移动端性能监控探索：可观测 Android 采集探针架构与实现
作者：路锦(小蘭)
背景介绍
Android 生态背景
在当今的移动应用市场，用户体验是决定产品成败的关键因素。一个功能强大但频繁崩溃、响应迟缓的应用，很难留住用户。然而，Android 生态系统的复杂性给开发者带来了巨大挑战：
- 生态碎片化： Android生态从 2008 年发展至今，市面上存在着成百上千种不同的 Android 设备，它们拥有不同的屏幕尺寸、硬件性能和系统版本（系统 16+，API 版本 35+）。此外，各大手机厂商还会对 Android 系统进行深度定制。这种碎片化导致应用在开发和测试环境中表现良好，但在用户的真实设备上却可能出现各种意想不到的问题。
- 问题的不可见性： 应用发布后，它运行在一个个孤立的"黑盒"中。当用户遇到崩溃、卡顿或功能异常时，开发者往往无法得知。传统的日志和用户反馈渠道效率低下，难以定位和复现问题。
- 性能优化的挑战： 除了稳定性，应用的性能（如启动速度、页面加载速度、网络请求耗时）也直接影响用户体验。没有精确的数据度量，性能优化就如同"盲人摸象"，无从下手。
为了解决这些问题，真实用户监控（Real User Monitoring, RUM）应运而生。RUM 的核心思想是，通过在应用中集成一个轻量级的 SDK，来采集每一位真实用户在使用应用过程中的性能、稳定性和行为数据，并将其上报到数据分析平台。
RUM 数据采集能力需求
为了有效应对上述挑战，一个现代化的 RUM 解决方案需要具备体系化的数据采集与分析能力。它不仅要能发现问题，更要能提供足够的信息来帮助开发者快速定位并解决问题。具体来说，其核心能力应覆盖以下几个方面：
- 全面的异常与稳定性监控： 能够自动捕获应用中的各类异常，包括 Java 崩溃、Native 崩溃、ANR（应用无响应）和自定义错误。通过详细的堆栈信息和设备环境，帮助开发者快速定位代码问题，并评估异常的影响范围。
- 精细化的性能指标量化： 对影响用户体验的关键链路进行精确测量。这包括应用启动耗时、页面打开速度、网络请求成功率与耗时、以及界面卡顿等。通过量化指标，开发者可以识别性能瓶颈，进行针对性优化。
- 可视化的用户会话追踪： 记录用户的完整操作轨迹与相关的性能事件。当问题发生时，能够回溯用户当时的操作路径、API 调用和资源加载情况，为复现问题、理解用户场景提供关键线索，实现从问题发现到根因定位的层层下钻。
- 灵活的自定义数据上报： 除了标准的性能和异常数据，还应支持业务根据自身需求上报自定义的事件与日志，将用户行为与业务指标相结合，赋能更深层次的产品分析与决策。
本 RUM Android SDK 正是为此目标而设计，它提供了一套完整、高效、低侵入的数据采集方案，帮助开发者洞察应用的真实表现，持续提升用户体验。
RUM Android 探针架构与实现
RUM SDK 旨在为 Android 应用提供全面的用户体验监控，通过在不同阶段进行 Hook、插桩、和监听，以实现对应用性能和稳定性的全面监控。通过一个轻量级的、模块化的架构，实现了对应用稳定性、性能和用户行为的无侵入式采集方案。
架构总览
RUM Android SDK 的整体架构如图所示：
- 接口层：最上层，对外暴露，供客户调用的 API。
- 功能层：数据采集，具体包含网络、交互、应用、卡顿、崩溃、自定义、Webview、页面、应用等模块。
- 核心层：基础服务，工具类，日志，时间，数据协议。会话管理，配置管理，采集模块管理。
- 网络：Producer，用于发送数据包。
在核心的功能层中，为了高效、精准地捕获各类事件，RUM SDK 深度结合了 Android平台的系统特性与框架能力，构建了多样化的采集方案。针对不同场景和数据类型，分别采用了最适合的技术手段，主要包括：基于 Android Native 信号量的采集、基于字节码插桩的数据采集、以及基于标准 API 的采集。
基于 Native 信号量采集
- Android 应用可以包含 C/C++ 代码（即 Native 代码），这些代码直接运行在设备硬件上。当这些代码出现如访问无效内存地址、执行非法指令等严重错误时，操作系统会向对应的进程发送一个 POSIX 信号（如 SIGSEGV 代表段错误, SIGILL 代表非法指令），默认行为是立即终止应用，即"闪退"。
- 同时，Android 系统的所有 UI 操作和大部分应用层回调都必须在"主线程"（UI Thread）中执行。如果主线程被耗时操作（如复杂的计算、磁盘 I/O、网络请求、死循环等）阻塞，无法在规定时间内（对于输入事件是5秒，对于广播是10秒）响应用户输入或系统事件，系统就会认为该应用"无响应"，即 ANR (Application Not Responding)。
对于 Android 开发者，准确实时采集到 Native 的异常堆栈和 ANR 现场数据是非常必要的，这便于我们排查程序异常的根因。
技术原理：
在应用初始化时，注册一个自定义的信号处理器来接管系统默认的处理器。当捕获到崩溃信号或在系统判定 ANR 的精确时刻，它不会立即退出，而是先生成一个包含详细崩溃信息（如线程堆栈、寄存器状态、加载的库等）的崩溃信息文件，然后再执行默认的崩溃流程。
采集能力：
Native 崩溃采集： 通过监听 Native 信号量，在 APP 发生崩溃时采集 Native 堆栈、CPU、寄存器等生成快照文件，在 应用下次启动时，扫描并解析崩溃信息并上报。
ANR 采集： 利用了系统发送 SIGQUIT 信号这一机制。通过在 Native 层使用 sigaction 函数监听此信号，我们可以在系统判定 ANR 的精确时刻获得通知，从而触发信息收集流程。
基于字节码插桩的数据采集
- 插桩（Instrumentation）是一种在程序运行时动态或静态地修改其代码的技术。在 Android 中，这通常指在编译过程中，通过分析和修改 Java 编译后的字节码（Bytecode），来向现有方法中添加额外的功能（如日志、性能监控）。
使用 Transform/Instrumentatio API 结合 ASM 来实现主要的数据采集，它对应用开发者完全透明，无需手动修改业务代码。
技术原理：
Transform/Instrumentation： google 提供了 Transform和Instrumentation API，允许第三方插件（Plugin）在 APP 打包成 .dex 文件之前的编译过程中操作 .Class 文件。只需要实现一套转换器，修改并替换原文件即可达到插入代码的目的。
ASM： ASM 是一个功能比较齐全的 Java 字节码操作与分析框架，能够被用来动态生成类或者增强既有类的功能。
通过 Transform/Instrumentation + ASM 实现在 APP 打包流程中修改字节码，注入日志采集代码。
采集能力：
网络资源请求采集： 通过插桩方式，对主流的网络库（如 HttpURLConnection, OkHttp2/3 等）的关键方法进行修改，以实现链路打通与采集网络资源请求指标数据，采集如耗时、状态码、吞吐量和错误信息等性能数据。
webview 采集： 实现与 webview 的通信，并监听了 webview 上的资源请求采集能力与页面、异常等采集能力。
Action 采集： 监听按钮点击事件，实现 action 采集能力。
基于标准 API 采集
除了底层的信号和字节码插桩之外，SDK 还利用标准的 Java 和 Android API 来捕获应用在运行时的关键事件。
技术原理：
Java API： Java 虚拟机（JVM）提供了一个标准的机制来处理未被捕获的异常：Thread.UncaughtExceptionHandler。开发者可以设置一个全局的处理器，当任何线程因未捕获的异常而即将终止时，该处理器会被调用。这是在应用崩溃前执行最后清理或记录操作的唯一机会。
Android API： Android 框架层提供的生命周期回调机制，实现对页面、用户行为和应用启动等事件的监控。以 Activity 为例，它是 Android 应用中用户界面的基本单元，生命周期由一系列回调方法管理，清晰地定义了其从创建到销毁的各个状态。关键的生命周期状态包括：
- onCreate(): Activity 首次创建，进行初始化。
- onStart(): Activity 可见，但还不能与用户交互。
- onResume(): Activity 可见且位于前台，可以与用户交互。
- onPause(): Activity 即将进入后台，通常在此停止动画或释放资源。
- onStop(): Activity 完全不可见。
- onDestroy(): Activity 被销毁。
为了全局监控这些状态，Android 提供了 Application.ActivityLifecycleCallbacks 接口，允许注册一个监听器来接收应用中所有 Activity 的生命周期事件。
采集能力：
Java Crash 采集： 本 SDK 通过Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(this) 注册全局异常处理器，在Java异常时收集异常类型、消息、堆栈以及当前会话、页面等上下文信息的能力，并在应用下次启动时上报异常信息。
卡顿采集： SDK 使用了 java 多线程能力，实现卡顿监听。
view 采集： 通过 Android 标准回调接口，实现精确地追踪用户在各个页面的活动。利用这些生命周期回调来计算页面核心指标，例如：页面加载时间和页面停留时间。
Application 状态采集： 通过监听生命周期，实现 APP 冷热启动事件、前后台切换事件采集能力。
结语
阿里云 RUM SDK 旨在为应用提供全面的用户体验监控，针对 Android 端实现了对应用性能、稳定性、和用户行为的无侵入式采集方案。可以参考接入文档 [ 1] 体验使用。相关问题可以加入"RUM 用户体验监控支持群"（钉钉群号： 67370002064）进行咨询。
参考资料：
https://developer.android.com/get-started/overview?hl=zh-cn
相关链接：
[1] 接入文档
https://help.aliyun.com/zh/arms/user-experience-monitoring/access-to-android-applications
