有不同的策略在里面，比如下面就是一个 Google 官方默认的配置，各位也可以查看对应的节点来查看自己的 CPUset 组的配置
//官方默认配置
write /dev/CPUset/top-app/CPUs 0-7
write /dev/CPUset/foreground/CPUs 0-7
write /dev/CPUset/foreground/boost/CPUs 4-7
write /dev/CPUset/background/CPUs 0-7
write /dev/CPUset/system-background/CPUs 0-3
// 自己查看
adb shell cat /dev/CPUset/top-app/CPUs
0-7对应的，可以在每个 CPUset 组的 tasks 节点下面看有哪些进程和线程是跑在这个组里面的
$ adb shell cat /dev/CPUset/top-app/tasks
1687
1689
1690
3559需要注意每个任务跑在哪个组里面，是动态的，并不是一成不变的，有权限的进程就可以改
部分进程也可以在启动的时候就配置好跑到哪个进程里面，下面是 lmkd 的启动配置，writepid /dev/CPUset/system-background/tasks 这一句把自己安排到了 system-background 这个组里面
service lmkd /system/bin/lmkd
class core
user lmkd
group lmkd system readproc
capabilities DAC_OVERRIDE KILL IPC_LOCK SYS_NICE SYS_RESOURCE BLOCK_SUSPEND
critical
socket lmkd seqpacket 0660 system system
writepid /dev/CPUset/system-background/tasks大部分 App 进程是根据状态动态去变化的,在 Process 这个类中有详细的定义
android/os/Process.java
/**
* Default thread group -
* has meaning with setProcessGroup() only, cannot be used with setThreadGroup().
* When used with setProcessGroup(), the group of each thread in the process
* is conditionally changed based on that thread's current priority, as follows:
* threads with priority numerically less than THREAD_PRIORITY_BACKGROUND
* are moved to foreground thread group. All other threads are left unchanged.
* @hide
*/
public static final int THREAD_GROUP_DEFAULT = -1;
/**
* Background thread group - All threads in
* this group are scheduled with a reduced share of the CPU.
* Value is same as constant SP_BACKGROUND of enum SchedPolicy.
* FIXME rename to THREAD_GROUP_BACKGROUND.
* @hide
*/
public static final int THREAD_GROUP_BG_NONINTERACTIVE = 0;
/**
* Foreground thread group - All threads in
* this group are scheduled with a normal share of the CPU.
* Value is same as constant SP_FOREGROUND of enum SchedPolicy.
* Not used at this level.
* @hide
**/
private static final int THREAD_GROUP_FOREGROUND = 1;
/**
* System thread group.
* @hide
**/
public static final int THREAD_GROUP_SYSTEM = 2;
/**
* Application audio thread group.
* @hide
**/
public static final int THREAD_GROUP_AUDIO_APP = 3;
/**
* System audio thread group.
* @hide
**/
public static final int THREAD_GROUP_AUDIO_SYS = 4;
/**
* Thread group for top foreground app.
* @hide
**/
public static final int THREAD_GROUP_TOP_APP = 5;
/**
* Thread group for RT app.
* @hide
**/
public static final int THREAD_GROUP_RT_APP = 6;
/**
* Thread group for bound foreground services that should
* have additional CPU restrictions during screen off
* @hide
**/
public static final int THREAD_GROUP_RESTRICTED = 7;在 OomAdjuster 中会动态根据进程的状态修改其对应的 CPUset 组， 详细可以自行查看 OomAdjuster 中 computeOomAdjLocked、updateOomAdjLocked、applyOomAdjLocked 的执行逻辑(Android 10)
配置 affinity
使用 affinity 也可以设置任务跑在哪个核心上，其系统调用的 taskset， taskset 用来查看和设定“CPU 亲和力”，其实就是查看或者配置进程和 CPU 的绑定关系，让某进程在指定的 CPU 核上运行，即是“绑核”。
taskset 的用法
「显示进程运行的 CPU」
taskset -p pid
注意，此命令返回的是十六进制的，转换成二进制后，每一位对应一个逻辑 CPU，低位是 0 号 CPU，依次类推。如果每个位置上是 1，表示该进程绑定了该 CPU。例如，0101 就表示进程绑定在了 0 号和 3 号逻辑 CPU 上了
「绑核设定」
taskset -pc 3 pid 表示将进程pid绑定到第3个核上
taskset -c 3 command 表示执行 command 命令，并将 command 启动的进程绑定到第3个核上。Android 中也可以使用这个系统调用，把任务绑定到某个核心上运行。部分较老的内核里面不支持 CPUset，就会用 taskset 来设置
调度算法
在 Linux 的调度算法中修改调度逻辑，也可以让指定的 task 跑在指定的核上面，部分厂家的核调度优化就是使用的这种方法，这里就不具体来讲了
锁频
正常情况下，CPU 的调度算法都可以满足日常的使用，但是在 Android 中的部分场景里面，单纯依靠调度器，可能会无法满足这个场景对性能的要求。比如说应用启动场景，如果让调度器去拉频率迁核，可能就会有一定的延迟，比如任务先在小核跑，发现小核频率不够，那就把小核频率往上拉，拉上去之后发现可能还是不够，经过几次一直拉到最高发现还是不够，然后把这个任务迁移到中核，频率也是一次一次拉，拉到最高发现还是不够，最好迁移到大核去做。这样一套下来，时间过去不少不说，启动速度也不是最快的
基于这种情况的考虑，系统中一般都会在这种特殊场景直接暴力拉核，将硬件资源直接拉到最高去运行，比如 CPU、GPU、IO、BUS 等；另外也会在某些场景把某些资源限制使用，比如发热太严重的时候，需要限制 CPU 的最高频率，来达到降温的目的；有时候基于功耗的考虑，也会限制一些资源在某些场景的使用
目前 Android 系统一般会在下面几个场景直接进行锁频（不同厂家也会自己定制）
- 应用启动
- 应用安装
- 转屏
- 窗口动画
- List Fling
- Game
以 高通平台为例，在 CPU Info 中我们也可以看到锁频的情况
锁频
CPU 状态
CPU info 中还有标识 CPU 状态的标记，如下图所示，CPU 状态有 0 ，1，2，3 这四种
之前的 CPU 支持热插拔，即不用的时候可以直接关闭，不过目前的 CPU 都不支持热插拔，而是使用 C-State
下面是摘抄的其他平台的支持 C0-C4 的处理器的状态和功耗状态，Android 中不同的平台表现不一致，大家可以做一下参考
1 . C0 状态（激活）
a . 这是 CPU 最大工作状态，在此状态下可以接收指令和处理数据
b . 所有现代处理器必须支持这一功耗状态
2 . C1 状态（挂起）
a . 可以通过执行汇编指令“ HLT （挂起）”进入这一状态
b . 唤醒时间超快！（快到只需 10 纳秒！）
c . 可以节省 70% 的 CPU 功耗
d . 所有现代处理器都必须支持这一功耗状态
3 . C2 状态（停止允许）
a . 处理器时钟频率和 I/O 缓冲被停止
b . 换言之，处理器执行引擎和 I/0 缓冲已经没有时钟频率
c . 在 C2 状态下也可以节约 70% 的 CPU 和平台能耗
d . 从 C2 切换到 C0 状态需要 100 纳秒以上
4 . C3 状态（深度睡眠）
a . 总线频率和 PLL 均被锁定
b . 在多核心系统下，缓存无效
c . 在单核心系统下，内存被关闭，但缓存仍有效可以节省 70% 的 CPU 功耗，但平台功耗比 C2 状态下大一些
d . 唤醒时间需要 50 微妙
Systrace 中的详细信息
Systrace 我们一般用 Chrome 打开，转换成图形化信息之后更加方便从整体去看，但其实 Systrace 也可以以文本的方式打开，也可以看到一些详细的信息。
比如下面就是一条标识 CPU 调度的 Message，解析的时候，里面的信息会被解析到各个模块
appEventThread-8193 [001] d..2 1638545.400415: sched_switch: prev_comm=appEventThread prev_pid=8193 prev_prio=97 prev_state=S ==> next_comm=swapper/1 next_pid=0 next_prio=120
详细来看
appEventThread-8193 -- 标识 TASK-PID
[001] -- 标识是哪个 CPU ，这里是 cpu0
d..2 -- 这是四个位，每个位分别对应 irqs-off、need-resched、hardirq/softirq、preempt-depth
1638545.400415 -- 标识 delay TIMESTAMP
sched_switch ...到最后 -- 标识信息区，里面包含前一个任务描述，前一个任务的 pid，前一个任务的优先级 ，当前任务，当前任务 pid，当前任务优先级另外里面仔细看也可以看到许多有趣的输出，可以加深对调度的理解
- sched_waking: comm=kworker/u16:4 pid=17373 prio=120 target_cpu=003
- sched_blocked_reason: pid=17373 iowait=0 caller=rpmh_write_batch+0x638/0x7d0
- cpu_idle: state=0 cpu_id=3
- softirq_raise: vec=6 [action=TASKLET]
- cpu_frequency_limits: min=1555200 max=1785600 cpu_id=0
- cpu_frequency_limits: min=710400 max=2419200 cpu_id=4
- cpu_frequency_limits: min=825600 max=2841600 cpu_id=7
参考
- 绑定 CPU 逻辑核心的利器——taskset[17]
- CPU 电源状态[18]
Reference
[1]Systrace 简介: https://www.androidperformance.com/2019/05/28/Android-Systrace-About/
[2]Systrace 基础知识 - Systrace 预备知识: https://www.androidperformance.com/2019/07/23/Android-Systrace-Pre/
[3]Systrace 基础知识 - Why 60 fps ？: https://www.androidperformance.com/2019/05/27/why-60-fps/
[4]Systrace 基础知识 - SystemServer 解读: https://www.androidperformance.com/2019/06/29/Android-Systrace-SystemServer/
[5]Systrace 基础知识 - SurfaceFlinger 解读: https://www.androidperformance.com/2020/02/14/Android-Systrace-SurfaceFlinger/
[6]Systrace 基础知识 - Input 解读: https://www.androidperformance.com/2019/11/04/Android-Systrace-Input/
[7]Systrace 基础知识 - Vsync 解读: https://www.androidperformance.com/2019/12/01/Android-Systrace-Vsync/
[8]Systrace 基础知识 - Vsync-App ：基于 Choreographer 的渲染机制详解: https://androidperformance.com/2019/10/22/Android-Choreographer/
[9]Systrace 基础知识 - MainThread 和 RenderThread 解读: https://www.androidperformance.com/2019/11/06/Android-Systrace-MainThread-And-RenderThread/
[10]Systrace 基础知识 - Binder 和锁竞争解读: https://www.androidperformance.com/2019/12/06/Android-Systrace-Binder/
[11]Systrace 基础知识 - Triple Buffer 解读: https://www.androidperformance.com/2019/12/15/Android-Systrace-Triple-Buffer
[12]Systrace 基础知识 - CPU Info 解读: https://www.androidperformance.com/2019/12/21/Android-Systrace-CPU
[13]Systrace 基础知识 -- 分析 Systrace 预备知识: https://www.androidperformance.com/2019/07/23/Android-Systrace-Pre/
[14]绑定 CPU 逻辑核心的利器——taskset: https://blog.csdn.net/breaksoftware/article/details/79160916
[15]CPU 电源状态: http://www.voidcn.com/article/p-kcjkqmld-bmg.html