performance-profiling

パフォーマンスのプロファイリング

Instruments、Xcode の診断機能、MetricKit を使用した、Apple プラットフォームアプリのプロファイリングに関する体系的なガイドです。CPU、メモリ、起動時間、エネルギーの分析と、実践的な修正パターンを取り上げます。

このスキルが有効になる条件

ユーザーが次のような場合に、このスキルを使用します。

• アプリのハング、カクつき、フレーム落ちを報告している
• CPU 使用率をプロファイリングしたり、処理の集中するコードパスを特定したりする必要がある
• メモリリーク、高いメモリ使用量、または OOM クラッシュが発生している
• アプリの起動時間を最適化したい
• バッテリーやエネルギーへの影響を減らす必要がある
• Instruments、Time Profiler、Allocations、または Leaks について質問している
• コードに os_signpost やパフォーマンス測定を追加したい
• App Store の審査に備えて、パフォーマンスを検証する必要がある

判断ツリー

What performance problem are you investigating?
│
├─ App hangs / unresponsive to taps / slow UI
│  └─ Read time-profiler.md
│
├─ Scroll or animation stutter / dropped frames / hitches
│  └─ Read hitches.md
│
├─ High memory / leaks / OOM crashes / growing footprint
│  └─ Read memory-profiling.md
│
├─ Slow app launch / time to first frame
│  └─ Read launch-optimization.md
│
├─ Battery drain / thermal throttling / background energy
│  └─ Read energy-diagnostics.md
│
├─ General "app feels slow" (unknown cause)
│  └─ Start with time-profiler.md, then memory-profiling.md
│
└─ Pre-release performance audit
   └─ Read ALL reference files, use Review Checklist below

クイックリファレンス

問題	インストゥルメント／ツール	主な指標	リファレンス
UI のハングが 250ms を超える	Time Profiler + Hangs	ハング時間、メインスレッドのスタック	time-profiler.md
スクロール／アニメーションのカクつき	Animation Hitches テンプレート	カクつき時間の割合（< 5 ms/s は良好、> 10 は重大）	hitches.md
高い CPU 使用率	Time Profiler / CPU Profiler	関数ごとの CPU %、コールツリーの重み	time-profiler.md
メモリリーク	Leaks + Memory Graph	リークしたバイト数、リテインサイクルのパス	memory-profiling.md
メモリの増加	Allocations	生存バイト数、世代分析	memory-profiling.md
起動が遅い	App Launch	最初のフレームまでの時間（pre-main + post-main）	launch-optimization.md
バッテリー消費	Energy Log / Power Profiler	Energy Impact スコア、CPU／GPU／ネットワーク	energy-diagnostics.md
熱の問題	Activity Monitor	サーマル状態の遷移	energy-diagnostics.md
ネットワークの無駄	Network profiler	重複したフェッチ、大きなペイロード	energy-diagnostics.md

主要な 8 つの指標（WWDC21 10181）

Apple は、アプリのパフォーマンスで追跡すべき項目を正確に 8 つ挙げています。これらは 5 つのツール（Xcode Organizer、MetricKit、Instruments、XCTest、App Store Connect API）ですべて確認できます。

#	指標	しきい値／シグナル	ツール
1	バッテリー使用量	Energy Gauge は、CPU 使用率が 20% 超の場合に High CPU としてフラグを付け、CPU Wake Overhead の領域も示します。確認すべき主なサブシステムは CPU、ネットワーク、位置情報です	Energy Gauge → Time Profiler
2	起動時間	アイコンをタップしてから最初のフレームが描画されるまでの時間	App Launch テンプレート、XCTApplicationLaunchMetric
3	ハング率	250ms 以上入力に応答しない状態	Hangs インストゥルメント、Organizer
4	メモリ	Organizer はピークメモリとサスペンド時のメモリをグラフに表示します。終了のスパイクがまだ発生していない段階でのスパイクは、早期警告です	Allocations、Leaks、VM Tracker
5	ディスク書き込み	アプリが24 時間で 1 GB 超を書き込むと例外レポートが生成されます（スタックトレースと Insights の注釈を含む）	File Activity テンプレート、XCTStorageMetric
6	スクロール	Organizer のスクロールグラフに赤いバーが表示されている場合、スクロール体験が良くありません。すぐに修正してください	Animation Hitches、XCTOSSignpostMetric.scrollDecelerationMetric
7	終了	終了するたびに次回は遅いコールド起動が必要になり、ユーザーの状態も失われます	MXAppExitMetric、Organizer
8	MXSignposts	重要なコードセクションをカスタムマークした区間	MetricKit

Organizer は、同意したユーザーのデバイスから、これらすべてのデータを直近 16 バージョンにわたって集計します。Regressions ペイン（Xcode 13）では、最新バージョンで大幅に増加した指標をすべて一か所で確認できます。同じデータは App Store Connect API を介して JSON 形式でも利用できます（WWDC21 10181）。

手順

1. 問題のカテゴリを特定する

ユーザーに尋ねるか、説明を確認して、問題を分類します。

• 応答性：ハング、カクつき、アニメーションのフレーム落ち
• メモリ：リーク、増加、OOM クラッシュ
• 起動：コールド／ウォーム起動が遅い
• エネルギー：バッテリー消費、熱によるスロットリング

2. 適切なリファレンスファイルを読む

各ファイルには次の内容が含まれています。

• 使用する Instruments テンプレート
• プロファイリングの手順
• 結果の解釈方法
• コード例を含む一般的な修正パターン

3. 実機でプロファイリングする

必ずユーザーに次の点を伝えてください。

• シミュレータではなく実機でプロファイリングする（シミュレータはホストの CPU／メモリを使用します）
• Release ビルド構成を使用する（最適化によって動作が変わります）
• 実際の利用状況を反映したデータでプロファイリングする（データベースが空だと、実際のパフォーマンスの問題が見えません）
• ノイズを減らすため、ほかのアプリを終了する

4. 修正を適用して検証する

ボトルネックを特定したら、次の手順を行います。

• リファレンスファイルの対象を絞った修正を適用する
• 再度プロファイリングして改善を確認する
• 継続的な監視のために os_signpost マーカーを追加する

Xcode の診断設定

Scheme > Run > Diagnostics で次の設定を有効にすることを推奨します。

設定	検出できる問題
Main Thread Checker	メインスレッド以外での UI 処理
Thread Sanitizer	データ競合
Address Sanitizer	バッファーオーバーフロー、解放後使用
Malloc Stack Logging	メモリ割り当てのコールスタック
Zombie Objects	解放済みオブジェクトへのメッセージ送信

MetricKit の統合

本番環境での監視には、MetricKit の使用を推奨します（WWDC20 10081、WWDC21 10181）。

import MetricKit

final class PerformanceReporter: NSObject, MXMetricManagerSubscriber {
    func startCollecting() {
        MXMetricManager.shared.add(self)   // subscribe once, early in launch
    }
    // best practice: remove(self) in deinit (WWDC21 10181)

    func didReceive(_ payloads: [MXMetricPayload]) {
        for payload in payloads {
            // Launch time
            if let launch = payload.applicationLaunchMetrics {
                log("Resume time: \(launch.histogrammedResumeTime)")
            }
            // Hang rate
            if let responsiveness = payload.applicationResponsivenessMetrics {
                log("Hang time: \(responsiveness.histogrammedApplicationHangTime)")
            }
            // Memory
            if let memory = payload.memoryMetrics {
                log("Peak memory: \(memory.peakMemoryUsage)")
            }
            // Scroll hitches (ratio of time hitching to time scrolling)
            if let animation = payload.animationMetrics {
                log("Scroll hitch ratio: \(animation.scrollHitchTimeRatio)")
            }
            // Exit reasons — daily counts per termination cause, fg + bg
            if let exits = payload.applicationExitMetrics {
                log("Exits: \(exits.backgroundExitData)")
            }
        }
    }

    func didReceive(_ payloads: [MXDiagnosticPayload]) {
        for payload in payloads {
            if let hangs = payload.hangDiagnostics {
                for hang in hangs {
                    log("Hang: \(hang.callStackTree)")
                }
            }
        }
    }
}

主な情報（WWDC20 10081、WWDC21 10181）：

• ❌ サブスクリプションを遅延させると（例：設定画面で登録する）、配信されたペイロードを気付かないまま取りこぼします。✅ App／AppDelegate の init でサブスクライブしてください。前日のペイロードはアプリの起動時に渡されます。
• メトリクスは 24 時間分のペイロードとして、1 日に最大 1 回、累積、平均、バケット化（MXHistogram）の 3 つの集計形式で届きます。iOS 15+/macOS 12+ では、すべての診断情報が日次ではなく、問題の発生直後に配信されます。
• 終了情報とメモリのテレメトリは、デフォルトで日次のメトリクスペイロードに含まれます。追加の計測は不要です。
• 診断の種類：MXHangDiagnostic（メインスレッドの応答停止時間とバックトレース）、MXCrashDiagnostic（例外情報、終了理由、VM 領域情報）、MXCPUExceptionDiagnostic（CPU を消費しているスレッド。Organizer のエネルギーログに相当するプログラム上の情報）、MXDiskWriteExceptionDiagnostic（1 GB／日の書き込みしきい値を超えたときに発生）。
• MXCallStackTree のバックトレースは設計上、シンボル化されていません。atos クラスのツールと dSYM を使ってデバイス外でシンボル化してください。❌ デバイス上で行おうとしないでください。
• MXSignpost は、フィールドテレメトリ用に重要なコードセクションをマークします。アニメーション用のバリアントは、その区間のヒッチ率テレメトリを取得します。

let handle = MXMetricManager.makeLogHandle(category: "animation_telemetry")
mxSignpostAnimationIntervalBegin(log: handle, name: "custom_animation")
// ... animation ...
mxSignpost(OSSignpostType.end, log: handle, name: "custom_animation")

レビューチェックリスト

応答性

• メインスレッドで 100 ms を超える同期処理がない
• メインスレッドでファイル I/O やネットワーク呼び出しを行っていない
• 大規模なクエリでは、Core Data／SwiftData のフェッチにバックグラウンドコンテキストを使用している
• 画像をメインスレッド以外でデコードしている（.preparingThumbnail または非同期デコードを使用）
• @MainActor は、UI へのアクセスが本当に必要なコードにのみ使用している

メモリ

• 保持サイクルがない（デリゲートパターンや、self を使用するクロージャを確認）
• 表示されていない大きなリソースを解放している（画像、キャッシュ）
• コレクションが無制限に増加しない（上限付きキャッシュ、ページネーション）
• ObjC オブジェクトを生成するタイトなループで autoreleasepool を使用している

起動時間

• @main App 構造体の init() で重い処理を行っていない
• 必須ではない初期化（分析、先読み）を後回しにしている
• 動的フレームワークを最小限にしている（静的リンクを優先）
• 起動時に同期ネットワーク呼び出しを行っていない

エネルギー

• バックグラウンドタスクで BGProcessingTaskRequest を適切に使用している
• 位置情報の精度が実際の必要性に合っている（常に .best にしていない）
• タイマーで tolerance を設定し、実行のまとめ合わせを可能にしている
• 可能な場合はネットワークリクエストをまとめている

参考資料

• time-profiler.md — CPU プロファイリング、ハング検出の手順、signpost API、Instruments の 27 種類のツール
• hitches.md — レンダーループ、ハッチ時間比、コミット／レンダーフェーズの修正カタログ
• memory-profiling.md — Allocations、Leaks、メモリーグラフデバッガー、memgraph CLI、終了理由
• launch-optimization.md — アプリの起動フェーズ、コールド／ウォームスタートの最適化、リンカーの調整項目
• energy-diagnostics.md — バッテリー、熱状態、ネットワーク効率、Power Profiler
• WWDC：アプリケーションのパフォーマンスを守り抜くための究極ガイド
• WWDC：アプリのハングを理解して解消する
• WWDC：Xcode とデバイス上の検出機能でハングを特定する
• WWDC：Instruments でハングを分析する
• WWDC：メモリーの問題を検出して診断する
• WWDC：ヒープメモリーを分析する
• WWDC：アプリが強制終了される理由
• WWDC：MetricKit の新機能
• WWDC：アプリの起動を最適化する
• WWDC：Instruments で CPU パフォーマンスを最適化する
• WWDC：アプリの電力使用量をプロファイリングして最適化する
• WWDC：プロファイリング、修正、検証 — Instruments でアプリの応答性を高める