iOS底层-30：启动优化

冷启动和热启动
当用户按下home键时，iOS的APP不会立马被kill掉，还会存活一段时间，在这个时间之内，用户再进入APP，APP几乎不需要做什么，就可以还原到退出时的状态。这个称之为热启动。
与之对应的冷启动，就是内存中不包含APP的相关数据，必须从磁盘中载入到内存。重启手机后，就是绝对的冷启动。

APP的启动优化主要分为两个阶段：

pre-main(main()函数之前)
main()函数之后

pre-main

苹果提供了一个方法，可以监测main()函数之前的耗时。
在Xcode中，Project->Scheme->Edit Scheme -> Run -> Arguments -> Environment Variables，添加DYLD_PRINT_STATISTICS。

command+R运行，控制台就会多出这样一份信息。

这里用的是我之前一个没有优化过的项目，选用的是release环境，我们可以看到pre-main time非常久，总共达到了933.64ms。

dylib loading time：动态库的载入
rebase/binding time：偏移修正和符号绑定
ObjC setup time：OC类注册耗时，swif类要比OC快
initializer time：执行+load和构造函数的耗时
slowest intializers：最慢的，举了一些例子
libglInterpose.dylib：系统库，和调试相关
最后一个是咱们的主程序耗时

偏移修正：在二进制文件中，方法、函数调用都有一个地址，这个地址是在这个二进制文件当中的偏移地址。但是我们的程序在运行中，系统会给我们分配一个ASLR随机地址值，插入到二进制文件的开头，函数方法的地址就发生了变化。
符号绑定：比如我们的NSLog，是foundation框架中的方法，编译的时候并不知道它的真实地址，真实地址是在运行时绑定的，这就是符号绑定。

与之对应的优化方法有这些：

1. 减少动态库的使用
官方建议自定义动态库不要多于6个，但实际使用6个可能远远不够，这时候就要考虑动态库的合并了。

2. 减少不必要的OC类，尽量不使用+load方法
减少加载后可能不会使用的类或者方法，尽量不要写+load()方法，可以用+initialize()、dispatch_once()替换+load()

3. 减少C++构造函数和静态对象
尽量不要写 __attribute__((constructor))的C函数，也尽量不要用到C++的静态对象

main函数之后

main函数之后到第一个页面渲染完成，这之中尽量不要做耗时的操作，如果一定要做，那么请使用多线程去完成。

启动时需要加载展示的页面，最好不要用storyboard、xib，因为storyboard要经过一层代码解析和转换，再渲染。

二进制重排

由于现在系统采用的都是虚拟地址加物理地址，启动时大量的page fault也会耗时。通过二进制重排，把启动时需要访问的内存，集中在一个page里面，减少page fault的次数，这就是二进制重排的核心原理。

检测工具

page fault的次数可以通过Instruments -> System Trace查看

选择我们要监测的应用运行
首屏渲染完成停止
搜索main thread，选择Summary：Virtual Memory查看虚拟内存情况

我们可以看到page fault的次数是1022次，总共耗时278.38ms，最长的一次是4.83ms。

二进制重排实现

二进制文件的顺序是根据Build Phases -> Compile Sources里的顺序来的，每个文件里面按照从上到下的顺序。

link map
通过link map可以查看方法写入二进制的顺序。

搜索link map，将Write Link Map File修改为YES，编译一次就可以在上面的path路径中拿到link map文件。
通过配置.order文件，可以改变文件的链接顺序，可以在Xcode中配置

下面是objc源码中的.order文件，可以参考这个来写。

如果orde_file中的符号实际不存在会怎么样？
Id会忽略这些符号，如果提供了link选项-order_file_statistics，会以warning的形式把这些没找到的符号打印在日志里。

前面的准备工作做好了，下面最重要的是如何获取启动时加载的方法?

要获取APP启动时加载的方法，首先想到的是hook掉objc_msgSend，使用fishhook，但由于objc_msgSend是可变参数，需要使用汇编，而且不能覆盖所有符号。下面提供一个clang插桩方式，hook一切符号的方式。

clang插桩

clang插桩官方文档

在Xcode中添加-fsanitize-coverage=trace-pc-guard
编译会报两个错误

说明只要我们添加了-fsanitize-coverage=trace-pc-guard，他就会自动调用___sanitizer_cov_trace_pc_guard_init和___sanitizer_cov_trace_pc_guard这两个函数

官方文档给出了这两个函数的例子：

extern "C" void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
                                                    uint32_t *stop) {
  static uint64_t N;  // Counter for the guards.
  if (start == stop || *start) return;  // Initialize only once.
  printf("INIT: %p %p\n", start, stop);
  for (uint32_t *x = start; x < stop; x++)
    *x = ++N;  // Guards should start from 1.
}

这里面的start为0，stop为启动时函数调用结束的数目。通过stop - start可以得出方法函数的调用次数。

extern "C" void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
  if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check. 屏蔽了load方法
  void *PC = __builtin_return_address(0);//当前函数返回到上一个调用的地址 0 表示当前函数会回到哪里  1 表示上一个函数会回到哪里
  char PcDescr[1024];
  printf("guard: %p %x PC %s\n", guard, *guard, PcDescr);
}

这个函数，在每一次调用方法时都会进来，guard里包含了一些方法地址和信息。

只要通过trace_pc_guard就可以拿到APP启动时调用的所有方法，现在只要我们通过guard信息拿到方法的reciver和SEL，就可以进行order_file的编写。

打上图示断点

这时候进来的是main函数，查看左边堆栈可知

打印发现PC的地址和main函数的地址一样

PC是函数返回地址，当调用完trace_pc_guard，会继续执行原函数，PC只是返回原函数地址，并不是原函数的起始地址。

这里我们需要借助dlopen动态链接库

#import <dlfcn.h>

其中有一个Dl_info结构体

typedef struct dl_info {
        const char      *dli_fname;     /* Pathname of shared object */
        void            *dli_fbase;     /* Base address of shared object */
        const char      *dli_sname;     /* Name of nearest symbol */
        void            *dli_saddr;     /* Address of nearest symbol */
} Dl_info;

在trace_pc_guard加上以下几行代码

断点运行

可以看到main函数的名字输出了。

fname：文件地址
fbase：文件地址
sname：函数名称
saddr：函数起始地址

这样我们通过dladdr()函数就拿到了我们想要的内容。

符号的存储

自定义一个原子队列，将数据存入队列

//定义原子队列
static OSQueueHead symbolList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;

自定义一个结构体SYNode用来存储PC数据

//定义符号结构体
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}SYNode;

队列是一个单链表，next用来指向下一个元素位置

自定义一个获取队列中数据的函数readSymbolList()

void readSymbolList() {
    
    while (YES) {
        SYNode *node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(SYNode, next));
        if (node == NULL) {
            break;
        }
        Dl_info info;
        dladdr(node->pc, &info);
        printf("%s \n",info.dli_sname);
    }
}

我们在App首屏界面中的touchesBegan调用它，读取队列中的数据。

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{   
    readSymbolList();
}

运行程序，查看readSymbolList()打印结果

发现程序进入可死循环，究其原因是因为while循环也会被hook掉，每进行一次循环就会调用一次trace_pc_guard
进入循环后打上断点
查看汇编

此时的地址是0x104a24808
进入trace_pc_guard打上断点
断点进来后，查看PC

返回地址为0x0000000104a24870

回到readSymbolList()的汇编

找到0x104a24870这个地址看到是一个跳转，跳转到0x104a24838这个地址
查看0x104a24838

这正是第一个断点的位置所在，如此就陷入了死循环，程序在readSymbolList()和trace_pc_guard中一直循环跳转。

死循环解决方法

clang插桩的时候，设置让循环不会调用trace_pc_guard方法

在上面的value中加入func，这样就只会hook方法。

再次运行

程序启动时调用的方法成功打印。注意这里是一个倒序的，因为是单链表。

上述的打印还存在一下几个问题：
1. 顺序是颠倒的
2. 没有+load方法
3. 方法重复
4. 如果是函数，需要在前面加_

解决load方法

去除这一行代码
处理并写入order


void writeOrderFile() {
    
    //定义数组
    NSMutableArray<NSString *> *symbolNames = [NSMutableArray array];
     
    while (YES) {
        SYNode *node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(SYNode, next));
        if (node == NULL) {
            break;
        }
        Dl_info info;
        dladdr(node->pc, &info);
        
        NSString *name = @(info.dli_sname);
        //如果是OC方法 直接存
        if ([name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["]) {
            [symbolNames addObject:name];
            continue;
        }
        //如果不是
        [symbolNames addObject:[@"_" stringByAppendingString:name]];
        
    }
    
    //取反 去重
    NSEnumerator *enumerator = [symbolNames reverseObjectEnumerator];
    NSMutableArray *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count];
    
    NSString *name;
    while (name = [enumerator nextObject]) {
        if (![funcs containsObject:name]) {
            [funcs addObject:name];
        }
    }
    //去除本身这个函数
    [funcs removeObject:[NSString stringWithFormat:@"_%s",__func__]];
    
    //写入order_file
    //组装成字符串
    NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
    //文件路劲
    NSString *filePath = [NSString stringWithFormat:@"%@%@",NSTemporaryDirectory(),@"example.order"];
    //文件内容
    NSData *fileData = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    //写入
    BOOL isSuccess = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileData attributes:nil];
    if (isSuccess) {
        NSLog(@"order_file 写入成功");
    }else{
        NSLog(@"order_file 写入失败");
    }
}

拿到order文件，配置到Xcode的order file路径
再次运行App，查看启动耗时

优化后

优化前

可以看到差不多pre-main时间减少了200ms。

优化后

优化前

page fault数目从1000多减到了54。

完整代码

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <sanitizer/coverage_interface.h>
#import <dlfcn.h>
#import <libkern/OSAtomic.h>


//定义原子队列
static OSQueueHead symbolList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;

//定义符号结构体
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}SYNode;

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
                                                    uint32_t *stop) {
  static uint64_t N;  // Counter for the guards.
  if (start == stop || *start) return;  // Initialize only once.
  printf("INIT: %p %p\n", start, stop);
  for (uint32_t *x = start; x < stop; x++)
    *x = ++N;  // Guards should start from 1.
}

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
//  if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check.

    void *PC = __builtin_return_address(0);
    
    //创建结构体
    SYNode *node = malloc(sizeof(SYNode));
    *node = (SYNode){PC,NULL};
    //加入结构体
    OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SYNode, next));
    
}


void writeOrderFile() {
    
    //定义数组
    NSMutableArray<NSString *> *symbolNames = [NSMutableArray array];
     
    while (YES) {
        SYNode *node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(SYNode, next));
        if (node == NULL) {
            break;
        }
        Dl_info info;
        dladdr(node->pc, &info);
        
        NSString *name = @(info.dli_sname);
        free(node);
        //如果是OC方法 直接存
        if ([name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["] || [name hasPrefix:@"_"]) {
            [symbolNames addObject:name];
            continue;
        }
        //如果不是
        [symbolNames addObject:[@"_" stringByAppendingString:name]];
        
    }
    
    //取反 去重
    NSEnumerator *enumerator = [symbolNames reverseObjectEnumerator];
    NSMutableArray *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count];
    
    NSString *name;
    while (name = [enumerator nextObject]) {
        if (![funcs containsObject:name]) {
            [funcs addObject:name];
        }
    }
    //去除本身这个函数
    [funcs removeObject:[NSString stringWithFormat:@"_%s",__func__]];
    
    
    //写入order_file
    //组装成字符串
    NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
    //文件路劲
    NSString *filePath = [NSString stringWithFormat:@"%@%@",NSTemporaryDirectory(),@"example.order"];
    //文件内容
    NSData *fileData = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    //写入
    BOOL isSuccess = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileData attributes:nil];
    if (isSuccess) {
        NSLog(@"order_file 写入成功");
    }else{
        NSLog(@"order_file 写入失败");
    }
}

Swift

需要在Other Swift Flags配置一下参数

iOS底层-30：启动优化