全新后台任务框架及最佳实践

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WWDC 19 专栏文章目录 WWDC 2019 Session 707: Advances in App Background Execution

2010年 iOS4 时代，iOS 的多任务系统面世，至今已经9个年头，期间后台模式及场景也逐渐增多，这为开发者和用户带来了很多可能性。随着 iOS 版本的迭代，慢慢的越来越多的后台运行场景被苹果所支持。与此同时为了改善用户体验以及延长电池寿命，苹果对于应用后台任务有着比较严苛的限制及审核规则，只有特定使用场景，应用才可能在后台持续运行，比如导航、音乐播放，VoIP 等。如果我们的应用恰好符合后台模式的场景，那么应该怎样利用好这一点来给用户好的体验呢？相信通过这一集 Session，你心中应该会有一个比较明确的答案~

概览

目前苹果支持9种后台模式，具体类型可使用 Xcode 的 Capabilities 来查看，如下图所示

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通过上图对比可以看到 Xcode11 将 Newsstand downloads 这种后台模式移除，并新增了一个 Background processing(后面会具体说)。这些后台模式都有 API 与之对应，苹果在设计后台任务相关 API 时，将以下3点作为主要考虑因素来确保流畅的用户体验。

  • 电池

电量几乎时刻都在被消耗，那么如何保证后台任务尽可能的减小电量的消耗呢？答案就是在后台任务完成时及时调用对应的 completion 通知系统任务已结束，以此来减小电量的消耗。

  • 性能

在日常使用情况下，手机上通常同时运行着多个应用，某个应用在前台时，其它的应用在后台。在资源有限的情况下，为了保证设备尽可能的流畅，系统会为每个应用智能分配 CPU 及内存的阈值，一旦应用超过对应阈值，将会被系统终止。 我们日常开发中发生的 OOM(Out Of Memory) 以及主线程长时间未响应而触发系统的“看门狗”，都是由于应用耗尽了系统分配的资源而被系统终止。

延展阅读 触发“看门狗”通常会生成一份 Crash 日志，日志内容类似下面这样，经典的 0x8badf00d Exception Type: EXC_CRASH (SIGKILL)Exception Codes: 0x0000000000000000, 0x0000000000000000Exception Note: EXCCORPSENOTIFYTermination Reason: Namespace SPRINGBOARD, Code 0x8badf00dTermination Description: SPRINGBOARD, process-launch watchdog transgression: com.xxxx exhausted real (wall clock) time allowance of 20.00 seconds | | ProcessVisibility: Unknown | ProcessState: Running | WatchdogEvent: process-launch | WatchdogVisibility: Foreground | WatchdogCPUStatistics: ( | "Elapsed total CPU time (seconds): 2.910 (user 2.910, system 0.000), 7% CPU", | "Elapsed application CPU time (seconds): 0.000, 0% CPU" | )Triggered by Thread: 0 如果对系统 Crash 日志感兴趣，可以看看我去年写的这篇文章 WWDC 2018：理解崩溃以及崩溃日志

大部分 OOM 的情况下一般会生成一份 JetsamEvent 开头的日志文件，可在设备的 设置->隐私->分析 中查看到，里面的内容会有崩溃现场的一些进程信息以及内存分配情况。更多关于 JetsamEvent 的介绍，可以查看这篇文章 iOS内存abort(Jetsam) 原理探究。

  • 隐私

由于应用在执行后台任务时，用户是无感的，但是用户对于自己的隐私信息是敏感的，所以在相关 API 的设计时会告知用户，哪些数据会被使用。 从今年的 WWDC 的动作来看，苹果对用户的隐私越来越重视，这点非常值得称赞，比如今年推出的 Sign In With Apple、地理位置权限的变更、后台地理位置访问的弹窗等。当然，这不是开始也不是结束，为苹果爸爸点赞👍。

最佳实践

了解了后台任务相关 API 的设计初衷，是时候来看看如何实践才能保证流畅的用户体验以及延长电池寿命。

想象一下一个类似微信的即时通讯软件拥有的一些功能：即时消息、勿扰模式、VoIP、历史记录下载等，对于这些功能，结合系统提供的各种后台任务应用场景，该以何种姿势使用这些 API 呢？且往下看~

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即时消息

即时消息肯定需要确保时效性，尽可能快的触达对方才能保证良好的用户体验。但是某些情况下（比如较差网络环境），不一定能马上将消息发送到对方，此时用户可能切回到桌面或者其它应用，那么如何才能保证发送消息这个操作完成呢？答案就是使用 Background Task Completion 相关 API。

// Guarding Important Tasks While App is Still in the Foreground
func send(_ message: Message) {
    let sendOperation = SendOperation(message: message)
    var identifier: UIBackgroundTaskIdentifier!
    // 1
    identifier = UIApplication.shared.beginBackgroundTask(expirationHandler: {
        // 2
        sendOperation.cancel()
        postUserNotification("Message not sent, please resend")
        // Background task will be ended in the operation's completion block below
    })
    sendOperation.completionBlock = {
        // 3
        UIApplication.shared.endBackgroundTask(identifier)
    }
    operationQueue.addOperation(sendOperation)
}

让我们依次看看上面标注的步骤：

  1. 应用在前台时通过对应 API 创建一个后台任务，此时即使 app 进入后台，也会获得一定的时间来处理消息发送。
  2. 在系统给出的时间内还没有处理完，应用即将被挂起，则取消发送，同时本地 push 通知用户。
  3. 如果发送成功，则通知系统该任务已结束，以此降低对电量的消耗。

如果是 Extension，可以使用 ProcessInfo.performExpiringActivity(withReason:using:)。

相信这种方式大家或多或少都用过，有些应用甚至用这个接口去做所谓的“保活”。但是这里要提醒大家注意一个点（说多了都是泪），就是 task 的 begin 和 end 的调用要对应，你会踩到我踩过的坑：没有成对调用的 task 会触发 0x8badf00d 看门狗。但是这里的 Crash 堆栈和上面说的的主线程卡太久而被强杀的堆栈是不一样的，具体可以看看这篇文章的分析：iOS App 后台任务的坑。

电话

有些时候会觉得打字麻烦而直接打电话，系统同样也提供了对应的 API————VoIP 通知。它是一种特殊的通知类型，可以唤起应用，提醒用户有电话呼入，代码实现起来也比较简单

func registerForVoIPPushes() {
    self.voipRegistry = PKPushRegistry(queue: nil)
    self.voipRegistry.delegate = self
    self.voipRegistry.desiredPushTypes = [.voIP]
}

同时必须在 didReceiveIncomingPush 回调中使用 CallKit 来处理 VoIP push 通知，否则系统会“杀”掉应用，并且系统可能在收到 VoIP 通知时不再唤起应用，示例代码如下：

let provider = CXProvider(configuration: providerConfiguration)

func pushRegistry(_ registry: PKPushRegistry, didReceiveIncomingPushWith payload:
PKPushPayload, for type: PKPushType, completion: @escaping () -> Void) {
    if type == .voIP {
        if let handle = payload.dictionaryPayload["handle"] as? String {
            let callUpdate = CXCallUpdate()
            callUpdate.remoteHandle = CXHandle(type: .phoneNumber, value: handle)
            let callUUID = UUID()
            provider.reportNewIncomingCall(with: callUUID, update: callUpdate) { _ in
                completion()
            }
            establishConnection(for: callUUID)
        }
    }
}

同时以下几点也可以关注一下：

  • payload 中填充尽可能多的信息，以便展示更加完善的 UI（当然不能超过其限制）。
  • 因为电话的实时性很高，payload 中的 apns-expiration 的值尽可能小或者为0，以便通知能立即触发。
  • 如果不想要类似系统电话的全屏 UI，也可以使用标准的推送 API 来触发 banner 样式。
  • 如果想要自定义 push 内容，则可以使用 Notification Service Extension，比如想要做一些加密操作。

由于笔者没有实际使用过 VoIP 相关技术，所以这里推荐大家看看苹果的官方文档 VoIP 最佳实践 以及闲鱼技术团队写的这篇文章iOS VoIP电话：CallKit与PushKit的应用

勿扰模式

聊完 VoIP，我们紧接着看看勿扰模式的最佳实践。微信中通常聊天列表里躺着几十个甚至上百个会话，有些活跃的群可能一天有上千条信息，如果一直收到 push，肯定会不胜其烦。所以一般都会对这个群开启消息免打扰模式，但是又不想错过重要信息（比如被别人@）。那么这种勿扰模式，在后台模式下该如何实现呢？使用静默推送！~

静默推送可以在用户无感知的情况下，将数据推送到设备上。只需要将 push payload 里的 content-available 的值设置为 1，同时 payload 中不要包含 alert、sound、badge 字段，示例如下：

示例摘抄自 Creating the Remote Notification Payload Listing 7-1

{
    "aps" : {
        "content-available" : 1
    },
    "acme1" : "bar",
    "acme2" : 42
}

当收到静默推送后，系统出于对电池寿命和性能的保证，会智能地在后台唤起应用去下载相关内容。

下图还是以消息免打扰为例，用户在前台对某个会话开启了消息免打扰，然后回到后台，一段时间后该会话有新的内容，但是用户开了勿扰模式，所以我们需要“偷偷地”更新会话内容，但是用户却无感知。这里“偷偷地”就是系统在收到静默推送时，会在合适的时机在后台唤起应用去加载该会话的新内容（该后台任务可以持续30秒）。等用户回到前台，会发现免打扰的会话里的内容也有了更新，极大提高了用户体验。

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关于静默推送的其它几点 tips：

  • 必须将 apns-priority 设置为 5，否则系统不会唤起应用。
  • watchOS 应用必须（其它平台则强烈推荐）将 apns-push-type 设置为 background。

以上涉及到 payload 里的相关字段的设置，其实是在向 APNs 服务器发起请求时，请求体里的相关字段，更多内容可参考Sending Notification Requests to APNs 关于最后一点需要稍微吐槽一下，这集 Session Keynote 上是说 watchOS 必须设置，其它平台强烈推荐设置。但是官方文档却说从 iOS13 和 watchOS6 起，这个 key 必须设置，建议还是以文档为准。 -w782

关于推送测试，推荐一下这个工具 Knuff

历史记录下载

当我们在新设备上登录时，会同步历史聊天列表，对于一些比较久远的会话记录，我们可以使用后台下载任务（Background URL Session）将其延迟下载。其实不仅仅是会话列表可以延迟放到后台任务去同步，其他的一些任务也是可以的，比如数据统计、照片备份等。不过是否放在后台任务去执行，还是需要结合时效性以及性能稳定性来决定。

后台下载任务示例代码如下：

// 配置任务
let config = URLSessionConfiguration.background(withIdentifier: "com.app.attachments") 
let session = URLSession(configuration: config, delegate: ..., delegateQueue: ...)
 
// 设置这个值为 true，告诉系统在合适的时机触发相应任务来保证良好的性能
// 如果任务比较耗时，建议将这个值设为 true
config.discretionary = true
// 设置超时时间
config.timeoutIntervalForResource = 24 * 60 * 60
config.timeoutIntervalForRequest = 60
// 创建请求
var request = URLRequest(url: url)
request.addValue("...", forHTTPHeaderField: "...")
let task = session.downloadTask(with: request)
// 设置最早触发时间
task.earliestBeginDate = Date(timeIntervalSinceNow: 2 * 60 * 60)
// 设置期望的发送和接收的数据包大小
task.countOfBytesClientExpectsToSend = 160
task.countOfBytesClientExpectsToReceive = 4096
task.resume()

更多信息可以查看Downloading Files in the Background。这里值得注意的是，如果在后台任务下载过程中应用被系统终止，再次启动时，使用相同 identifier 创建的 session 系统将会从上一次终止的地方继续下载对应内容。但是如果用户手动通过多任务将应用终止的话，系统会取消所有后台下载任务，同时系统也不会自动在后台唤起应用。

通过上面的四种场景分析，系统分别为我们提供了不同场景下该使用的 API，以及对应的最佳实践。当然还有一些场景上面例子并没有涉及，比如 Background Fetch、Background Processing。某些特定的后台任务需要在 Xcode 的 Signing & Capabilities（Xcode 10 为 Capabilities）中勾选才能生效，具体如下图所示。

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而我们上面提到的 VoIP 电话和静默推送需要将 Voice over IP 和 Remote notifications 选项勾起来。

全新后台任务框架

以上场景都有对应的 API 可用，但是对于其它场景呢？比如数据同步、照片备份、数据库清理等，有没有更便捷的方式呢？当然，且看 iOS13 推出的全新框架 BackgroundTasks.framework~

如本文题图那样，BackgroundTasks.framework 是一个全新的后台任务调度框架，同时对iOS、iPadOS、watchOS、tvOS 以及 Mac 上的 iPad 应用都支持。同样 iOS13 新增了一种后台模式 Background processing，同时对现有的后台刷新相关 API 进行了改善。

进到这个框架的类 API，会发现这个框架十分简洁，两种后台任务分别对应的类为 BGProcessingTask 和 BGAppRefreshTask，这两个类都是继承自一个抽象类 BGTask，然后再配合对应的BGTaskRequest 以及 BGTaskScheduler，就可以满足大部分后台任务的需求。

相关 API 一览：

// task
@available(iOS 13.0, *)
open class BGTask : NSObject {
    open var identifier: String { get }
    open var expirationHandler: (() -> Void)?
    open func setTaskCompleted(success: Bool)
}

@available(iOS 13.0, *)
open class BGProcessingTask : BGTask {
}

@available(iOS 13.0, *)
open class BGAppRefreshTask : BGTask {
}

// request
@available(iOS 13.0, *)
open class BGTaskRequest : NSObject, NSCopying {
    open var identifier: String { get }
    open var earliestBeginDate: Date?
}

@available(iOS 13.0, *)
open class BGAppRefreshTaskRequest : BGTaskRequest {
    public init(identifier: String)
}

@available(iOS 13.0, *)
open class BGProcessingTaskRequest : BGTaskRequest {
    public init(identifier: String)
    open var requiresNetworkConnectivity: Bool
    open var requiresExternalPower: Bool
}

// scheduler
@available(iOS 13.0, *)
open class BGTaskScheduler : NSObject {
    open class var shared: BGTaskScheduler { get }
    open func register(forTaskWithIdentifier identifier: String, using queue: DispatchQueue?, launchHandler: @escaping (BGTask) -> Void) -> Bool
    open func submit(_ taskRequest: BGTaskRequest) throws
    open func cancel(taskRequestWithIdentifier identifier: String)
    open func cancelAllTaskRequests()
    open func getPendingTaskRequests(completionHandler: @escaping ([BGTaskRequest]) -> Void)
}

BGProcessingTask

首先来看看今年新提供的后台模式————Background Processing Task。

  • 这种后台模式会给应用几分钟的时间来处理相关任务，相比之前的几十秒有了比较大的提升。因此我们可以将一些可延迟到后台执行的任务放到这种模式下执行，也可以将一些 Core ML 的训练放到这种模式下执行。
  • 最重要的一点是，新框架允许我们关掉 CPU 的检测，因为之前系统出于对电池寿命的考虑，会将后台 CPU 占用较高的应用“杀死”，所以新框架的这个特性对于那些 CPU 占用较高的后台任务可以说是及时雨了，而要做到这个，仅仅只需要设置 bgProcessingTaskRequest.requiresExternalPower = true 即可。
  • 同时我们只要需应用在前台时提交了对应请求，系统就会在适当的时机触发相应的任务。

BGAppRefreshTask

了解完 BGProcessingTask，我们继续看一看 BGAppRefreshTask。

  • 虽然是新 API，但是规则和之前的 Background Fetch一样：有30秒的执行时间、让应用内容保持最新。
  • 会根据用户使用应用的频次和时间段，来决定何时触发后台刷新任务。比如用户经常在早上 8 点和晚上 10 点会打开应用，系统则会在这两个时间点之前触发刷新任务，以保证用户总是看到最新的内容。这也就意味着如果应用使用的频次较低，系统触发的刷新任务的频次也就随之变低。同时下面两个 API 被废弃了，虽然在iOS、iPadOS、tvOS 任能使用，但是在 Mac 上将无法使用，所以尽快切到新的 API 吧~
        - (void)setMinimumBackgroundFetchInterval:(NSTimeInterval)minimumBackgroundFetchInterval API_DEPRECATED("Use a BGAppRefreshTask in the BackgroundTasks framework instead", ios(7.0, 13.0), tvos(11.0, 13.0));
    
    - (void)application:(UIApplication *)application performFetchWithCompletionHandler:(void (^)(UIBackgroundFetchResult result))completionHandler API_DEPRECATED("Use a BGAppRefreshTask in the BackgroundTasks framework instead", ios(7.0, 13.0), tvos(11.0, 13.0));
    ```
    
在我们提交了相应后台任务后，系统会根据一些条件和规则（比如电量、应用使用频次、网络等）来适时地触发对应任务。我们和系统交互，主要是通过 `BGTaskScheduler` 这个类。

![-w1325](/oldimages/15603593455627.jpg)

如图所示，当应用或者 `Extension` 在前台通过 `BGTaskScheduler` 向系统提交后台任务请求（`BGRequest`）后（图中 1、2 所示），系统在条件满足的情况下会在后台唤起应用，然后将对应的后台任务（`BBGTask`）传给应用（上图步骤 3 所示）。值得一提的是，系统后台唤起应用后，可能同时将多个后台任务传给应用，系统会给这些任务一定的时间去执行，但这里分配的时间不是针对每个任务，而是针对每次后台唤起，所以必须保证在有限时间内能够同时处理所有任务。还有一点要注意的是，`Extension` 提交的任务请求，也会被分发到宿主应用，因为系统只会唤起宿主应用而不是 `Extension`。

## Demo Time

通过上面我们对新的框架有了一个宏观上的了解，苹果爸爸也十分贴心的为这集 Session 提供了 [Demo](https://developer.apple.com/documentation/backgroundtasks/refreshing_and_maintaining_your_app_using_background_tasks?language=objc)。这里就不再详细展开，只指出值得注意的地方，感兴趣的同学可以自行下载 Demo 感受一下。

* 想要新框架对应的特性，必须勾选对应的后台模式， `BGProcessingTask` 对应 `Background processing`，`BGAppRefreshTask` 对应 `Background fetch`。Xcode11 的开启步骤如图所示。
    ![-w1119](/oldimages/15603641916974.jpg)
* 代码中用到的任务标识符必须和 `Info.plist` 中的一致，否则任务不生效，如图所示。`Info.plist` 中对应的 key 为 `Permitted background task scheduler identifiers`，同时标识符要确保全局唯一，推荐使用反域名的方式。
    ![-w1025](/oldimages/15603607054920.jpg)
* 如果任务会占用较高 CPU，强烈推荐将 `requiresExternalPower` 设置为 `true`。
* 任务请求提交后，任意位置设置断点或者暂停应用进到断点模式，输入以下两条指令来模拟触发任务以及提前终止任务，输入完成后，点击继续，会发现任务被正常触发或终止。**仅真机有效**。
    
    ```objc
    // 模拟触发任务，TASK_IDENTIFIER 替换为想要测试的任务对应的标识
    e -l objc -- (void)[[BGTaskScheduler sharedScheduler] _simulateLaunchForTaskWithIdentifier:@"TASK_IDENTIFIER"]
    
    // 模拟终止任务，TASK_IDENTIFIER 替换为想要测试的任务对应的标识 
    e -l objc -- (void)[[BGTaskScheduler sharedScheduler] _simulateExpirationForTaskWithIdentifier:@"TASK_IDENTIFIER"]
    ```
* 不要把任务的最早开始日期(`earliestBeginDate`)设的太大，推荐在一周内。
* 确保文件在锁屏下可访问，最好将文件访问等级设置成 `FileProtectionType.completeUntilFirstUserAuthentication 
`，当然这也是 iOS7 之后系统的默认行为，**设备重启到用户首次解锁的这段时间，后台任务不会被触发**。
* 支持分屏的应用需要在合适的时机调用 `UIApplication.requestSceneSessionRefresh(_:)` 来告诉系统来更新多任务窗口下的应用截图。
* 不要在主线程上提交任务请求，尽量放到后台线程，避免阻塞 UI

到此整个新框架以及一些最佳实践都已经介绍完毕，各位是不是迫不及待想动手试试？心动不如行动，赶紧动手试试吧。Enjoy~

个人想到的一些新框架可能适用的点（`Keynote` 上提到的机器学习的模型训练之类的就不再说了）

* 使用 `BGAppRefreshTask` 提前拉取应用首屏需要的内容，减少用户启动后的等待时间（之前的 `background fetch` 也能实现）
* 数据同步，尤其是大文件，像谷歌相册、各种云盘之类的软件
* 日志上报，一些不需要那么实时的日志，可以考虑放到后台任务

> PS: 期待谷歌相册能适配一波，避免同步时一直得保持应用在前
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