UIKit中如何准确捕获首帧渲染耗时？

问题背景 #

为应用实现遥测功能，尝试捕获WWDC 2019《Optimizing App Launch》视频中提到的各阶段耗时，目前难以精准捕获首帧及扩展阶段的时间。

我的假设 #

• application:didFinishLaunchingWithOptions:方法在首帧渲染前调用（如视频所述）
• 首帧会在当前RunLoop结束后完成渲染

捕获代码 #

void PerformWhenIdle(dispatch_block_t block) {
  CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault,
    kCFRunLoopAfterWaiting,
    NO,
    0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
      block();
    });
}

// ----------------------------
// AppDelegate.m
- (BOOL)application:(UIApplication *)app didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
  [logger logFirstFrameRenderingStarted];
  PerformWhenIdle(^{
    [logger logFirstFrameRenderingFinished];
    [logger logExtendedStageStarted];
  });
}

// ----------------------------
// in TableVC.m
- (void)viewDidAppear {
  [self.tableView reloadData];
  PerformWhenIdle(^{
    [logger logExtendedStageFinished];
  });
}

遇到的问题 #

通过Instruments查看Signpost时，首帧的起始点较为准确，但结束点偏差较大，导致扩展阶段时长显示异常：Signpost显示225.23ms，而App生命周期仪器显示仅1.78ms。

疑问 #

1. 我的假设是否错误？若错误，是否意味着仪器数据有误？
2. 若假设错误，应如何精准捕获首帧渲染的起止时间？

解答 #

1. 你的假设存在错误，仪器数据是准确的 #

application:didFinishLaunchingWithOptions:确实在首帧渲染前调用，但首帧渲染完成的时机并非当前RunLoop结束后。你使用的kCFRunLoopAfterWaiting事件触发时机太晚，它会等到RunLoop进入等待状态才执行，而首帧渲染实际上在RunLoop的kCFRunLoopBeforeWaiting之前的循环迭代中就已经完成——具体来说，首帧渲染是在UIApplicationMain事件循环处理CATransaction提交阶段完成的，通常发生在applicationDidFinishLaunching返回后的第一个RunLoop周期内的kCFRunLoopBeforeWaiting之前。

另外，用viewDidAppear触发的PerformWhenIdle标记扩展阶段结束也不准确，viewDidAppear执行后RunLoop可能还会处理其他任务，且扩展阶段的定义是首帧渲染完成后到应用进入idle状态前的初始化工作，和viewDidAppear没有直接绑定关系。

仪器的App生命周期数据是系统层面的精准统计，不存在错误，问题出在你的捕获逻辑对首帧和扩展阶段的时机判断有误。

2. 精准捕获首帧渲染起止时间的正确方式 #

方式一：利用系统Signpost或私有API（调试用，注意上架风险）

苹果系统本身会标记首帧渲染的Signpost，可直接监听com.apple.UIKit.signpost类别下的first-render事件。如果需要手动标记，可借助UIKit私有API（仅用于调试，不可上架）：

// 首帧开始标记
extern void UIApplicationNotifyFirstRenderStart(void);
// 首帧结束标记
extern void UIApplicationNotifyFirstRenderEnd(void);

调用这两个函数能和系统仪器的数据完全对齐。

方式二：基于RunLoop观察者的正确时机

若不想用私有API，可调整RunLoop观察者的事件类型，结合CATransaction提交状态判断：

void ObserveFirstFrameCompletion(void) {
    static BOOL firstFrameCompleted = NO;
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault,
                                                                       kCFRunLoopBeforeWaiting | kCFRunLoopExit,
                                                                       YES,
                                                                       0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        if (!firstFrameCompleted && [UIApplication sharedApplication].keyWindow) {
            // 检查无未提交的CATransaction，判定首帧完成
            if (![CATransaction flush]) {
                firstFrameCompleted = YES;
                [logger logFirstFrameRenderingFinished];
                [logger logExtendedStageStarted];
                CFRunLoopObserverInvalidate(observer);
            }
        }
    });
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
    CFRelease(observer);
}

// 在application:didFinishLaunchingWithOptions:中调用
- (BOOL)application:(UIApplication *)app didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
    [logger logFirstFrameRenderingStarted];
    ObserveFirstFrameCompletion();
    return YES;
}

该逻辑会在主RunLoop即将进入等待状态前，检查KeyWindow存在且无未提交事务时，判定首帧渲染完成，时机更接近系统实际的首帧结束点。

扩展阶段结束的标记

扩展阶段结束的标志是应用进入真正的idle状态，即主RunLoop无待处理任务。可通过监听kCFRunLoopAfterWaiting事件，连续检测到多次RunLoop进入等待状态后标记：

void ObserveExtendedStageCompletion(void) {
    static NSInteger idleCount = 0;
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault,
                                                                       kCFRunLoopAfterWaiting,
                                                                       YES,
                                                                       0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        idleCount++;
        // 连续2次进入等待状态，判定为进入idle
        if (idleCount >= 2) {
            [logger logExtendedStageFinished];
            CFRunLoopObserverInvalidate(observer);
        }
    });
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
    CFRelease(observer);
}

// 在首帧完成后调用此函数

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Emanuel