iOS 电量优化

1. CPU 优化

1.1 CPU 使用率与功耗

CPU 使用率与功耗成正比关系。CPU 使用率越高，功耗越大。

状态	功耗倍数
Sleep	1
Idle	10 = 1(sleep) × 10
1% CPU 使用	11 = 10(idle) × 1.1
10% CPU 使用	20 = 10(idle) × 2
100% CPU 使用	100 = 10(idle) × 10

1.2 后台任务优化

后台需要长时间运行的任务，应该通过系统 API 申请后台执行时间。

使用后台任务标识符：

UIBackgroundTaskIdentifier bgTaskID = [[UIApplication sharedApplication] beginBackgroundTaskWithExpirationHandler:^{
    // 超时处理回调
}];

// 执行后台任务
// ...

// 任务完成后通知系统
[[UIApplication sharedApplication] endBackgroundTask:bgTaskID];

注意事项：

• 超出后台任务时间限制的后台任务，会触发 CPU 使用率过高的崩溃
• 崩溃信息示例：
  Exception Type: EXC_RESOURCE
Exception Subtype: CPU_FATAL
Exception Message: (Limit 80%) Observed 89% over 60 seconds

1.3 调整任务的 QoS 级别

通过设置合适的 Quality of Service (QoS) 级别，可以让系统更好地管理任务优先级和资源分配，从而降低功耗。

NSOperation 设置 QoS：

// NSOperation
NSOperation *myOperation = [[NSOperation alloc] init];
myOperation.qualityOfService = NSQualityOfServiceUtility;

// NSOperationQueue
NSOperationQueue *queue = [NSOperationQueue new];
queue.qualityOfService = NSQualityOfServiceUtility;

GCD Queue 设置 QoS：

// GCD queue
dispatch_queue_attr_t qosAttribute = dispatch_queue_attr_make_with_qos_class(
    DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT, 
    QOS_CLASS_UTILITY, 
    0
);
dispatch_queue_t myQueue = dispatch_queue_create("com.YourApp.YourQueue", qosAttribute);

// dispatch_block_t
dispatch_block_t myBlock;
myBlock = dispatch_block_create_with_qos_class(0, QOS_CLASS_UTILITY, -8, ^{
    // ...
});
dispatch_async(myQueue, myBlock);

pthread 设置 QoS：

// pthread
pthread_attr_t qosAttribute;
pthread_attr_init(&qosAttribute);
pthread_attr_set_qos_class_np(&qosAttribute, QOS_CLASS_UTILITY, 0);
pthread_create(&thread, &qosAttribute, f, NULL);

// 修改线程的 QoS
pthread_set_qos_class_self_np(QOS_CLASS_BACKGROUND, 0);

1.4 减少定时器的使用

定时器会持续唤醒 CPU，增加功耗。优化建议：

• 使用事件通知替代定时器
• 使用 GCD 进行同步操作
• 设置合理的超时时间
• 不需要定时器时及时重置定时器
• 设置定时器精度（tolerance）

NSTimer 设置精度：

[myTimer setTolerance:0.3];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:myTimer forMode:NSDefaultRunLoopMode];

dispatch_source_timer：

dispatch_source_t myDispatchSourceTimer = dispatch_source_create(
    DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 
    0, 
    0, 
    myQueue
);
dispatch_source_set_timer(
    myDispatchSourceTimer, 
    DISPATCH_TIME_NOW, 
    1 * NSEC_PER_SEC, 
    NSEC_PER_SEC / 10
);
dispatch_source_set_event_handler(myDispatchSourceTimer, ^{
    [self timerFired];
});
dispatch_resume(myDispatchSourceTimer);

CFRunLoopTimerRef：

CFRunLoopTimerRef myRunLoopTimer = CFRunLoopTimerCreate(
    kCFAllocatorDefault, 
    fireDate, 
    2.0, 
    0, 
    &timerFired, 
    NULL
);
CFRunLoopTimerSetTolerance(myRunLoopTimer, 0.2);
CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopGetCurrent(), myRunLoopTimer, kCFRunLoopDefaultMode);

1.5 减少 IO 操作

IO 操作会消耗大量电量，优化建议：

• 减少数据量的写入
• 避免频繁写内存
• 尽量按顺序读写数据
• 使用 dispatch_io 进行数据读写
• 了解系统的缓存机制

1.6 处理低电量模式

iOS 提供了低电量模式（Low Power Mode）的检测和通知机制，应用应该响应低电量模式，减少不必要的操作。

监听低电量模式通知：

// 监听通知
[[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:self
    selector:@selector(yourMethodName:)
    name:NSProcessInfoPowerStateDidChangeNotification
    object:nil];

查询低电量模式状态：

if ([[NSProcessInfo processInfo] isLowPowerModeEnabled]) {
    // 低电量模式已启用，开始减少活动以节省电量
} else {
    // 低电量模式未启用
}

1.7 处理发热状态

iOS 提供了设备发热状态的监控机制，应用应该响应发热状态，降低性能要求。

监听发热状态通知：

[[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:self
    selector:@selector(thermalStateChanged:)
    name:NSProcessInfoThermalStateDidChangeNotification
    object:nil];

1.8 Energy Log – 高 CPU 监控策略

系统会根据 CPU 使用率监控应用的能耗情况，不同 iOS 版本的触发条件不同：

iOS 2018 版本：
– 前台超过 3 分钟超过 80% 的 CPU 使用
– 后台超过 1 分钟超过 80% 的 CPU 使用，应用程序会被杀死

iOS 2022 版本：
– 前台超过 3 分钟超过 80% 的 CPU 使用，提示 CPU 使用过高
– 后台超过 15 秒钟超过 60% 的 CPU 使用，应用程序会被杀死

1.9 IO 监控

原理： Hook 文件读写接口，主线程的 IO 监控只检测主线程的 IO。

监控策略：
– open 之后 30 秒或者 close 的时候上报 open 的调用堆栈
– 上报到 Bugly 等监控平台

监控接口：

平台	监控接口
iOS	open, read, write, close
Android	open, read, write, close

2. 网络优化

2.1 减少网络操作

网络操作是耗电大户，优化建议：

减少数据传输：
– 减少数据大小
– 减少媒体质量和大小
– 压缩数据
– 避免重复传输
– 缓存数据
– 使用可暂停和重启的事务

错误处理：
– 检查网络是否可用
– 设置超时
– 使用重试机制

检查网络可用性：

#import "SystemConfiguration/SCNetworkReachability.h"

// 创建可达性对象
NSString *hostName = @"someHostName";
SCNetworkReachabilityRef reachability = SCNetworkReachabilityCreateWithName(
    NULL, 
    [hostName UTF8String]
);

// 创建标志位存储空间
SCNetworkReachabilityFlags flags;

// 检查主机可达性
SCNetworkReachabilityGetFlags(reachability, &flags);

// 释放可达性对象
CFRelease(reachability);

// 检查是否可达
if ((flags & kSCNetworkReachabilityFlagsReachable) == 0) {
    // 目标主机不可达
    // 提示用户或延迟活动
}

2.2 延迟网络操作

优化策略：
– 批量操作：合并多个网络请求
– 延迟网络操作：非紧急请求延迟执行
– 使用 NSURLSession：独立进程，使用事件通知，高效的网络操作，自我纠正错误

配置后台会话选项：

// 设置后台会话配置
NSURLSessionConfiguration *configuration = [NSURLSessionConfiguration 
    backgroundSessionConfigurationWithIdentifier:@"com.<YourApp>.<YourBackgroundSessionIdentifier>"];

// 设置为可延迟执行
[configuration setDiscretionary:YES];

// 仅在 Wi-Fi 下执行
configuration.allowsCellularAccess = NO;

// 设置在接下来的 18 小时内执行
[configuration setTimeoutIntervalForResource:18 * 60 * 60];

// 创建 URL 会话
NSURLSession *backgroundSession = [NSURLSession sessionWithConfiguration:configuration 
    delegate:self 
    delegateQueue:nil];

// 设置 URL
NSURL *someURLToDownload = [NSURL URLWithString:<YourURLString>];

// 创建 URL 请求
NSURLRequest *downloadRequest = [NSURLRequest requestWithURL:someURLToDownload];

// 添加到后台会话
NSURLSessionDownloadTask *downloadTask = [backgroundSession downloadTaskWithRequest:downloadRequest];

// 启动任务
[downloadTask resume];

接收下载完成通知：

- (void)URLSession:(NSURLSession *)session 
    downloadTask:(NSURLSessionDownloadTask *)downloadTask 
    didFinishDownloadingToURL:(NSURL *)location {
    // 处理下载完成后的工作
}

3. 图形、动画和视频优化

3.1 避免过度的图形和动画

图形渲染和动画会消耗大量电量，优化建议：

• 减少视图的数量
• 减少透明度的使用
• 透明视图盖在频繁刷新内容的视图上面会增加渲染负担
• 避免绘制不可见的内容
• 使用低帧率动画
• 动画使用一致的帧率
• 避免屏幕上同时有多种不同的帧率
• 游戏开发使用推荐的框架

3.2 播放全屏视频时的优化

播放全屏视频时，避免显示其他 UI 元素，减少不必要的渲染。

4. 位置和传感器优化

4.1 减少位置精度和持续时间

位置服务是耗电大户，优化建议：

• 停止位置服务：不需要时及时停止
• 降低请求的位置精度：使用较低的精度要求
• 停止更新：如果位置精度不符合预期，停止更新
• 使用访问监控：使用 CLVisit 监控位置访问
• 最后才使用显著位置更新：优先使用其他低功耗方案

快速位置更新示例：

- (void)viewDidLoad {
    // 创建位置管理器对象
    self.locationManager = [[CLLocationManager alloc] init];

    // 设置代理
    self.locationManager.delegate = self;
}

- (void)getQuickLocationUpdate {
    // 请求位置授权
    [self.locationManager requestWhenInUseAuthorization];

    // 请求位置更新
    [self.locationManager requestLocation];
    // 注意：如果授权尚未授予，requestLocation 可能会超时并产生错误

    // 设置精度级别，精度越高，功耗越大
    self.locationManager.desiredAccuracy = kCLLocationAccuracyThreeKilometers;

    // 启用自动暂停
    self.locationManager.pausesLocationUpdatesAutomatically = YES;

    // 指定应用当前执行的活动类型
    self.locationManager.activityType = CLActivityTypeFitness;

    // 启用后台位置更新
    self.locationManager.allowsBackgroundLocationUpdates = YES;

    // 开始位置更新
    [self.locationManager startUpdatingLocation];
}

- (void)locationManager:(CLLocationManager *)manager 
    didUpdateLocations:(NSArray *)locations {
    // 处理接收到的位置更新
    [self.locationManager stopUpdatingLocation];
}

延迟位置更新示例：

- (void)locationManager:(CLLocationManager *)manager 
    didUpdateLocations:(NSArray *)locations {
    // 添加新位置到行程
    [self.hike addLocations:locations];

    // 延迟更新直到用户移动一定距离或经过一段时间
    if (!self.deferringUpdates) {
        CLLocationDistance distance = self.hike.goal - self.hike.distance;
        NSTimeInterval time = [self.nextUpdate timeIntervalSinceNow];
        [self.locationManager allowDeferredLocationUpdatesUntilTraveled:distance 
            timeout:time];
        self.deferringUpdates = YES;
    }
}

- (void)locationManager:(CLLocationManager *)manager 
    didFinishDeferredUpdatesWithError:(NSError *)error {
    // 停止延迟更新
    self.deferringUpdates = NO;

    // 调整下一个目标
}

使用访问监控：

- (void)startVisitMonitoring {
    // 创建位置管理器对象
    self.locationManager = [[CLLocationManager alloc] init];

    // 设置代理
    self.locationManager.delegate = self;

    // 请求位置授权
    [self.locationManager requestAlwaysAuthorization];

    // 开始监控访问
    [self.locationManager startMonitoringVisits];
}

- (void)stopVisitMonitoring {
    [self.locationManager stopMonitoringVisits];
}

- (void)locationManager:(CLLocationManager *)manager 
    didVisit:(CLVisit *)visit {
    // 执行基于位置的活动
    // ...
}

显著位置更新：

- (void)startSignificantChangeLocationUpdates {
    // 创建位置管理器对象
    self.locationManager = [[CLLocationManager alloc] init];

    // 设置代理
    self.locationManager.delegate = self;

    // 请求位置授权
    [self.locationManager requestAlwaysAuthorization];

    // 开始显著位置更新
    [self.locationManager startMonitoringSignificantLocationChanges];
}

- (void)locationManager:(CLLocationManager *)manager 
    didUpdateLocations:(NSArray *)locations {
    // 执行基于位置的活动
    // ...

    // 不再需要时停止显著位置更新
    [self.locationManager stopMonitoringSignificantLocationChanges];
}

4.2 减少传感器更新频率

传感器更新会消耗电量，优化建议：

• 不需要时停止接收方向改变通知
• 请求低频率的传感器更新

设备方向通知：

- (void)viewDidLoad {
    // 开启加速度计
    [[UIDevice currentDevice] beginGeneratingDeviceOrientationNotifications];

    // 注册方向改变通知
    [[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:self 
        selector:@selector(orientationChanged:) 
        name:UIDeviceOrientationDidChangeNotification 
        object:nil];
}

- (void)orientationChanged:(NSNotification *)notification {
    // 响应方向改变
}

- (void)viewDidDisappear:(BOOL)animated {
    // 停止接收方向改变通知
    [[NSNotificationCenter defaultCenter] removeObserver:self];

    // 关闭加速度计
    [[UIDevice currentDevice] endGeneratingDeviceOrientationNotifications];
}

加速度计更新：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 创建 Core Motion 管理器对象
    self.motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
}

- (void)startAccelerometerUpdates {
    // 检查加速度计是否可用
    if ([self.motionManager isAccelerometerAvailable] == YES) {
        // 更新更新间隔
        [self.motionManager setAccelerometerUpdateInterval:updateInterval];

        // 开始加速度计更新
        [self.motionManager startAccelerometerUpdatesToQueue:[NSOperationQueue mainQueue] 
            withHandler:^(CMAccelerometerData *accelerometerData, NSError *error) {
                // 处理加速度计数据
            }];
    }
}

- (void)stopUpdates {
    // 检查加速度计是否活跃
    if ([self.motionManager isAccelerometerActive] == YES) {
        // 停止加速度计更新
        [self.motionManager stopAccelerometerUpdates];
    }
}

5. 通知优化

• 尽量使用本地通知：本地通知比远程通知更省电
• 区分远程通知的优先级：根据重要性设置不同的优先级

6. 减少外部设备交互

6.1 蓝牙最佳实践

蓝牙通信会消耗大量电量，优化建议：

扫描设备：
– 只有需要时才扫描设备
– 最小化处理重复设备发现消息：scanForPeripheralsWithServices:options: 方法不要设置 CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey 选项
– 只发现需要的服务和特性
– 使用通知而不是轮询去发现特性的变化
– 不需要时断开设备

扫描设备示例：

- (void)beginScanningForDevice {
    // 创建 Core Bluetooth 中央管理器对象
    self.myCentralManager = [[CBCentralManager alloc] initWithDelegate:self 
        queue:nil 
        options:nil];

    // 扫描外设
    [self.myCentralManager scanForPeripheralsWithServices:nil options:nil];
}

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central 
    didDiscoverPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
    advertisementData:(NSDictionary *)advertisementData 
    RSSI:(NSNumber *)RSSI {
    // 连接到新发现的设备
    // ...

    // 停止扫描设备
    [self.myCentralManager stopScan];
}

发现服务和特性：

// 查找匹配特定 UUID 集合的服务
[peripheral discoverServices:@[firstServiceUUID, secondServiceUUID]];

// 查找给定服务中匹配特定 UUID 集合的特性
[peripheral discoverCharacteristics:@[firstCharacteristicUUID, secondCharacteristicUUID] 
    forService:interestingService];

订阅特性值：

- (void)subscribeToCharacteristic {
    // 订阅特性值
    [self.peripheral setNotifyValue:YES forCharacteristic:interestingCharacteristic];
}

- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
    didUpdateNotificationStateForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic 
    error:(NSError *)error {
    // 处理特性值更新
}

// 不需要时断开设备
// 取消订阅特性值
[self.peripheral setNotifyValue:NO forCharacteristic:interestingCharacteristic];

// 断开设备连接
[self.myCentralManager cancelPeripheralConnection:peripheral];

7. 能耗监控

7.1 能耗过度使用的信号

以下信号可能表明应用能耗过高：

• 电池耗竭：设备电量快速下降
• 期待应用空闲状态，但还是处于活跃状态
• 没有响应或者很慢的用户接口
• 主线程存在大量的任务
• 大量使用动画
• 大量使用透明度
• 内存交换：内存和缓存失效，内存告警
• 锁竞争：线程间竞争激烈
• 过度的上下文切换
• 过度使用定时器
• 过度的屏幕绘制
• 过度或者重复的少量 IO
• 高负载的通信
• 设备无法进入休眠状态

7.2 监控方法

方法 1：手机设置 -> 电池

• 显示电池用量：4 格表示一个小时，只能通过图形比例去计算耗电量
• 显示活动：可以看到 App 的活动时间，包括前后台时间

方法 2：调试仪表盘 Xcode -> Energy Impact

可以显示各个组件的能耗分布占比。

方法 3：设置 -> 开发者选项 -> Logging -> Energy（新版本已经没有这个选项）

日志导出方法：Instruments -> Energy Log -> Import Logged Data From Device

方法 4：Instruments -> Energy Log（新版本已经没有这个选项）

8. 优化建议

8.1 性能优化

• 降频和降压：降频和降压直接和功耗相关，应用不需要那么高的 CPU
• 处理器差异：同种处理器，不同手机的降频策略是不一样的

8.2 代码优化

• 避免使用 NSDateFormatter：NSDateFormatter 创建和解析开销较大
• 少用运算获得圆角：使用 CALayer 的 cornerRadius 属性，避免使用 UIBezierPath 绘制圆角
• 避免庞大的 xib：xib 文件过大会影响加载和渲染性能

8.3 能耗调试新特性

• 监控手机的低电量模式
• 监控手机的发热状态

9. 其他

9.1 iOS 后台程序

iOS 系统后台进程及其功耗占比：

进程	功耗占比	描述
backboardd	7.4%	处理输入和进程管理
DTServiceHub	4.1%	开发工具服务
mediaserverd	17.0%	提供音视频功能
sysmond	17.4%	系统监控进程

参考资料

• 《iOS 电量检测和优化》