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Android Emulator: Project Marble による機能強化
2019年5月23日木曜日
この記事は Sam Linによる Android Developers - Medium の記事 "
Android Emulator : Project Marble Improvements
" を元に翻訳・加筆したものです。詳しくは元記事をご覧ください。
Android Emulator: Project Marble による機能強化
投稿者: Android プロダクト マネージャー、Sam Lin
この投稿は、
Project Marble
の詳細とその裏側に迫る Android Studio チームによるブログ投稿シリーズの 3 回目となります。以下の投稿は、エミュレータ チームの Sam Lin(プロダクト マネージャー)、Lingfeng Yang(テックリード)、Bo Hu(テックリード)による執筆です。
本日は、Project Marble における Android Emulator の進捗状況について、最新情報をお知らせします。私たちの目的のうち、特に重要なのは、Android Emulator をアプリ開発の際に頼りになるものにすることです。物理 Android 端末はすばらしいですが、Android アプリの開発やテストの効率を向上できるように、エミュレータでも機能の追加やパフォーマンスの向上を目指しています。
2 秒で起動、GPU グラフィックス アクセラレーション、
スナップショット
など、最近エミュレータに対して行った改善については、多くのアプリ開発者から好評です。しかし、Android Emulator は開発用コンピュータのシステム リソースを消費しすぎるという声も聞いています。この問題に対処するため、Project Marble で Android Emulator の CPU 使用率を最適化する作業を行っています。ここ数か月の Project Marble での作業によって、元々の設計理念からそれることなく、Android Emulator の電源効率や描画レートを大幅に改善しました。本投稿では、現在
Canary チャンネル
にリリースされている Android Emulator 28.1 の進化について、詳しくお知らせします。
設計理念を維持しつつオーバーヘッドを削減する
デベロッパーが Android Emulator を使う主なメリットは、最新の Android API を柔軟にテストできる点にあります。つまり、各構成に対応する物理端末を購入しなくても、さまざまな端末構成や画面解像度を試すことができます。そのためには、Android Emulator でアプリのテストをする操作を、できる限り物理端末でテストをする操作に近づける必要があります。しかも、仮想端末のメリットは維持しなければなりません。
エミュレータはシミュレータではありません。そのため、最新のシステム イメージが開発されたときにできる限り早くサポートできるように、Android Emulator は意図的に物理端末に近い設計にしています。このアプローチによって、API の正確性と、Android システムの動作やインタラクションの忠実性が保証されます。新しいバージョンの Android が登場しても、ハードウェア抽象化レイヤー(HAL)とカーネルで、エミュレータおよび新しいシステム イメージとの互換性が確保できれば大丈夫です。新しいバージョンの Android 用に、Android API のすべての変更点をゼロから再実装する必要はありません。このアーキテクチャが用いられていることで、エミュレータに新しいシステム イメージが普及する時間はかなり短くなっています。
ただし、システム全体をエミュレーションするというこのアプローチでは、CPU サイクルとメモリアクセスの両方でオーバーヘッドが大きくなります。逆に、シミュレータ ベースのアプローチを使えば、ホストシステムで似たような API をラップできるので、オーバーヘッドは少なくなる可能性があります。つまり、完全なシステム エミュレーションによる精度面とメンテナンス面のメリットを維持しつつ、CPU とメモリのオーバーヘッドを減らさなければなりません。
Android Emulator アーキテクチャを調査する
Android Emulator は、Android Virtual Device(AVD)と呼ばれる仮想マシン内で Android オペレーティング システムを実行します。AVD には、完全な
Android ソフトウェア スタック
が含まれており、物理端末で動作するのと同じように動作します。アーキテクチャの概念図は、次のようになります。
Android Emulator システム アーキテクチャ
Android OS 全体がホスト OS から切り離されて動作するので、Android Emulator を実行すると、ユーザーからの入力がなくても、ホストマシンでバックグラウンド動作が発生する場合があります。技術的な調査を行った結果、AVD がアイドル状態にあるときに CPU サイクルを大きく消費しているタスクには、以下のものが含まれることがわかりました。
Google Play ストア — 新しいバージョンのアプリが利用できるようになると、自動的にアップデートが発生する
バックグラウンド サービス — 端末が充電中と見なされる場合、複数のオンデマンド サービスが CPU を使い続ける
アニメーション —
ライブ壁紙
など
これらの領域について、詳細な技術的調査を行い、Android Emulator を最適化する上位 5 つのソリューションとして、以下の結論に達しました。
デフォルトで電池モード
エミュレータの停止と再開
描画呼び出しのオーバーヘッド軽減
macOS のメインループ IO オーバーヘッドの軽減
ヘッドレス ビルド
改善 1 — デフォルトで電池モード
これまでの Android Emulator は、AVD の電池充電モードを
AC 電源
に設定していました。綿密な議論とデータ分析の結果、AVD をデフォルトで電池モードに設定するのが最善だという結論に至りました。その理由として、ほとんどの Android のフレームワークやサービス、アプリは、電池寿命を延ばすように最適化されていることがあげられます。このような最適化は、端末(物理端末か仮想端末かは問いません)が AC 電源から充電している場合ではなく、電池を消費していると見なす場合のみ有効になります。
しかし、デフォルトで AVD が電池を使うように設定するだけでは十分ではありません。電池モードになっている場合、一定時間が経過すると、自動的に画面がオフになるからです。この動作は、エミュレータをノートパソコンやデスクトップ パソコンで使っているユーザーにとってはわかりにくいものです。その場合、アプリが勝手にスリープして復帰が必要になるという前提はないからです。この状況を避けるため、Android Emulator はコールドブートが完了するたびに、
ADB の shell コマンド
を使って画面をオフにするまでの時間を最大(24 日)に設定します。
この変更によって、Google Play ストアは電池モードで自動的にアプリのアップデートを行わなくなり、システムが高負荷になるのを防ぐことができます。ただし、AC 充電モードに切り替えると
アプリの自動アップデート
が起動する点は変わりません。デベロッパーは、これを使ってアプリを自動アップデートするタイミングを制御でき、ユーザーが 1 つのアプリをビルドしてテストしたいだけの場合など、重要なユースケースが干渉を受ける事態を防ぐことができます。次のグラフは、電池モードと AC 電源モードで CPU 使用率を比べたものです。
AVD の CPU 使用率: アプリの自動アップデート vs アイドル状態
改善 2 — エミュレータの停止と再開
多くの方は、編集 / ビルド / デプロイ ループにおける編集やビルドのステップなど、重要なタスクを行っている間は、バックグラウンドでエミュレータが CPU サイクルを使い果たすことがないようにしたいと考えるはずです。この点に対処するため、エミュレータがまったく CPU を使わないようにするコンソール コマンドとインターフェースに取り組んでいます。次のコンソール コマンドを使うと、明示的に AVD を停止および再開することができます。
Android Emulator: 停止を行うコマンドライン オプション
ここでの問題は、Android Emulator の状態変化をどのように Android Studio と連携させるかです。そこで、アプリがデプロイされる際に、自動的にエミュレータを再開させています。この仕組みはまだ作業を進めている段階なので、皆さんの
感想やフィードバック
を歓迎します。
改善 3 — 描画呼び出しのオーバーヘッド軽減
Android Emulator の描画効率をさらにアップさせるため、エンジンの変更も行っています。その結果、多くの物体が画面に表示され、グラフィックスを多用するアプリをテストする際に、スムーズなユーザー エクスペリエンスを提供できます。たとえば、Emulator v28.1.10 は、v28.0.23 に比べて
GPU Emulation Stress Test アプリ
の描画が 8% 速くなっています。現在は、Android Q でさらに最適化の作業を進めています。最新情報は、
Android Q プレビュー
の際にお知らせします。
エミュレータの OpenGL ES の FPS: 28.0.23 vs 28.1.10
改善 4 — macOS のメインループ IO オーバーヘッドの軽減
完全なシステム エミュレータでは、仮想 OS にディスクやネットワークの I/O オペレーションが完了したことを通知する手段が必要になります。Android Emulator は
QEMU
をベースにしており、メインループと IO スレッドを使ってこれを実現しています。この処理は、Linux と Windows ではオーバーヘッドが低いものの、macOS ではメインループの CPU 使用率が高くなります。その原因は、select() システムコールが使われている点にあります。多くの場合、このシステムコールは効率的に実装されていませんが、macOS では低いオーバーヘッドで I/O を待機する
kqueue
という方法を使うことができます。現在 select() ベースになっているメイン I/O ループは、
kqueue
ベースのメイン I/O ループに置き換えられることがわかっています。その結果、メインループの CPU 使用率は最大 10% から最大 3% へと大幅に減少しました。これがアイドル状態でのすべての CPU 使用率を占めるものではないので、下の図ではあまり大きな変化は見られません。それでも、違いがあることはわかります。
AVD のアイドル状態の CPU 使用率 — エミュレータ 28.0.23 vs 28.1.10
改善 5 — ヘッドレス ビルド
Android アプリのビルドに継続的インテグレーション システムを使っている方のために、この領域でもパフォーマンスの改善を行っています。Android Emulator のユーザー インターフェースをオフにすることで、新しいヘッドレス モードのエミュレータにアクセスできるようになります。この新しいモードでは、テストがバックグラウンドで行われ、メモリ使用量が少なくなります。およそ 100 MB ほど少なくなりますが、その多くは、ユーザー インターフェースに使用する
Qt
ライブラリが読み込まれないことによるものです。ヘッドレス モードは、UI やユーザー操作を必要としない自動テストを行う際にも、優れた選択肢となります。先ほどの差は、次のようにして 2 つのエミュレータ AVD インスタンスを開始すると計測できます。なお、コマンドラインの例では、同じ条件で比較されるように、ホストの GPU モードを明示的に指定しています。
Android Emulator: ヘッドレス エミュレータ コマンドライン オプション
AVD のアイドル状態のメモリ使用量 — エミュレータ vs ヘッドレス エミュレータ
次のステップ
このブログで説明したパフォーマンスやリソースの最適化を利用するには、本日より
Canary チャンネル
で公開されている Android Emulator 28.1 をダウンロードしてください。この早期チェックイン版で皆さんと進展を共有できるのはうれしいことですが、もちろん、まだ完成したわけではありません。ぜひ Android Emulator の最新アップデートを試して
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