二进制重排原理
在虚拟内存部分，我们知道，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。以WeChat为例，我们来看下，在启动阶段的Page Fault的次数
-
CMD+i快捷键，选择System Trace
image.png -
点击启动（启动前需要重启手机，清除缓存数据），第一个界面出来后，停掉，按照下图中操作:
image.jpg
从图中可以看出WeChat发生的PageFault有2800+次，可想而知，这个是非常影响性能的。
- 然后我们再通过Demo查看方法在编译时期的排列顺序，在ViewController中按下列顺序定义以下几个方法
@implementation ViewController
void test1(){
printf("1");
}
void test2(){
printf("2");
}
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
test1();
}
+(void)load{
printf("3");
test2();
}
@end
-
在Build Setting -> Write Link Map File设置为YES
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
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，如下所示:
注意：在iOS生产环境的app，在发生Page Fault进行重新加载时，iOS系统还会对其做一次签名验证，因此 iOS 生产环境的 Page Fault 比Debug环境下所产生的耗时更多。
二进制重排实践
下面，我们来进行具体的实践，首先理解几个名词
Link Map
Linkmap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,Link Map主要包含三部分：
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
Id
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
所以二进制重排的本质就是对启动加载的符号进行重新排列。
到目前为止，原理我们基本弄清楚了，如果项目比较小，完全可以自定义一个order文件，将方法的顺序手动添加，但是如果项目较大，涉及的方法特别多，此时我们如何获取启动运行的函数呢？有以下几种思路
1、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
2、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
3、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函数
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。
关于 clang 的插桩覆盖的官方文档如下 : clang 自带代码覆盖工具 文档中有详细概述，以及简短Demo演示。
第一步：配置开启 SanitizerCoverage
OC项目，需要在：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
所有链接到 App 中的二进制都需要开启 SanitizerCoverage，这样才能完全覆盖到所有调用。
也可以通过podfile来配置参数
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
第二步：重写方法新建一个OC文件CJLOrderFile，重写两个方法
__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init方法
参数1 start 是一个指针，指向无符号int类型，4个字节，相当于一个数组的起始位置，即符号的起始位置（是从高位往低位读
-
参数2 stop，由于数据的地址是往下读的（即从高往低读，所以此时获取的地址并不是stop真正的地址，而是标记的最后的地址，读取stop时，由于stop占4个字节，stop真实地址 = stop打印的地址-0x4）
image.jpg
stop内存地址中存储的值表示什么？在增加一个方法/块/c++/属性的方法（多3个），发现其值也会增加对应的数，例如增加一个test1方法
__sanitizer_cov_trace_pc_guard方法 ，主要是捕获所有的启动时刻的符号，将所有符号入队
参数guard是一个哨兵，告诉我们是第几个被调用的
符号的存储需要借助于链表，所以需要定义链表节点CJLNode，
通过OSQueueHead创建原子队列，其目的是保证读写安全
通过OSAtomicEnqueue方法将node入队，通过链表的next指针可以访问下一个符号
//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));
}
- 【第三步：获取所有符号并写入文件】
-while循环从队列中取出符号，处理非OC方法的前缀，存到数组中 - 数组取反，因为入队存储的顺序是反序的
- 数组去重，并移除本身方法的符号
- 将数组中的符号转成字符串并写入到cjl.order文件中
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);
}
});
}
- 【第四步：在didFinishLaunchingWithOptions方法最后调用】需要注意的是，这里的调用位置是由你决定的，一般来说，是第一个渲染的界面
- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
[self test11];
getOrderFile(^(NSString *orderFilePath) {
NSLog(@"OrderFilePath:%@", orderFilePath);
});
return YES;
}
- (void)test11{
}
此时的cjl.order中只有这三个方法
- 【第五步：拷贝文件，放入指定位置，并配置路径】一般将该文件放入主项目路径下，并在Build Settings -> Order File中配置./cjl.order，下面是配置前后的对比（上边是配置前的熟悉怒，下边是配置后符号顺序的）
注意点：避免死循环
- Build Settings -> Other C Flags的如果配置的是-fsanitize-coverage=trace-pc-guard，在while循环部分会出现死循环（我们在touchBegin方法中调试）
- 我们打开汇编调试，发现有3个__sanitizer_cov_trace_pc_guard的调用
- 第一次是bl 是 touchBegin
- 第三次 bl 是 printf
- 第二次 bl 是因为while 循环。 即 只要是跳转，就会被hook，即有 bl、b的指令，就会被hook
解决方式：将BuildSetting中的other C Flags的-fsanitize-coverage=trace-pc-guard ，改成-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard
