启动优化--二进制重排
启动优化
- 启动时间:从用户点击app图标开始到 AppDelegate 的didFinishLaunching
- 冷启动: 内存中不包含app相关数据的启动，一般我们可以通过重启手机来实现冷启动
- 热启动: 是指杀掉app进程后，数据仍然存在时的启动
- 启动优化 -> T1 + T2 需要启动优化的部分
- T1: pre-main阶段, 即main函数之前, 操作系统加载APP可执行文件到内存,执行一系列加载&链接等工作 -> dyld加载过程.
- main函数之后, 即从main函数开始, 到Appdelegate到didFinishLaunching方法执行完成为止, 主要是构建第一个界面,并完成渲染.
main函数之前的部分
Edit Scheme -> Run -> Arguments -> Environment Variables -> 添加'DYLD_PRINT_STATISTICS'设为1
image.png
pre-main字段说明
- dylib loading time（动态库耗时）
- rebase/binding time（偏移修正/符号绑定耗时）
- rebase（偏移修正）:任何一个app生成的二进制文件，在二进制文件内部所有的方法、函数调用，都有一个地址，这个地址是在当前二进制文件中的偏移地址。一旦在运行时刻（即运行到内存中），每次系统都会随机分配一个ASLR（Address Space Layout Randomization，地址空间布局随机化）地址值（是一个安全机制，会分配一个随机的数值，插入在二进制文件的开头），例如，二进制文件中有一个 test方法，偏移值是0x0001，而随机分配的ASLR是0x1f00，如果想访问test方法，其内存地址（即真实地址）变为 ASLR+偏移值 = 运行时确定的内存地址（即0x1f00+0x0001 = 0x1f01）
- binding（绑定）：，例如NSLog方法，在编译时期生成的mach-o文件中，会创建一个符号！NSLog（目前指向一个随机的地址），然后在运行时（从磁盘加载到内存中，是一个镜像文件），会将真正的地址给符号（即在内存中将地址与符号进行绑定，是dyld做的，也称为动态库符号绑定），一句话概括：绑定就是给符号赋值的过程
- ObjC setup time (OC类注册的耗时）：OC类越多，越耗时
- initializer time（执行load和构造函数的耗时）
优化建议:
- 尽量少用外部动态库，苹果官方建议自定义的动态库最好不要超过6个，如果超过6个，需要合并动态库
- OC类越多越耗时
- 将不必须在+load方法中做的事情延迟到+initialize中，尽量不要用C++虚函数
- 如果是swift，尽量使用struct
main函数阶段的优化
didFinishLaunching方法中，主要是执行了各种业务，有很多并不是必须在这里立即执行的，这种业务我们可以采取延迟加载，防止影响启动时间。
didFinishLaunching中业务主要类型
- 【第一类】初始化第三方sdk
- 【第二类】app运行环境配置
- 【第三类】自己工具类的初始化等
main函数阶段的优化建议:
-
减少启动初始化的流程，能懒加载的懒加载，能延迟的延迟，能放后台初始化的放后台，尽量不要占用主线程的启动时间 - 优化代码逻辑，
去除非必须的代码逻辑，减少每个流程的消耗时间 - 启动阶段能使用
多线程来初始化的，就使用多线程 - 尽量使用纯代码来进行UI框架的搭建，尤其是主UI框架，例如UITabBarController。尽量避免使用Xib或者SB，相比纯代码而言，这种更耗时
- 删除废弃类、方法
二进制重排原理
原理:
当进程访问一个虚拟内存page，而对应的物理内存不存在时，会触发缺页中断（Page Fault），因此阻塞进程。此时就需要先加载数据到物理内存，然后再继续访问。这个对性能是有一定影响的。
基于Page Fault，我们思考，App在冷启动过程中，会有大量的类、分类、三方等需要加载和执行，此时的产生的Page Fault所带来的的耗时是很大的。
查看当前项目的缺页终端
- cmd + i 性能分析, 需要让子弹飞一会儿
- 选择System Trace
- 如下图配置查看缺页中断次数
image.png
从上面的Page Fault的次数以及加载顺序，可以发现其实导致Page Fault次数过多的根本原因是启动时刻需要调用的方法，处于不同的Page导致的。因此，我们的优化思路就是：将所有启动时刻需要调用的方法，排列在一起，即放在一个页中，这样就从多个Page Fault变成了一个Page Fault。这就是二进制重排的核心原理
查看文件执行顺序
-
Build Setting -> Write Link Map File设置为YES, 如下图配置
image.png CMD+B编译demo，然后在对应的路径下查找 link map文件，如下所示，可以发现 类中函数的加载顺序是从上到下的，而文件的顺序是根据Build Phases -> Compile Sources中的顺序加载的
-
Link Map是iOS编译过程的中间产物，记录了二进制文件的布局，需要在Xcode的Build Settings里开启Write Link Map File
- Object Files 生成二进制用到的link单元的路径和文件编号
- Sections 记录Mach-O每个Segment/section的地址范围
- Symbols 按顺序记录每个符号的地址范围
ld
ld是Xcode使用的链接器，有一个参数order_file，我们可以通过在Build Settings -> Order File配置一个后缀为order的文件路径。在这个order文件中，将所需要的符号按照顺序写在里面，在项目编译时，会按照这个文件的顺序进行加载，以此来达到我们的优化 -> 二进制重排的本质就是对启动加载的符号进行重新排列.
获取启动运行的函数呢
- hook objc_msgSend：我们知道，函数的本质是发送消息，在底层都会来到objc_msgSend，但是由于objc_msgSend的参数是可变的，需要通过汇编获取，对开发人员要求较高。而且也只能拿到OC 和 swift中@objc 后的方法
- 静态扫描：扫描 Mach-O 特定段和节里面所存储的符号以及函数数据
- Clang插桩：即批量hook，可以实现100%符号覆盖，即完全获取swift、OC、C、block函
Clang 插桩
llvm内置了一个简单的代码覆盖率检测（SanitizerCoverage）。它在函数级、基本块级和边缘级插入对用户定义函数的调用。我们这里的批量hook，就需要借助于SanitizerCoverage。
SanitizerCoverage官方文档
- 使用AppOrderFiles
- 在 Build Settings 里的 “Other C Flags” 中添加
-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard- 如果是Swift项目，还需要额外在 “Other Swift Flags” 中加入
-sanitize-coverage=func 和 -sanitize=undefined
- 如果是Swift项目，还需要额外在 “Other Swift Flags” 中加入
//当然通过pod导入的, 可以在podfile配置也可以
post_install do |installer|
installer.pods_project.targets.each do |target|
target.build_configurations.each do |config|
config.build_settings['OTHER_CFLAGS'] = '-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard'
config.build_settings['OTHER_SWIFT_FLAGS'] = '-sanitize-coverage=func -sanitize=undefined'
end
end
end
源码解析
//原子队列，其目的是保证写入安全，线程安全
static OSQueueHead queue = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定义符号结构体，以链表的形式
typedef struct {
void *pc;
void *next;
}CJLNode;
/*
- start：起始位置
- stop：并不是最后一个符号的地址，而是整个符号表的最后一个地址，最后一个符号的地址=stop-4（因为是从高地址往低地址读取的，且stop是一个无符号int类型，占4个字节）。stop存储的值是符号的
*/
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
uint32_t *stop) {
static uint64_t N;
if (start == stop || *start) return;
printf("INIT: %p - %p\n", start, stop);
for (uint32_t *x = start; x < stop; x++) {
*x = ++N;
}
}
/*
可以全面hook方法、函数、以及block调用，用于捕捉符号，是在多线程进行的，这个方法中只存储pc，以链表的形式
- guard 是一个哨兵，告诉我们是第几个被调用的
*/
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
// if (!*guard) return;//将load方法过滤掉了，所以需要注释掉
//获取PC
/*
- PC 当前函数返回上一个调用的地址
- 0 当前这个函数地址，即当前函数的返回地址
- 1 当前函数调用者的地址，即上一个函数的返回地址
*/
void *PC = __builtin_return_address(0);
//创建node，并赋值
CJLNode *node = malloc(sizeof(CJLNode));
*node = (CJLNode){PC, NULL};
//加入队列
//符号的访问不是通过下标访问，是通过链表的next指针，所以需要借用offsetof（结构体类型，下一个的地址即next）
OSAtomicEnqueue(&queue, node, offsetof(CJLNode, next));
}
获取所有符号并写入文件
注意:只要是汇编中的跳转都会被hook, 既有b,bl的指令都会被hook
extern void getOrderFile(void(^completion)(NSString *orderFilePath)){
collectFinished = YES;
__sync_synchronize();
NSString *functionExclude = [NSString stringWithFormat:@"_%s", __FUNCTION__];
dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(0.01 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
//创建符号数组
NSMutableArray<NSString *> *symbolNames = [NSMutableArray array];
//while循环取符号
while (YES) {
//出队
CJLNode *node = OSAtomicDequeue(&queue, offsetof(CJLNode, next));
if (node == NULL) break;
//取出PC,存入info
Dl_info info;
dladdr(node->pc, &info);
// printf("%s \n", info.dli_sname);
if (info.dli_sname) {
//判断是不是OC方法，如果不是，需要加下划线存储，反之，则直接存储
NSString *name = @(info.dli_sname);
BOOL isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
NSString *symbolName = isObjc ? name : [@"_" stringByAppendingString:name];
[symbolNames addObject:symbolName];
}
}
if (symbolNames.count == 0) {
if (completion) {
completion(nil);
}
return;
}
//取反（队列的存储是反序的）
NSEnumerator *emt = [symbolNames reverseObjectEnumerator];
//去重
NSMutableArray<NSString *> *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count];
NSString *name;
while (name = [emt nextObject]) {
if (![funcs containsObject:name]) {
[funcs addObject:name];
}
}
//去掉自己
[funcs removeObject:functionExclude];
//将数组变成字符串
NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
NSLog(@"Order:\n%@", funcStr);
//字符串写入文件
NSString *filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"cjl.order"];
NSData *fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
BOOL success = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
if (completion) {
completion(success ? filePath : nil);
}
});
}
配置order文件
通过上面的方法生成order文件后, 配置 -> Build Setting -> Order File -> ./xxx.order
