ANR概述
首先，ANR(Application Not responding)是指应用程序未响应，Android系统对于一些事件需要在一定的时间范围内完成，如果超过预定时间能未能得到有效响应或者响应时间过长，都会造成ANR。ANR由消息处理机制保证，Android在系统层实现了一套精密的机制来发现ANR，核心原理是消息调度和超时处理。
其次，ANR机制主体实现在系统层。所有与ANR相关的消息，都会经过系统进程(system_server)调度，然后派发到应用进程完成对消息的实际处理，同时，系统进程设计了不同的超时限制来跟踪消息的处理。 一旦应用程序处理消息不当，超时限制就起作用了，它收集一些系统状态，譬如CPU/IO使用情况、进程函数调用栈，并且报告用户有进程无响应了(ANR对话框)。
然后，ANR问题本质是一个性能问题。ANR机制实际上对应用程序主线程的限制，要求主线程在限定的时间内处理完一些最常见的操作(启动服务、处理广播、处理输入)， 如果处理超时，则认为主线程已经失去了响应其他操作的能力。主线程中的耗时操作，譬如密集CPU运算、大量IO、复杂界面布局等，都会降低应用程序的响应能力。
哪些场景会造成ANR？
- 发生ANR时会调用AppNotRespondingDialog.show()方法弹出对话框提示用户，该对话框的依次调用关系如下图所示：
ANR对话框调用关系
- AppErrors.appNotResponding()，该方法是最终弹出ANR对话框的唯一入口 ，调用该方法的场景才会有ANR提示，也可以认为在主线程中执行无论再耗时的任务，只要最终不调用该方法，都不会有ANR提示，也不会有ANR相关日志及报告；通过调用关系可以看出哪些场景会导致ANR，有以下四种场景：
- Service Timeout:Service在特定的时间内无法处理完成
- BroadcastQueue Timeout：BroadcastReceiver在特定时间内无法处理完成
- ContentProvider Timeout：内容提供者执行超时
- inputDispatching Timeout: 按键或触摸事件在特定时间内无响应。
ANR机制
ANR机制可以分为两部分：
- ANR监测机制： Android对于不同的ANR类型(Broadcast, Service, InputEvent)都有一套监测机制。
- ANR报告机制： 在监测到ANR以后，需要显示ANR对话框、输出日志(发生ANR时的进程函数调用栈、CPU使用情况等)。
整个ANR机制的代码也是横跨了Android的几个层：
- App层 ：应用主线程的处理逻辑；
- Framework层 ：ANR机制的核心，主要有AMS、BroadcastQueue、ActiveServices、InputmanagerService、InputMonitor、InputChannel、ProcessCpuTracker等；
- Native层 ：InputDispatcher.cpp；
Provider超时机制遇到的比较少，暂不做分析；Broadcast目前主要想说两个知识点：
- 第一：无论是普通广播还是有序广播，最终广播接受者的onreceive都是串行执行的，可以通过Demo进行验证；
- 第二：通过Demo以及框架添加相关日志，都验证了普通广播也会有ANR监测机制，ANR机制以及问题分析文章认为只有串行广播才有ANR监测机制，后续再会专门讲解Broadcast发送及接收流程，同时也会补充Broadcast ANR监测机制；本文主要以Servie处理超时、输入事件分发超时为例探讨ANR监测机制。
Service超时监测机制
Service运行在应用程序的主线程，如果Service的执行时间超过20秒，则会引发ANR。
当发生Service ANR时，一般可以先排查一下在Service的生命周期函数中(onCreate(), onStartCommand()等)有没有做耗时的操作，譬如复杂的运算、IO操作等。 如果应用程序的代码逻辑查不出问题，就需要深入检查当前系统的状态：CPU的使用情况、系统服务的状态等，判断当时发生ANR进程是否受到系统运行异常的影响。
如何检测Service超时呢？Android是通过设置定时消息实现的。定时消息是由AMS的消息队列处理的(system_server的ActivityManager线程)。 AMS有Service运行的上下文信息，所以在AMS中设置一套超时检测机制也是合情合理的。我们先抛出两个问题
- 问题一：Service启动流程？
- 问题一：如何监测Service超时？
主要通过以上两个问题来说明Service监测机制，在知道Service启动流程之后，通过Service启动流程可以更容易分析Service超时监测机制。
- Service启动流程如下图所示：
Servie启动流程
- ActiveServices.realStartServiceLocked()在通过app.thread的scheduleCreateService()来创建Service对象并调用Service.onCreate()后，接着又调用sendServiceArgsLocked()方法来调用Service的其他方法，如onStartCommand。以上两步均是进程间通信，应用与AMS之间跨进程通信可以参考应用进程与系统进程通信
- 以上只是列出Service启动流程的关键步骤，具体每个方法主要做哪些工作还需要查看具体的代码，暂时先忽略这些，感兴趣的可以参考Android开发艺术探索等其他相关资料2. Service超时监测机制
- Service超时监测机制
可以从Service启动流程中找到。
- ActiveServices.realStartServiceLocked()主要工作有
- bumpServiceExecutingLocked()会调用scheduleServiceTimeoutLocked()方法
void scheduleServiceTimeoutLocked(ProcessRecord proc) { if (proc.executingServices.size() == 0 || proc.thread == null) { return; } Message msg = mAm.mHandler.obtainMessage( ActivityManagerService.SERVICE_TIMEOUT_MSG); msg.obj = proc; // 在serviceDoneExecutingLocked中会remove该SERVICE_TIMEOUT_MSG消息， // 当超时后仍没有remove SERVICE_TIMEOUT_MSG消息，则执行ActiveServices. serviceTimeout()方法； mAm.mHandler.sendMessageDelayed(msg, proc.execServicesFg ? SERVICE_TIMEOUT : SERVICE_BACKGROUND_TIMEOUT); // 前台进程中执行Service，SERVICE_TIMEOUT=20s；后台进程中执行Service，SERVICE_BACKGROUND_TIMEOUT=200s } - 如果在指定的时间内还没有serviceDoneExecutingLocked()方法将消息remove掉，就会调用ActiveServices. serviceTimeout()方法
void serviceTimeout(ProcessRecord proc) { ... final long maxTime = now - (proc.execServicesFg ? SERVICE_TIMEOUT : SERVICE_BACKGROUND_TIMEOUT); ... // 寻找运行超时的Service for (int i=proc.executingServices.size()-1; i>=0; i--) { ServiceRecord sr = proc.executingServices.valueAt(i); if (sr.executingStart < maxTime) { timeout = sr; break; } ... } ... // 判断执行Service超时的进程是否在最近运行进程列表，如果不在，则忽略这个ANR if (timeout != null && mAm.mLruProcesses.contains(proc)) { anrMessage = "executing service " + timeout.shortName; } ... if (anrMessage != null) { // 当存在timeout的service，则执行appNotResponding，报告ANR mAm.appNotResponding(proc, null, null, false, anrMessage); } } - Service onCreate超时监测整体流程如下图
Service超时监测整体流程
- ActiveServices.realStartServiceLocked()主要工作有
在onCreate生命周期开始执行前，启动超时监测，如果在指定的时间onCreate没有执行完毕（该该方法中执行耗时任务），就会调用ActiveServices.serviceTimeout()方法报告ANR；如果在指定的时间内onCreate执行完毕，那么就会调用ActivityManagerService.serviceDoneExecutingLocked()方法移除SERVICE_TIMEOUT_MSG消息，说明Service.onCreate方法没有发生ANR，Service是由AMS调度，利用Handler和Looper，设计了一个TIMEOUT消息交由AMS线程来处理，整个超时机制的实现都是在Java层；以上就是Service超时监测的整体流程。
输入事件超时监测
应用程序可以接收输入事件(按键、触屏、轨迹球等)，当5秒内没有处理完毕时，则会引发ANR。
这里先把问题抛出来了：
- 输入事件经历了一些什么工序才能被派发到应用的界面？
- 如何检测到输入时间处理超时？
1. Android输入系统简介
Android输入系统总体流程与参与者如下图所示。
简单来说，内核将原始事件写入到设备节点中，InputReader在其线程循环中不断地从EventHub中抽取原始输入事件，进行加工处理后将加工所得的事件放入InputDispatcher的派发发队列中。InputDispatcher则在其线程循环中将派发队列中的事件取出，查找合适的窗口，将事件写入到窗口的事件接收管道中。窗口事件接收线程的Looper从管道中将事件取出，交由窗口事件处理函数进行事件响应。关键流程有：原始输入事件的读取与加工；输入事件的派发；输入事件的发送、接收与反馈。其中输入事件派发是指InputDispatcher不断的从派发队列取出事件、寻找合适的窗口进行发送的过程，输入事件的发送是InputDispatcher通过Connection对象将事件发送给窗口的过程。
InputDispatcher与窗口之间的跨进程通信主要通过InputChannel来完成。在InputDispatcher与窗口通过InputChannel建立连接之后，就可以进行事件的发送、接收与反馈；输入事件的发送和接收主要流程如图所示：
其中，将输入事件注入派发队列后，会唤醒派发线程，派发线程循环由InputDispatcher.dispatchOnce函数完成；InputDispatcher将事件以InputMessage写入InputChannel之后，窗口端的looper被唤醒，进而执行NativeInputReceiver::handleEvent()开始输入事件的接收，从InputEventReceiver开始输入事件被派发到用户界面；以上只是输入事件的大致流程，更详细的流程可以参考相关资料；在了解输入系统的大致流程之后，我们来分析输入事件的超时监测机制。
2. 输入事件超时监测
按键事件超时监测整体流程如下图所示
- InputDispatcher::dispatchOnceInnerLocked():根据事件类型选择不同事件的处理方法：InputDispatcher::dispatchKeyLocked()或者InputDispatcher::dispatchMotionLocked()，我们以按键事件超时监测为例进行说明；
- findFocusedWindowTargetsLocked()方法会调用checkWindowReadyForMoreInputLocked（）;该方法检查窗口是否有能力再接收新的输入事件；可能会有一系列的场景阻碍事件的继续派发，相关场景有：
- 场景1: 窗口处于paused状态，不能处理输入事件“Waiting because the [targetType] window is paused.”
- 场景2: 窗口还未向InputDispatcher注册，无法将事件派发到窗口“Waiting because the [targetType] window’s input channel is not registered with the input dispatcher. The window may be in the process of being removed.”
- 场景3: 窗口和InputDispatcher的连接已经中断，即InputChannel不能正常工作“Waiting because the [targetType] window’s input connection is [status]. The window may be in the process of being removed.”
- 场景4: InputChannel已经饱和，不能再处理新的事件“Waiting because the [targetType] window’s input channel is full. Outbound queue length: %d. Wait queue length: %d.”
- 场景5: 对于按键类型(KeyEvent)的输入事件，需要等待上一个事件处理完毕“Waiting to send key event because the [targetType] window has not finished processing all of the input events that were previously delivered to it. Outbound queue length: %d. Wait queue length: %d.”
- 场景6: 对于触摸类型(TouchEvent)的输入事件，可以立即派发到当前的窗口，因为TouchEvent都是发生在用户当前可见的窗口。但有一种情况， 如果当前应用由于队列有太多的输入事件等待派发，导致发生了ANR，那TouchEvent事件就需要排队等待派发。“Waiting to send non-key event because the %s window has not finished processing certain input events that were delivered to it over %0.1fms ago. Wait queue length: %d. Wait queue head age: %0.1fms.”
- 以上这些场景就是我们常在日志中看到的ANR原因的打印。
- 其中事件分发5s限制定义在InputDispatcher.cpp；InputDispatcher::handleTargetsNotReadyLocked（）方法中如果事件5s之内还没有分发完毕，则调用InputDispatcher::onANRLocked()提示用户应用发生ANR；
//默认分发超时间为5s const nsecs_t DEFAULT_INPUT_DISPATCHING_TIMEOUT = 5000 * 1000000LL; int32_t InputDispatcher::handleTargetsNotReadyLocked(nsecs_t currentTime, const EventEntry* entry, const sp<InputApplicationHandle>& applicationHandle, const sp<InputWindowHandle>& windowHandle, nsecs_t* nextWakeupTime, const char* reason) { // 1.如果当前没有聚焦窗口，也没有聚焦的应用 if (applicationHandle == NULL && windowHandle == NULL) { ... } else { // 2.有聚焦窗口或者有聚焦的应用 if (mInputTargetWaitCause != INPUT_TARGET_WAIT_CAUSE_APPLICATION_NOT_READY) { // 获取等待的时间值 if (windowHandle != NULL) { // 存在聚焦窗口，DEFAULT_INPUT_DISPATCHING_TIMEOUT事件为5s timeout = windowHandle->getDispatchingTimeout(DEFAULT_INPUT_DISPATCHING_TIMEOUT); } else if (applicationHandle != NULL) { // 存在聚焦应用，则获取聚焦应用的分发超时时间 timeout = applicationHandle->getDispatchingTimeout( DEFAULT_INPUT_DISPATCHING_TIMEOUT); } else { // 默认的分发超时时间为5s timeout = DEFAULT_INPUT_DISPATCHING_TIMEOUT; } } } // 如果当前时间大于输入目标等待超时时间，即当超时5s时进入ANR处理流程 // currentTime 就是系统的当前时间，mInputTargetWaitTimeoutTime 是一个全局变量, if (currentTime >= mInputTargetWaitTimeoutTime) { // 调用ANR处理流程 onANRLocked(currentTime, applicationHandle, windowHandle, entry->eventTime, mInputTargetWaitStartTime, reason); // 返回需要等待处理 return INPUT_EVENT_INJECTION_PENDING; } } - 当应用主线程被卡住的事件，再点击该应用其它组件也是无响应，因为事件派发是串行的，上一个事件不处理完毕，不会处理下一个事件。
- Activity.onCreate执行耗时操作，不管用户如何操作都不会发生ANR，因为输入事件相关监听机制还没有建立起来；InputChannel通道还没有建立。这时是不会响应输入事件，InputDispatcher还不能事件发送到应用窗口，ANR监听机制也还没有建立，所以此时是不会报告ANR的。
- 输入事件由InputDispatcher调度，待处理的输入事件都会进入队列中等待，设计了一个等待超时的判断，超时机制的实现在Native层。
以上就是输入事件ANR监测机制；具体逻辑请参考相关源码；
ANR报告机制
无论哪种类型的ANR发生以后，最终都会调用 AppErrors.appNotResponding() 方法，所谓“殊途同归”。这个方法的职能就是向用户或开发者报告ANR发生了。 最终的表现形式是：弹出一个对话框，告诉用户当前某个程序无响应;输入一大堆与ANR相关的日志，便于开发者解决问题。
final void appNotResponding(ProcessRecord app, ActivityRecord activity,
ActivityRecord parent, boolean aboveSystem, final String annotation) {
...
if (ActivityManagerService.MONITOR_CPU_USAGE) {
// 1. 更新CPU使用信息。ANR的第一次CPU信息采样，采样数据会保存在mProcessStats这个变量中
mService.updateCpuStatsNow();
}
// 记录ANR到EventLog中
EventLog.writeEvent(EventLogTags.AM_ANR, app.userId, app.pid,
app.processName, app.info.flags, annotation);
// 输出ANR到main log.
StringBuilder info = new StringBuilder();
info.setLength(0);
info.append("ANR in ").append(app.processName);
if (activity != null && activity.shortComponentName != null) {
info.append(" (").append(activity.shortComponentName).append(")");
}
info.append("\n");
info.append("PID: ").append(app.pid).append("\n");
if (annotation != null) {
info.append("Reason: ").append(annotation).append("\n");
}
if (parent != null && parent != activity) {
info.append("Parent: ").append(parent.shortComponentName).append("\n");
}
// 3. 打印调用栈。具体实现由dumpStackTraces()函数完成
File tracesFile = ActivityManagerService.dumpStackTraces(
true, firstPids,
(isSilentANR) ? null : processCpuTracker,
(isSilentANR) ? null : lastPids,
nativePids);
String cpuInfo = null;
// MONITOR_CPU_USAGE默认为true
if (ActivityManagerService.MONITOR_CPU_USAGE) {
// 4. 更新CPU使用信息。ANR的第二次CPU使用信息采样。两次采样的数据分别对应ANR发生前后的CPU使用情况
mService.updateCpuStatsNow();
synchronized (mService.mProcessCpuTracker) {
// 输出ANR发生前一段时间内各个进程的CPU使用情况
cpuInfo = mService.mProcessCpuTracker.printCurrentState(anrTime);
}
// 输出CPU负载
info.append(processCpuTracker.printCurrentLoad());
info.append(cpuInfo);
}
// 输出ANR发生后一段时间内各个进程的CPU使用率
info.append(processCpuTracker.printCurrentState(anrTime));
//会打印发生ANR的原因，如输入事件导致ANR的不同场景
Slog.e(TAG, info.toString());
if (tracesFile == null) {
// There is no trace file, so dump (only) the alleged culprit's threads to the log
// 发送signal 3(SIGNAL_QUIT)来dump栈信息
Process.sendSignal(app.pid, Process.SIGNAL_QUIT);
}
// 将anr信息同时输出到DropBox
mService.addErrorToDropBox("anr", app, app.processName, activity, parent, annotation,
cpuInfo, tracesFile, null);
// Bring up the infamous App Not Responding dialog
// 5. 显示ANR对话框。抛出SHOW_NOT_RESPONDING_MSG消息，
// AMS.MainHandler会处理这条消息，显示AppNotRespondingDialog对话框提示用户发生ANR
Message msg = Message.obtain();
HashMap<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
msg.what = ActivityManagerService.SHOW_NOT_RESPONDING_UI_MSG;
msg.obj = map;
msg.arg1 = aboveSystem ? 1 : 0;
map.put("app", app);
if (activity != null) {
map.put("activity", activity);
}
mService.mUiHandler.sendMessage(msg);
}
}
除了主体逻辑，发生ANR时还会输出各种类别的日志：
- event log ：通过检索”am_anr”关键字，可以找到发生ANR的应用
- main log ：通过检索”ANR in “关键字，可以找到ANR的信息，日志的上下文会包含CPU的使用情况
- dropbox ：通过检索”anr”类型，可以找到ANR的信息
- traces ：发生ANR时，各进程的函数调用栈信息
至此ANR相关报告已经完成，后续需要分析ANR问题，分析ANR往往是从main log中的CPU使用情况和traces中的函数调用栈开始。所以，更新CPU的使用信息updateCpuStatsNow()方法和打印函数栈dumpStackTraces()方法，是系统报告ANR问题关键所在，具体分析ANR问题请参考相关资料。
总结
- ANR的监测机制 ：首先分析Service和输入事件大致工作流程，然后从Service，InputEvent两种不同的ANR监测机制的源码实现开始，分析了Android如何发现各类ANR。在启动服务、输入事件分发时，植入超时检测，用于发现ANR。
- ANR的报告机制 ：分析Android如何输出ANR日志。当ANR被发现后，两个很重要的日志输出是：CPU使用情况和进程的函数调用栈，这两类日志是我们解决ANR问题的利器。
- 监测ANR的核心原理 是消息调度和超时处理。
- 只有被ANR监测的场景才会有ANR报告以及ANR提示框。
参考资料
- ANR机制以及问题分析
- 理解Android ANR的触发原理
- 深入理解Android卷三（Android输入系统）
- Android开发艺术探索
- Android源码