提升 Android 效能：核心專用 AutoFDO 簡介

我們是 Android LLVM 工具鍊團隊。我們的首要任務之一，是透過 LLVM 生態系統中的最佳化技術，提升 Android 效能。我們不斷設法提升 Android 的速度、流暢度和效率。雖然大部分的最佳化工作都在使用者空間進行，但核心仍是系統的核心。今天，我們很高興與大家分享如何將自動回饋導向最佳化 (AutoFDO) 導入 Android 核心，為使用者帶來顯著的效能提升。

什麼是 AutoFDO？

在標準軟體建構過程中，編譯器會根據靜態程式碼提示，做出數千項微小決策，例如是否內嵌函式，以及可能採用條件式的哪個分支。雖然這些經驗法則很有用，但並不一定能準確預測實際使用手機時的程式碼執行情況。

AutoFDO 則會使用實際執行模式來引導編譯器，這些模式代表程式碼在實際使用期間最常採用的指令執行路徑，系統會記錄 CPU 的分支記錄來擷取這些模式。雖然這類資料可從機群裝置收集，但對於核心，我們會在實驗室環境中使用代表性工作負載 (例如執行前 100 個最熱門的應用程式) 合成資料。我們使用取樣分析器擷取這項資料，找出程式碼中哪些部分是「熱」(經常使用)，哪些是「冷」。使用這些設定檔重建核心時，編譯器就能根據實際的 Android 工作負載，做出更明智的最佳化決策。

如要瞭解這項最佳化措施的影響，請參考以下重要事實：

• 在 Android 上，核心約占 CPU 作業時間的 40%。
• 我們已使用 AutoFDO 最佳化使用者空間中的原生執行檔和程式庫，讓應用程式冷啟動速度提升約 4%，開機時間縮短 1%。

實際效能優勢

我們在受控實驗室環境中使用設定檔，發現 Android 的關鍵指標有顯著改善。這些設定檔是透過應用程式檢索和啟動收集，並在 Pixel 裝置上測量，涵蓋 6.1、6.6 和 6.12 核心。

以下列出最顯著的改善項目。如要進一步瞭解這些核心版本的 AutoFDO 設定檔，請參閱 android16-6.12 和 android15-6.6 核心的 Android 核心存放區。

這些不只是理論上的數字。使用者可以享有更流暢的介面、更快速的應用程式切換、更長的電池續航力，以及整體反應更靈敏的裝置。

運作方式：管道

我們的部署策略包含精密的管道，可確保設定檔保持相關性，且效能維持穩定。

步驟 1：收集設定檔

雖然我們仰賴內部測試機群來剖析使用者空間二進位檔，但我們已改用受控實驗室環境來測試通用核心映像檔 (GKI)。將剖析功能與裝置發布週期分離，即可靈活、即時地更新，不受已部署核心版本的影響。更重要的是，測試結果證實，這類實驗室資料帶來的成效提升，與實際車隊資料相當。

• 工具和環境：我們使用最新的核心映像檔刷新測試裝置，並使用 simpleperf 擷取指令執行串流。這項程序仰賴硬體功能記錄分支歷程，特別是 Pixel 裝置上的  ARM Embedded Trace Extension (ETE) 和 ARM Trace Buffer Extension (TRBE)。
• 工作負載：我們使用 Android 應用程式相容性測試套件 (C-Suite) 中前 100 名最熱門的應用程式，建構代表性的工作負載。為擷取最準確的資料，我們著重於：
  • 應用程式啟動：針對最明顯的使用者延遲進行最佳化
  • AI 輔助應用程式檢索：模擬連續、不斷變化的使用者互動
  • 系統全面監控：不只擷取前景應用程式活動，也擷取重要的背景工作負載和處理程序間通訊
• 驗證：這項合成工作負載與從內部機群收集的執行模式有 85% 的相似度。
• 目標資料：透過充分重複這些測試，我們能擷取高擬真度的執行模式，準確呈現使用者與最熱門應用程式的實際互動。此外，這個可擴充的架構能讓我們順暢整合其他工作負載和基準，擴大涵蓋範圍。

步驟 2：處理設定檔

我們會對原始追蹤資料進行後置處理，確保資料乾淨、有效，且可供編譯器使用。

• 匯總：將多次測試和多部裝置的資料，整合到單一系統檢視畫面。
• 轉換： 我們將原始追蹤記錄轉換為 AutoFDO 設定檔格式，並視需要篩除不必要的符號。
• 設定檔修剪：我們會修剪設定檔，移除「冷」函式的資料，讓這些函式使用標準最佳化。這可避免不常使用的程式碼發生迴歸，並防止二進位檔大小不必要地增加。

步驟 3：測試設定檔

部署前，設定檔會經過嚴格驗證，確保能持續提升效能，且不會有穩定性風險。

• 設定檔和二進位檔分析：我們會嚴格比較新設定檔的內容 (包括熱門函式、樣本數和設定檔大小) 與先前版本。我們也會使用設定檔建構新的核心映像檔，分析二進位檔，確保文字區段的變更符合預期。
• 效能驗證：我們對新的核心映像檔執行指定基準測試，這可確認模型能維持先前基準建立的效能提升。

持續更新

程式碼會隨著時間自然「漂移」，因此靜態設定檔最終會失去效力。為維持最佳效能，我們會持續執行管道，定期更新：

• 定期更新：我們會在每次發布 GKI 前，更新 Android 核心 LTS 分支版本中的設定檔，確保每個版本都包含最新的設定檔資料。
• 未來擴充：我們目前正在向 android16-6.12 和 android15-6.6 分支提供這些更新，並將擴大支援較新的 GKI 版本，例如即將推出的 android17-6.18。

確保穩定性

關於設定檔指引最佳化，常見的問題是這項技術是否會造成穩定性風險。AutoFDO 主要影響編譯器啟發式演算法 (例如函式內嵌和程式碼版面配置)，而非變更原始碼的邏輯，因此能保留核心的功能完整性。這項技術已證明可大規模應用，多年來一直是 Android 平台程式庫、ChromeOS 和 Google 伺服器基礎架構的標準最佳化技術。

為進一步確保行為一致，我們採用「預設保守」策略。如果函式未擷取至高擬真度設定檔，系統會使用標準編譯器方法進行最佳化。這可確保核心的「冷」或極少執行的部分，行為與標準建構中的行為完全相同，避免在極端情況下發生效能迴歸或非預期行為。

未來計畫

我們目前正在 android16-6.12 和 android15-6.6 分支版本中部署 AutoFDO。除了初步推出這項技術，我們也看到幾個有潛力的發展方向，可進一步強化這項技術：

• 擴大涵蓋範圍：我們期待將 AutoFDO 設定檔部署到更新的 GKI 核心版本，以及目前 aarch64 支援以外的其他建構目標。
• GKI 模組最佳化：目前最佳化作業著重於主要核心二進位檔 (vmlinux)。將 AutoFDO 擴展至 GKI 模組，可為核心子系統的大部分帶來效能優勢。
• 供應商模組支援：我們也希望為使用驅動程式開發套件 (DDK) 建構的供應商模組支援 AutoFDO。我們的建構系統 (Kleaf) 和剖析工具 (simpleperf) 已支援這項功能，因此供應商可將這些最佳化技術套用至特定硬體驅動程式。
• 擴大設定檔涵蓋範圍：可從更多關鍵使用者歷程 (CUJ) 收集設定檔，進一步最佳化。

我們將 AutoFDO 導入 Android 核心，確保 OS 的基礎架構能根據你每天使用裝置的方式進行最佳化。