iOS--App功耗优化

良好的用户体验需要如下要素：

电池寿命长。随着能效降低，电池寿命也会降低。但用户想让自己的移动设备全天候待命。

速度快。iOS系统处理复杂操作时仍能提供很好的性能。

响应快。同一时刻消耗太多资源会使UI卡顿，响应用户速度变慢。

温度低。app消耗的硬件资源的越多，系统工作越繁重，设备的温度就会逐渐上升。这时系统会通过一些措施降低设备温度。

　　iOS运用了很多先进的节能技术确保用户有很好的用户体验，包括软硬件配合优化、先进的App调度机制、网络延时操作、任务优先级管理机制等。

　　App中很小的低效行为在整个系统中累加后，会对电池寿命、性能、响应速度和温度产生明显的影响。使用苹果推荐的API，以确保系统可以正确地判断如何更好地管理我们的app和app使用的各种资源。分批、减少网络操作。尽可能避免不需要的UI刷新。功耗大的操作应该在用户的控制之中。比如，如果用户正在玩一个视图非常复杂的大型游戏，电量消耗很快用户是可以理解的。不响应用户操作时，app尽量不要执行任何操作。

基本概念

　　没有一劳永逸地解决能耗问题的方案。很多技术和操作影响着电量的使用：

　　CPU。 CPU是电能消耗大户，高CPU使用量会迅速消耗掉用户的电池电量。app做的每件事几乎都需要用CPU，所以使用CPU要精打细算，真正有需要时通过分批、定时、有序地执行任务。

　　设备唤醒。iOS设备通过睡眠来节能。只要设备被唤醒，屏幕和其他的硬件资源就必须通电，会产生很高的间接功耗。如非必须，app要尽量保持闲置，不要推送消息或用其他方式唤醒设备，特别是app在后台的时候。

　　网络操作。大多数app都需要网络操作。网络通信时，蜂窝数据和Wi-Fi等元器件开始工作就会消耗电能。分批传输、减少传输、压缩数据、恰当地处理错误，你的app省电效果会很显著。

　　图像、动画、视频。app内容每次更新到屏幕上都需要消耗电能处理像素信息。动画和视频格外耗电。不经意的或者不必要的内容更新同样会消耗电能，所以UI不可见时，应该避免更新其内容。

　　位置。很多app为了记录用户的活动或者提供基于位置的服务会进行定位。定位精度越高，定位时间越长，消耗电量也就越多。所以app应该尽量降低定位精度、缩短定位时间。不需要位置信息之后立即停止定位。

　　动作传感器。长时间用不上加速度计、陀螺仪、磁力计等设备的动作数据时，应该停止更新数据，不然也会浪费电能。应按需获取，用完即停。

　　蓝牙。蓝牙活动频度太高会消耗电能，应该尽量分批、减少数据轮询等操作。

　　

简化、有序地工作

减少后台工作

　　实现UIApplicationDelegate中的方法，应用进入后台前做好暂停任务，保存数据等工作。如果确实需要完成用户执行的一些任务，应该调用UIApplicationDelegate中的beginBackgroundTaskWithExpirationHandler: 方法，这样后台任务可以继续执行几分钟。任务执行完毕后一定要调用endBackgroundTask:方法，不要等着系统强行挂起进程。

　　iOS8之后，系统引入了CPU监控机制，以观察后台app的CPU使用量是否超过了限制，如果超出限制，进程可能会被关闭。大多数情况下正常的后台任务不会遇到这种情况，如果遇到了可以查看崩溃日志信息，异常类型为EXC_RESOURCE，子类型为CPU_FATAL。

用QoS分级有序工作

　　多个app和众多操作需要共享CPU、缓存、网络等资源，为了保持高效，系统需要根据不同任务的优先级智能地管理这些工作。比如更新UI这种重要的事需要多分配资源，而一些后台任务可以延迟一些执行。服务质量(quality of service, 以下简称QoS, iOS8引入)级别可以通过NSOperation, NSOperationQueue, NSThread objects, dispatch queues, 和pthreads (POSIX threads)指定工作的优先级。有4种QoS级别（和2种特殊的级别），如表2所示，划线的两个特殊的级别一般不应该使用，仅作了解即可。最好情况是，用户不交互的时候，90%以上的时间让app运行在Utility或更低级别。

原来GCD中的全局并发队列（global_queue）用高、默认、低、后台来指定队列的优先级。现在应该改用QoS，两者的对应关系如表。

少使用定时器

　　app经常滥用定时器。想一下你app中的定时器，是否真的有必要存在。抛开具体场景不说，如果定时器触发太频繁，能耗影响是比较大的。

　　用事件通知代替定时器。有些app用定时器监控文件内容、网络或者其他状态的变化，这会导致CPU无法进入闲置状态而增加功耗。建议使用事件通知来代替定时器，比如使用dispatch source监测文件变化。对于系统提供的服务，尽量使用事件通知，表是常见的系统通知和对应的监测方法。

GCD里的dispatch queues、dispatch semaphores等同步工具比定时器效率高很多，尽量不要用定时器做同步工具。

所有需要指定一个最后期限的函数或方法都属于定时器，比如：

1. 高级定时器包括dispatch timer sources、CFRunLoopTimerCreate和其他CFRunLoopTimer函数、NSTimer、performSelector:withObject:afterDelay:方法。

2. 底层定时器包括sleep, usleep, nanosleep, pthread_cond_timedwait, select, poll, kevent, dispatch_after, dispatch_semaphore_wait。

如果一定要用定时器，尽量高效地使用，可以参照下列指导方针：

1. 设置一个合适的超时时间。

2. 不再需要时及时关闭重复性定时器。

3. 设置触发公差。

优化I/O访问

app每次执行I/O任务，比如写文件，会导致系统退出闲置模式。而且写入缓存格外耗电。通过下列方法可以提高能效、改善app性能。

1. 减小写入数据。数据有变化再写文件，尽量把多个更改攒到一起一次性写入。如果只有几个字节的数据改变，不要把整个文件重新写入一次。如果你的app经常要修改大文件里很少的内容，可以考虑用数据库存储这些数据。

2. 避免访问存储频度太高。如果app要存储状态信息，要等到状态信息有变化时再写入。尽量分批修改，不要频繁地写入这些小变动。

3. 尽量顺序读写数据。在文件中跳转位置会消耗一些时间。

4. 尽量从文件读写大数据块，一次读取太多数据可能会引发一些问题。比如，读取一个32M文件的全部内容可能会在读取完成前触发内容分页。

5. 读写大量重要数据时，考虑用dispatch_io，其提供了基于GCD的异步操作文件I/O的API。用dispatch_io系统会优化磁盘访问。

6. 如果你的数据由随机访问的结构化内容组成，建议将其存储在数据库中，可以使用SQLite或Core Data访问。特别是需要操作的内容可能增长到超过几兆的时候。

7. 了解系统如何缓存文件、如何优化缓存的使用。如果你不打算多次引用某些数据，不要自己缓存数据。

低电量模式

iOS9之后，iPhone增加了低电量模式，用户如果希望延长iPhone电池的寿命，可以在设置 > 电池中开启该功能。开启该功能之后iOS会采取一些措施，比如：

1. 降低CPU和GPU性能

2. 暂停随意的和后台的活动，包括网络

3. 降低屏幕亮度

4. 缩短自动锁屏时间

5. 关闭邮件刷新

6. 关闭视角缩放

7. 关闭动态壁纸

你的app也应该做一些事情帮助系统节省电能，比如，可以减少动画、降低帧率、停止位置更新、关闭同步和备份功能等等。可以通过向NSNotificationCenter注册NSProcessInfoPowerStateDidChangeNotification 通知监听低电量模式状态。

网络操作

　　只要app一执行网络操作，就会产生大量间接能耗(overhead cost)。网络硬件，比如蜂窝数据和Wi-Fi电路，为了省电默认是不通电的。为了执行网络操作，这些资源必须通电，之后为了等待接下来可能出现的任务，它们在操作完成后会继续保持一段时间的活跃。零散的网络传输会导致很高的间接能耗，迅速消耗电池电量

缩减网络请求

1. 减少、压缩网络数据。可以降低上传或下载的多媒体内容质量和尺寸等。

2. 使用缓存，不要重复下载相同的数据。

3. 使用断点续传，否则网络不稳定时可能多次传输相同的内容。

4. 网络不可用时不要尝试执行网络请求，尽量只在Wi-Fi情况下联网。

5. 让用户可以取消长时间运行或者速度很慢的网络操作，设置合适的超时时间。

6. 网络请求失败后用SCNetworkReachability的通知监测网络状态，网络可用后再重试。

延迟联网

分批传输。比如，下载视频流时，不要传输很小的数据包，直接下载整个文件或者一大块一大块地下载。如果提供广告，一次性多下载一些，然后再慢慢展示。如果要从服务器下载电子邮件，一次下载多条，不要一条一条地下载。

网络操作能推迟就推迟。如果通过HTTP上传、下载数据，建议使用NSURLSession中的后台会话，这样系统可以针对整个设备所有的网络操作优化功耗。将可以推迟的操作尽量推迟到设备充电状态并且连接Wi-Fi时进行，比如同步和备份工作。

VoIP类应用应该用PushKit而不是长连接。

图像、动画、视频

以下列指导方针优化内容更新：

1. 减少app使用的视图数量。

2. 减少不透明视图的使用，比如视图上显示一个半透明模糊效果。如果要用不透明效果，避免用在内容频繁变化的地方。另外，由于内容变化后背景视图和半透明视图必须同时改变，这也会放大功耗。

3. 避免绘制不可见的内容，比如app的内容被其他视图遮挡、被剪切(clipped)或者出画了。

4. 动画尽可能用较低的帧率。比如，高帧率在玩游戏时有意义，但是菜单画面可能较低的帧率就够了。只有对用户体验有影响时才使用高帧率。

5. 执行动画时不要修改帧率。比如，你的app帧率是60fps，整个动画就保持这个帧率不要变。

6. 避免同时在屏幕上使用多种帧率。比如，你的游戏人物是60fps，天上的云彩移动又是30fps，不要出现这种状况，就算提高其中某一个的帧率，也要用相同的帧率。

7. 开发游戏时使用推荐的framework。这些framework针对性能和功耗是做过优化的：2D游戏用SpriteKit、3D游戏用SceneKit、画面非常逼真的游戏用Mietal。

全屏播放视频时iOS可以通过高效管理各种资源来优化能耗，但是在视频上下额外添加图层会影响功耗优化效果。app尽量不要在全屏视频上添加额外的图层（即使是隐藏的图层）。如果用户有需要，可以通过比如单击这样的方式来显示播放控制之类的UI，不需要了以后应该把这些图层移除掉。

优化定位和动作(Motion)

错误使用定位会阻碍设备进入睡眠模式，让定位硬件部分持续通电而消耗电池电量，这会使用户体验变的很差，下面来看一下如何针对功耗优化定位服务。

如果你的app只是需要快速确定一下用户的位置，最好用CLLocationManager的requestLocation (iOS9引入)方法。定位完成之后会自动让硬件断电。

除了导航，大多数app不需要一直实时更新位置。需要位置服务时开启一下定位，尽量多隔一些时间再进行下次位置更新，更新完了之后马上关掉定位。除非用户在移动的交通工具里，否则不频繁地更新位置一般没多大问题。

尽量降低定位精度。iOS设备默认采用最高精度定位，如果你的app不是确实需要米级的位置信息，不要用最高精度(kCLLocationAccuracyBest)或10米左右的精度(kCLLocationAccuracyNearestTenMeters)。一般来说Core Location提供的精度比你设置的要好，比如你设置为3公里左右的精度，可能会收到100米左右的精度信息。

如果定位精度一直达不到设置的精度时，停止更新位置，稍后再试。

需要后台更新位置时，尽量把pausesLocationUpdatesAutomatically设为YES，如果用户不太可能移动的时候系统会自动暂停位置更新。

后台定位时延时更新位置。如果要做一个健身类的软件追踪用户徒步的距离，可以等用户移动一段距离或者过一段时间之后再更新位置，这样可以让系统优化能耗。

合理使用访问监控(visit monitoring)。访问监控允许app接收用户频繁或长时间访问的场所的进出通知，比如在家、公司或者去喜欢的咖啡馆。

尽量不要用significant-change位置服务，优先考虑用region monitoring、 visit monitoring。

用户移动、摇晃、倾斜设备时，会产生动作(motion)事件，这些事件由加速度计、陀螺仪、磁力计等硬件检测。不需要监测设备方向时停止通知。比如用户进入一个只需要竖着显示的画面，及时把方向改变通知关掉。开启动作事件前设置一个比较大的更新间隔。

优化通知

尽量用本地通知(local notification)，如果你的app不依赖外部数据，而是需要基于时间的通知，应该用本地通知，可以让设备的网络硬件休息一下。

远程推送有两个级别，一个是立即推送，另一个是针对功耗优化过的延时推送。如果不是真的需要即时推送，尽量使用延时推送。

优化蓝牙通信

1. 没有必要的时候不要扫描蓝牙外设。

2. 扫描外设时一般不要用CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey。

3. 只查找你需要的外设服务。外设可能提供很多服务和特性(characteristic)，查找外设的时候可以指定UUID。

4. 不要轮询设备特性值，用通知监测特征值的变化。

5. 特性值不再提供通知或者不再需要通信的时候就断开连接。

Apple Watch

Apple Watch有很多节能的特征，而且watchOS的API也非常高效。但是仍然需要坚持下面的指导方针：

1. 减少iPhone和手表之间的通信，分批通信，用NSURLSession的后台会话延迟联网。

2. 去掉不必要的内容刷新。

3. 尽量用暗色，亮色会显著增加功耗。除了省电，暗色还可以让屏幕边框和显示内容融合得更好

4. 缩小媒体数据大小。如果你的app需要从服务器下载图片，下载适合手表屏幕尺寸的图片，不要下载大图再缩放，这样网络和CPU功耗都更高。

5. 少做工作。如果app需要复杂或者大量的处理任务，考虑将其发送给iPhone处理。

监测功耗

测试或者debug你的app时，注意下列情况：

电池消耗过快

app应该闲置时却活动

响应慢，UI卡顿

主线程执行大量任务

动画使用过多

不透明视图过多

切换应用

内存慢，没有缓存(Memory stalls and cache misses)

内存警告

Lock contention

频繁地切换context

过度使用定时器

频繁绘制屏幕

频繁或者反复执行很小数据的I/O操作

很高的通信间接功耗，比如传输零散的小数据包和缓冲

设备不休眠

用Xcode测量功耗

开发app的过程中是诊断能耗最好的时机。在Xcode中选择View > Navigators > Show Debug Navigator，这里提供了很多仪表用于分析功耗。Energy impact可以查看正在运行的app的功耗，如图4。

Cost 和 overhead。蓝色的是CPU执行任务消耗的电量，红色的是执行你的app消耗的其他系统资源电能。

CPU。灰色方块表示你的app正在使用CPU执行任务。

Network。灰色方块表示你的app正在进行网络操作。

Location。灰色方块表示你的app正在使用位置服务。

GPU。灰色方块表示你的app正在使用GPU执行图像相关操作，比如绘图或者播放动画。

Background。灰色方块表示你的app处于后台状态，但是让系统仍然保持唤醒状态。

和用户交互时功耗应该比用户选择一个复杂的操作时低，不交互时不应该有功耗。

使用Instruments之前应该先考虑用Xcode中的仪表检查功耗问题。

用Instruments检测功耗

1. 启动Instruments，选择你的设备和要检测的app，打开Energy Log，如图5。推荐使用无线方式连接设备，这样可以完全模拟使用电池工作的真实场景。将设备和Mac用数据线连接好，在图5页面按住?选择设备，会出现带有Wireless后缀的设备。

2. 点击Record按钮或者按⌘+R，开始记录。

3. 在设备上正常使用app，这时会记录功耗数据。

4. 点击Stop按钮或按⌘+R，完成记录。

查看记录的数据有没有异常或者可以优化的地方，如图6。

提示：app能耗偶尔比较高不一定是app的问题，可能当时的操作本身就很耗电，比如说执行网络操作的时候使用GPS。你应该关注的是峰值、出乎意料的高功耗区域和其他可以优化的地方。

用iOS设备直接记录功耗

不用有线或无线方式连接Instruments，直接用iOS设备记录功耗可以获得更真实的数据。记录工作几乎不耗电，可以全天候使用，即使设备进入睡眠模式也会持续记录。但是如果设备关机后，数据可能会丢失。

在设备上进入设置 > 开发者 > Logging.

开启功耗记录，如图7。

点击Start Recording按钮。

正常使用设备。

设备记录完成后返回图6所示页面，点击Stop Recording.

在Instruments中选择好设备，进入Energy Log.

选择File > Import Logged Data from Device。

使用其他模板和仪器检测功耗

有很多因素会影响app的功耗，Engergy Log这个模板可以分析一部分因素，你还可以用其他的模板或工具检查app对功耗的影响。

Activity Monitor. 查看CPU、I/O、网络使用。

Core Animation. 测量图像性能和CPU使用量。

GPU Driver. 测量GPU驱动数据。

Location Energy Impact. 测量Core Location对能耗的影响。

Metal System Trace. 通过追踪app、驱动、GPU的数据，检测iOS Metal应用的性能。

Network. 分析TCP/IP 和UDP/IP 连接。

Time Profiler. 该工具检测app正在运行的线程，隔一段时间采样一次。每个采样都有完整的调用栈(backtrace)，你可以找出你的代码中哪里耗费了大量时间。

自定义模板。上面的模板或仪器可以分析app的多个方面。如果你想查看特定的几个方面，可以向Instruments中添加单个的仪器。如果以后可能还要用相同的分析类型，可以把你配置的工具保存成模板。

测试性能

app的性能下降会导致功耗增加，可以用Xcode中的XCTest框架测试你的代码。代码会在性能测试的block中连续运行10次，并给出运行平均时间的标准差。