#### iOS冷启动优化 - 二进制重排 & Clang插桩 # 1.冷启动 ## 1.1 什么是冷启动？ **冷启动**是指内存中不包含该应用程序相关的数据，必须要**从磁盘载入到内存**中的启动过程。注意：**重新打开 APP，不一定就是冷启动。** 1. 当内存不足，APP被系统自动杀死后，再启动就是冷启动。 1. 如果在重新打开 APP 之前，APP 的相关数据**还存储在内存**中，这时再打开 APP，就是**热启动** 3. 冷启动与热启动是由**系统决定**的，我们无法决定。 3. 当然**设备重启**以后，第一次打开 APP 的过程，**一定是冷启动**。 ## 1.2 如何统计冷启动耗时？一般来讲，统计 APP 启动时长，以 **main 函数为节点** ,分两个大阶段： - main 函数之后的代码，是我们自己写的，我们可以**自行统计进入 main 函数到第一个界面显示的耗时**。 - - 在 **main 函数里打印**一下当前的时间， - 在第一个要显示的控制器的 **viewDidLoad 方法中打印**一下当前时间 - - 两个时间的差值，即为**main函数后的加载时长**。 - main 函数之前，为 **pre-main** 阶段，由于是系统在做事情，这段时间**的耗时**，我们没办法直接统计，**需要查看系统给我们的反馈**。 ### 1.2.1 pre-main阶段都做了什么？接下来看一下项目中的 **pre-main** 阶段的耗时。 - **查看系统给的反馈需要** **增加一个环境变量**， - 增加路径：在 Xcode -> Edit Scheme -> Run -> Arguments -> Environment Variables 中， - **增加一个环境变量** **DYLD_PRINT_STATISTICS:1。** **下图是我项目的加载耗时：** ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/1aaea2bd323d472ba15ffa91a261bb0d~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) **耗时过程分为以下4部分：** 1. **dylib loading time** : 是指**动态库加载**的耗时，**系统的动态库做过优化，耗时较少。** 苹果官方推荐最多**不要超过6个**外部动态库，多余6个，需要考虑合并动态库，**合并动态库对于启动时期的优化，非常有效。** 像微信的动态库早期有八九个，现在也优化成6个了。 1. **rebase/binding** - **rebase**：是指**地址的** **偏移修正**耗时。 - - **在编译**生成二进制文件的时候，每个**函数都有一个地址**，这个地址**是相对于二进制文件的偏移地址**。 - **在启动时**，也就是在二进制文件在加载到虚拟内存的时候，为了安全起见，苹果有个安全机制（**ASLR**），**会在整个二进制文件的最前面**，**随机加一个偏移值**。 - - 比如 A 函数，相对于二进制文件的偏移值是 0x003。启动时，整个二进制文件被分配了一个随机值0x100。那么 **A 函数在内存中的实际地址是** **0x003 +** **0x100 =** **0x103。** - 偏移修正指的就是**计算方法在虚拟内存中的地址**的过程！ - **binding: 动态库的方法绑定，是指将方法名字与方法的实现进行绑定过程的耗时。** - - 比如 NSLog 方法，在加载的时候需要先找到Foundation库，再找到库里的NSLog的方法的实现，将**方法名字和方法实现绑定在一起。** 3. **Objc setup time:** **注册所有** **OC类** **耗时，** **类越多耗时越多**，有人统计过2万个自定义的OC的类，大概耗时800毫秒。**删除不用的类，可以减少耗时。** 3. **initializer time**: **load方法和 C++构造函数**的耗时. **减少重写load方法**，尽量将事情延迟到 main 方法以后，可以减少耗时。 5. **slowest intializers : 指出了最耗时的几个库是下面的6个库（最后一个是我的项目）。** **** ### 1.2.2 pre-main阶段耗时优化方法总结： - **减少外部动态库的数量** - **不用的类和方法，删除** - **类尽量使用懒加载，也就是尽量不要重写load方法。** - **启动时加载的数据使用多线程** - **使用纯代码。不用xib storyboard(要额外进行代码解析转换和页面的渲染)** **** 以上方法，都是和自己的项目代码息息相关的优化方案。**不同项目具体是实施动作不一样。** 还有一个优化方法，不管是什么项目，实施动作都一样 **，对什么项目都有效，那就是二进制重排！** **** **** # 2. 二进制重排学习二进制重排，首先要知道**数据是如何加载到内存中的** **。** ## ☞[数据是如何加载到内存中的](https://www.yuque.com/xuxiaoshan/lvrca9/fphawa) **我们已经知道** **数据加载到内存的过程，当虚拟内存页还没有对应的物理内存页时，会出现** **缺页异常（PageFault）。当冷启动时，物理内存中是没有数据的，这时会出现大量的缺页异常，这时的耗时会比较多。这里有没有** **优化空间呢？接下来就是优化方案：二进制重排！** 在了解二进制重排之前，再了解下**在项目编译生成二进制文件的时候，类及其内部方法实现的排列顺序是什么样的呢？** ## 2.2.1 二进制文件中方法实现排序是什么样的？ 1. 在 viewController 中，先随便写几个方法。 ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/e53d46cca1ed4a20b8c9872e0b08ca25~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 2. 再看下源文件的编译顺序 ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/5e1db004d2634f059eae8c148c08432d~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) **接下来查看 Link Map文件查看符号顺序，** **查看方式：** 1. **打开link map** ****![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/ec288d5e086e4ae6a53388f638c477f9~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 2. 编译生成link map 文件 2. 找到link map 文件 - 项目目录中，生成的 app 右键，show in Finder ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/bac9867576284598b29203108cfff9d1~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) - 找到 app 的上上级目录 ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/3e2a6bebf2b644529f58986dd7d30986~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) - 进入Intermediates.noindex -> TraceDemo.build -> Debug-iphonesimulator -> TraceDemo.build -> TraceDemo-LinkMap-normal-x86_64.txt 4. 打开link map 文件，找到自己的类及方法的名字 ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/d2e1747021654f2c9ded9c540193cedc~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 5.**我们可以直观的看出link map中符号的顺序，类是以源文件的编译顺序，从上到下按序排列。方法名是以类中方法的书写顺序，由上到下排序。** **** **** ## 2.2.2 为什么需要二进制重排？从源码的执行顺序上看，应该是 load -> test2 -> viewDidLoad -> test1. 但是二进制文件中**符号的顺序**是方法从**上到下的书写顺序**，**没有按照调用顺序去排列。** 在冷启动分页**加载二进制文件**时，发现**很多页中都有启动时需要用到的方法**，那么即使页里面也存在启动时不需要的方法，但是由于内存是分页管理的，要加载就要**整页加载**。这样就导致了**大量不需要在 pre-main 阶段执行的方法，也会被加载到内存中，增加了启动的耗时。** 例如，启动需要加载100个页，每个页可以包含20个方法。但是每个页里只有2个方法是启动时后用到的。这样实际上启动时必须要的方法是2 * 100 = 200个，如果将这200个方法紧挨着放在一起，那么只需要2页。比100个页，减少了98页。这样耗时就会大大降低。 ## 2.2.3 如何进行二进制重排？ ### 1. 二进制重排的方法 **在项目编译生成二进制文件的时候，找到启动时需要的方法，并且将它们放在一起** **重新排序，这就是二进制重排。** **两个关键点：找到启动时需要方法 & 方法** **的重排序** **** ### 2.方法的重排序：重排序其实很简单。**xcode已经为我们提供了这个机制**，它使用的链接器叫做 ld, ld有一个参数叫做Order File, 我们可以通过**配置order文件**，来使编译时生成的二进制的文件的Link Map种的符号顺序，按照我们指定的顺序排列生成。而且 **libobjc 实际上也做了二进制重排** **。** ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/e4a539f3b5cb4518abec163dc76ae545~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 【第一步】在项目根目录下**建一个xxx.order**的文件，里面写上按照自己想排列的顺序，写上方法或者函数的名字。（如果写了一个不存在的符号，也不会报错，会被自动过滤掉~） ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/1cba1ce4ee3e474d860c12576bf24858~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 【第二步】在 Build Settings **搜索order file** 的文件。将项目根目录创建的文件，设置上去。 ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/2053be0d0d0e4264b2e5f1fce9fe46fd~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 【第三步】**重新编译，查看 Link Map 文件**的顺序，果然，按照我们指定的顺序排列啦！ ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/87b8bf902e8a43728462ed91cb800785~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) ### 3. 静态插桩 - 找到冷启动时的所有方法接下来，需要做的就是**写入 order 文件里的符号**了，我们不可能手写上所有的启动时需要的执行的符号，这里的所有符号包括，**调用的方法、函数、C++构造方法、swift方法、block。** **这里使用** LLVM 内置的简单**代码覆盖率检测工具**（[SanitizerCoverage](https://clang.llvm.org/docs/SanitizerCoverage.html#tracing-pcs)）。它在**边缘、** **函数、基本块** **级别**上插入对用户定义函数的调用。 - `edge` （默认）：**检测边缘**（所有的指令跳转都会被插入对用户定义函数的调用, 如**循环、分支判断、方法函数**等）。 - `bb`：**检测基本块。** - `func`：仅将检测**每个** **功能的输入块**(这个就是我们要重排序的符号)。按照文档， - 【第1步】搜索并设置 **Other C Flags/** **Other C++ Flags** 为 ******-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard** （**这里要用func, 不能用默认的edge, 不然会造成死循环**）。 - 如果有swift ，需要设置 **Other Swift Flags** 设置为 ******-sanitize-coverage=func -sanitize=undefined** ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/aafaade708434420996e2b335c5f8811~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/90492598369f4428b50a3efab1a6d224~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) - 【第2步】编译器将插入对**模块构造函数**的调用，所以我们要实现这个方法： ``` __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop); ``` **通过打印start, stop 地址的内容，从 start 地址开始，到 stop 地址的前4位，存储的是** uint32 的 **1-19的数字。** ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/aa8cf25fb407496db1c2876671942856~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) **我们可以从这个函数中知道, 当前项目中自定义的功能输入块的数量。** - 【第3步】**编译器会在生成二进制文件的时候，在每个func调用之初，插入以下代码**： ``` __sanitizer_cov_trace_pc_guard(&guard_variable) ``` **也就是说，每个方法在执行的时候，都会调用上面这个方法。** 接下来： - - 1. 我们要实现这个方法，并在这个方法里，**获取到本方法结束后要返回的地址** ``` // 获取到本方法结束后，要返回的地址去，这个地址包含在被hook的方法内部，但不是被hook 的方法的首地址 void *PC = __builtin_return_address(0); ``` ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/0ead7f964e83471aabca9cc13da1746e~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) - - 2. 并将地址保存一个**系统的原子队列**（ ( 底层实际上是个栈结构 , 利用队列结构 + 原子性来保证顺序 )）中，使用原子队列，是为了**防止多线程资源抢夺**。原子队列的存值方法如下: ``` // 将结构体存入到原子队列中。 // offsetof(type,member) 返回结构体中成员的偏移值，由于指针PC是8字节，所以这里返回8字节。 // 详见下图 OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SYNode, next)); ``` ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/08dd3514ee084a2b8ef919aa5dc235ef~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 每个 SYNode 首地址都距离上一个偏移 PC 所占的字节数。这样做的妙处就是，每个 SYNode 的 **next 的地址，恰巧就是下一个结构体的地址**。这样方便获取队列里面的所有数据。 - 【第4步】我们在点击屏幕的事件中 - - 把存储到原子队列中的地址遍历出来， - 根据地址获取当前地址所在的方法的名称并存入数组中， ``` typedef struct dl_info { const char *dli_fname; /* 所在文件 */ void *dli_fbase; /* 文件地址 */ const char *dli_sname; /* 符号名称 */ void *dli_saddr; /* 函数起始地址 */ } Dl_info; //这个函数能通过函数内部地址找到函数符号 int dladdr(const void *, Dl_info *); ``` - - 由于原子队列是栈结构，先进后出，所以我们需要将数组倒序排列 - 由于方法可能会被多次调用，我们需要去重 - - 再将最后我们当前点击屏幕的方法删除掉 - 将方法名字的数组，转成字符串，写到沙盒文件中完整代码如下： ``` // // ViewController.m // TraceDemo // // Created by hank on 2020/3/16. // Copyright © 2020 hank. All rights reserved. // #import "ViewController.h" #import #import #import "TraceDemo-Swift.h" @interface ViewController () @end @implementation ViewController +(void)initialize { } void(^block1)(void) = ^(void) { }; void test(){ block1(); } +(void)load { } - (void)viewDidLoad { [super viewDidLoad]; [SwiftTest swiftTestLoad]; test(); } -(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event { NSMutableArray * 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); BOOL isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["]; NSString * symbolName = isObjc ? name: [@"_" stringByAppendingString:name]; [symbolNames addObject:symbolName]; } //取反 NSEnumerator * emt = [symbolNames reverseObjectEnumerator]; //去重 NSMutableArray *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count]; NSString * name; while (name = [emt nextObject]) { if (![funcs containsObject:name]) { [funcs addObject:name]; } } //移除本方法 [funcs removeObject:[NSString stringWithFormat:@"%s",__FUNCTION__]]; //将数组变成字符串 NSString * funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"]; NSString * filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"demo.order"]; NSData * fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding]; [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil]; NSLog(@"%@",funcStr); } 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. } //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(uint32_t *guard) { // 会导致load 方法被return // if (!*guard) return; // 获取到本方法结束后，要返回的地址去，这个地址包含在被hook的方法内部，但不是被hook 的方法的首地址 void *PC = __builtin_return_address(0); SYNode *node = malloc(sizeof(SYNode)); *node = (SYNode){PC,NULL}; //进入 OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SYNode, next)); } @end ``` ## 2.2.4 如何验证二进制重排的效果？ #### 1.查看缺页异常数量Page Fualt： 1. 查看一下项目的**缺页异常数量**。注意需要卸载 APP 或者重启手机，来保证这个APP完全没有被加载到内存中，因为如果物理内存中有该APP的数据， 1. 打开 Instrument -> **System Trace** **** ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/b6088adb1f1b47628179107068ad4fd9~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 3.**选择真机、项目、点击启动，当第一个页面显示出来后，点击停止。** 4.搜索**main thread**, 选择**Virtual Memory**，**File Backed Page in** 就是缺页异常的数量 ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/4ef9edfd44124af8b4d8fb52d9101076~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) **优化前：项目的缺页遗产数量是427** **** 优化后： ![](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/186ce6cc560740908d28fb54fa2051ab~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) **优化前：项目的缺页遗产数量是286** **** 至此，本文结束~ **减少了启动时大概40%的缺页异常~** ****