# Android13冻结进程分析：如何提高设备性能和用户体验

本文介绍了Android13中的冻结进程功能，它是一种重要的资源管理策略，可以提高系统性能和稳定性，同时最大限度地节省设备的资源和电池消耗。文章讨论了如何合理分配资源，包括CPU、内存等，以提高设备性能和用户体验。此外，文章还提到了冻结进程对应用程序线程的影响，并介绍了Android13与Android11的不同之处。

目前，Google 原生系统在 Android 11 或更高版本上支持 CACHE 应用的 CPU 冻结功能。当应用切换到后台并且没有其他活动时，系统会在一定时间内通过状态判断，将进程 ID 迁移到冻结的 cgroup 节点上，实现冻结 CACHE 应用。这项功能可以减少活跃缓存应用在后台存在时所消耗的 CPU 资源，从而达到节电的目的。当应用再次切换到前台时，系统会将该应用的进程解冻，以实现快速启动。

Google 在这方面的开发进展相对缓慢，从 Android 11 到现在的 Android 13，该功能基本上还只是个雏形。然而，在国内厂商方面，早就已经开始开发了类似功能，利用 CPU 调频、降速、冻结等基础功能，许多厂商在 Android 6.0 及以上版本已经支持了这些功能。 CPU 冻结对于手持设备而言可以提升整机性能。由于电量和 CPU 资源都是有限的，必须合理地分配资源，以便让用户在使用设备时获得更好的体验。

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# 冻结进程的作用

进程的执行被暂停：冻结的进程会被暂停，其所有线程的执行将被停止，包括应用程序的主线程以及任何后台线程。
资源释放：冻结进程占用的资源，例如 CPU 和内存，会被释放。这些资源将被系统重新分配给其他需要执行的进程或系统服务。
电池节省：冻结进程不会在后台运行，因此可以节省设备的电池消耗。对于后台的应用程序，冻结可以降低其电池使用量，延长设备的电池寿命。
系统稳定性：通过冻结不活跃或低优先级的进程，可以避免它们竞争系统资源，从而提高系统的稳定性和响应能力。
快速恢复：冻结的进程可以快速恢复其执行状态。当需要重新激活进程时，系统可以迅速将其恢复到之前的运行状态，而无需重新启动或加载应用程序。冻结进程并不会终止进程的执行或销毁应用程序。冻结只是暂时挂起进程，以优化资源使用。一旦系统需要再次运行该进程（例如用户重新打开应用程序或系统需要其提供服务），它会被解冻并恢复运行。冻结进程是 Android 系统中重要的资源管理策略之一，它有助于提高系统性能和稳定性，同时最大限度地节省设备的资源和电池消耗。

# 挂起进程的方式

CPU冻结是指将应用的进程挂起，不再分配CPU资源，以达到省电的目的，当应用再次切换到前台的时候，系统会将该应用的进程解冻，以达到快速启动的目的。

# 通过信号暂停进程

在Unix系统上也有一些任务控制信号(Job-Control-Signals)，比如我们经常查杀应用使用 kill -9 其实就是发送一个 SIGKILL=9 的信号给进程，保证进程被干净的清理。通过发送 SIGSTOP 信号也能将进程状态切换为暂停(pause)，进程只有在收到 SIGCONT 信号时才会恢复执行。但这个两个信号存在一个问题，SIGCONT 信号可以被执行的进程监听捕获到，并用来做进程自有的逻辑，导致任务的暂停和恢复变得不可控。

echo $$ # 查看当前进程ID
16644
bash # 在 1664 进程里面 Fork 一个子进程 bash
echo $$ # 查看当前进程ID
16690 # 子进程ID

# 在另一个终端上发送信号。
kill -SIGSTOP 16690 # 发送信号任务给进程ID16690暂停
kill -SIGCONT 16690 # 发送信号任务给进程ID16690恢复

# 这样操作发送信号任务给进程ID16690退出，导致父进程 16644也同样被退出。

cgroup-v1/freezer-subsystem.txt (opens new window)

信号这块其实有很多使用场景，比如分析应用卡顿和性能相关问题时，我们有时候需要主动触发应用来输出堆栈，便于我们深入分析问题。即通过 kill -3 {进程id} 来实现，停止进程并触发进程指定的信号处理函数创建核心转储文件(dump file)，后续会再分析。

# 通过cgroup freezer子系统

为了防止进程能够捕获到信号，然后对冻结行为进行干扰，比如应用保活行为里面常见的双进程互拉就是通过两个进程相互监听来实现保活的。

通过 cgroup 的 freezer子系统功能就能在进程无感知的情况下，将进程冻结。

在Android11之前，大部分的厂商也是通过移植cgroup的freezer来实现的，freezer是Linux内核中用于控制和限制进程组的一种特性，它可以对进程组进行资源控制，包括CPU、内存、IO等。 freezer cgroup 通过将进程的状态设置为 FROZEN 来实现冻结，这样进程就不会再被调度，也不会再消耗CPU资源，直到进程的状态被设置为 THAWED 为止。

# 开发者模式下开启应用冻结

adb shell device_config put activity_manager_native_boot use_freezer true && adb reboot

# 检查测试应用是否被冻结

被冻结的应用会被分配到对应的 cgroup 组，不同设备的节点文件也不一致，根据设备实际操作：

比如检查 /dev/freezer/frozen/cgroup.procs 中的进程ID列表，如下是我常用的命令：

adb shell cat /dev/freezer/frozen/cgroup.procs | grep -E "[0-9]{4}" | xargs adb shell ps -A | grep "com"

检查是否存在 /sys/fs/cgroup/uid_0/cgroup.freeze 文件。

adb shell cat /sys/fs/cgroup/uid_{应用UID}/cgroup.freeze

查看日志（一般日志会有相应含义的字符，各家厂商也不一样，这里是个例子）

adb logcat | grep -i "\(freezing\|froze\)"

# 进程状态

# 标准状态

下面这个图表，是一个标准的进程状态的定义:

标号	中文名	英文名	解释
D	不可中断的睡眠态	UNINTERRUPTIBLE SLEEP	进程正在跟硬件交互，并且交互过程不允许被其他进程或中断打断。通常出现在I/O阻塞
R	运行态	RUNNING OR RUNNABLE	表示进程在 CPU 的就绪队列中，正在运行或者正在等待运行。
S	可中断的睡眠态	INTERRUPTIBLE SLEEP	进程因为等待某个事件而被系统挂起。当进程等待的事件发生时，它会被唤醒并进入 R 状态。
T	被跟踪或已停止	STOOPED	表示进程处于暂停或者跟踪状态（命令行调试）
Z	僵尸态	ZOMBIE	进程实际上已经结束了，但是父进程还没有回收它的资源（比如进程的描述符、PID 等）。
I	空闲状态	IDLE	也就是空闲状态，用在不可中断睡眠的内核线程上。D 状态的进程会导致平均负载升高， I 状态的进程却不会。
X	死亡状态	DEAD	用TOP、PS命令获取不到

下述这段代码是引用特斯拉开源的Linux源码，也是符合定义的标准的。

/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
  */
  static const char * const task_state_array[] = {
  "R (running)",		/*   0 */
  "S (sleeping)",		/*   1 */
  "D (disk sleep)",	/*   2 */
  "T (stopped)",		/*   4 */
  "t (tracing stop)",	/*   8 */
  "X (dead)",		/*  16 */
  "Z (zombie)",		/*  32 */
  };

s/proc/array.c#L116-L124 (opens new window)

# CPU冻结后的进程状态

如果应用处于被冻结的状态，我们可以通过 adb shell ps -A 命令来查看进程的状态，如果进程的状态是 D 状态，那么就说明进程被冻结了。

对于一些做内核反调试的设备，有的也会来改这种状态，比如将进程的状态改成 X 状态，这样就能够防止被调试器 attach 到进程上, 将所有进程状态 t 改成 S状态，让应用无法捕获到进程被调试，这块也是可以展开讨论的地方。

在手机设备中，当一个应用长期在后台并且使用不频繁，比如 com.tencent.wework 符合冻结条件后，进程的状态从 S 状态变成 D 状态，这个时候进程就会被冻结，不会再被调度，也不会再消耗CPU资源，直到进程的状态被设置为 THAWED 为止。

比如在内核版本 4.14（Linux localhost 4.14.186 #1 SMP PREEMPT Wed Apr 26 09:09:04 UTC 2023 aarch64）中，被冻结的应用显示为 D 状态。

adb shell ps -A | grep "D "
#USER            PID   PPID     VSZ    RSS WCHAN            ADDR S NAME
#system          646      1 11640900 44436 0                   0 D surfaceflinger
#root           1263      2       0      0 0                   0 D [kworker/u16:15]
#root           6635      2       0      0 0                   0 D [kworker/u16:5]
#u0_a193       15586    540 15865212 177720 0                  0 D com.tencent.wework

在不同版本上，随着CPU的冻结这块功能的不断迭代，在高版本中已经不会对进程切到 D 状态，而是保留 S 态，然后在 S 态的基础上做 freeze 的处理。比如常见的是，在进程被冻结之后，进程还是处于 S 态，但是会在内核函数 _refrigerator 或者 do_freezer_trap 上等待。

比如在内核版本 5.4 （Linux localhost 5.4.210 #4 SMP PREEMPT Tue Jul 11 03:50:44 UTC 2023 aarch64 Toybox ） 中，D 状态以及不显示了，会在 WCHAN 中显示 do_freezer_trap.

root           108     2       0      0 ion_heap_deferred_free 0 S [ion_system_heap]
root           300     2       0      0 ion_heap_deferred_free 0 S [carveout_oemcry]
root           301     2       0      0 ion_heap_deferred_free 0 S [carveout_fd]
u0_a131       3915   683 15570584 164928 do_freezer_trap    0 S com.kuangxiangciweimao.novel
u0_a132       3951   683 15276424 100604 do_freezer_trap    0 S com.dianshijia.tvlive
u0_a125       4279   684 2124872 262268 do_freezer_trap     0 S com.fenqile.fenqile
u0_a123       4780   683 15050296 185368 do_freezer_trap    0 S com.qihoo.loan
u0_a130       5089   683 34064940 278784 do_freezer_trap    0 S com.edu24ol.newclass
u0_a130       5190   683 15091696 124916 do_freezer_trap    0 S com.edu24ol.newclass:configService
u0_a130       5263   683 15171540 131684 do_freezer_trap    0 S com.edu24ol.newclass:pushservice
u0_a130       5317   683 15519316 117572 do_freezer_trap    0 S com.edu24ol.newclass:core
u0_a126       5506   683 15589072 241948 do_freezer_trap    0 S cn.com.gjzq.yjb2
u0_a127       5587   684 1986720 121372 do_freezer_trap     0 S me.ele.crowdsource

TIP

WCHAN 表示当前线程在内核上正在执行的函数名

wchan      WCHAN     name of the kernel function in which the process
                     is sleeping, a "-" if the process is running, or
                     a "*" if the process is multi-threaded and ps is
                     not displaying threads.

# 冻结的流程

# Android13 的变更

函数 freezeProcess 是最终调用，冻结的流程，为了详细了解这两年版本的变化，这里直接对比 Android 11的冻结逻辑，然后和 Android 13 最新的冻结逻辑做一个比对。 Android 11 和 13 的变化如下图，左边是11 右边是13：

Android11上通过直接调用Process.setProcessFrozen来冻结进程，而在Android 13上通过 ActivityManagerService 拿到进程更多的信息来做细分的冻结，而不是之前版本上的直接调用API，通过 @GuardedBy({"mAm"}) 注释指明了这个函数在被调用时需要持有mAm对象的锁，确保在多线程环境下访问freezeProcess函数的安全性。 Android 13 针对binder 调用进行了优化，对进程的 binder 先进行冻结 freezeBinder，在此之前，如果随意的冻结应用，会导致一些应用后台的跨进程行为异常。

Google 最近几年逐步将 cgroup 上的功能，在上层做了一层封装，这样就可以通过上层的调用来实现CPU、内存资源的控制。 CPU冻结这一块，上层主要封装在是通 Process.java类的两个 native 函数中，如下是这块主要的两个函数：

    /**
     * Freeze or unfreeze the specified process.
     *
     * @param pid Identifier of the process to freeze or unfreeze.
     * @param uid Identifier of the user the process is running under.
     * @param frozen Specify whether to free (true) or unfreeze (false).
     *
     * @hide
     */
    public static final native void setProcessFrozen(int pid, int uid, boolean frozen);

    /**
     * Enable or disable the freezer. When enable == false all frozen processes are unfrozen,
     * but aren't removed from the freezer. While in this state, processes can be added or removed
     * by using setProcessFrozen, but they won't actually be frozen until the freezer is enabled
     * again. If enable == true the freezer is enabled again, and all processes
     * in the freezer (including the ones added while the freezer was disabled) are frozen.
     *
     * @param enable Specify whether to enable (true) or disable (false) the freezer.
     *
     * @hide
     */
    public static final native void enableFreezer(boolean enable);

# Android13冻结进程分析：如何提高设备性能和用户体验

# 冻结进程的作用

# 挂起进程的方式

# 通过信号暂停进程

# 通过cgroup freezer子系统

# 开发者模式下开启应用冻结

# 检查测试应用是否被冻结

# 进程状态

# 标准状态

# CPU冻结后的进程状态

# 冻结的流程

# Android13 的变更

# Native函数 setProcessFrozen

# cgroup 抽象层

# task_profiles.json

# cgroup 节点

# 冻结跨进程行为

# ContentProvider 交互异常

# onServiceConnected 交互异常

# 新的API BINDER_FREEZE

# Framework兼容 BINDER_FREEZE api

# 内核新增的 BINDER_FREEZE ioctl特性

# 新增了三个字段

# 对调用方的进程冻结

# 更新 is_frozen 字段

# 冻结的场景

# ADJ 更新

# flush binder transactions 之后

# 解冻的场景

# 低内存时内存整理

# dump进程信息时

# 发送和接收广播临时解冻

# 接收广播临时解冻

# 发送广播临时解冻

# 持有文件锁解冻