iOS独立开发的二进制重排实践｜新瓶装旧酒

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前言

近两年二进制重排在启动优化上还是经常被提到的，虽然听着很厉害的样子，但其实是个老概念了。

继上一次「iOS官方瘦身方案ODR（二）：换肤系统改造｜践行 On-Demand Resources」后，再次拿自己个人项目小白鼠「梦见账本」来实践一下。

一、为什么要二进制重排呢？

1.1 虚拟内存和分页

我们知道，现代操作系统一般都采用虚拟内存管理机制，用分段（segment）和分页（page）管理虚拟内存。

分段即是区分数据段、代码段、堆内存、栈内存等，不同的段数据的读写权限不一样。以 iOS 为例，代码段（_TEXT）是可读可执行但不能写的。

分页则是为了方便高效的进行内存管理。由于采用了虚拟内存管理机制，就要建立虚拟内存到物理内存的映射表，称为页表。如果在设计上将每一个字节的虚拟内存和物理内存一一对应，这样粒度足够细，虽然不会产生内存浪费（内存碎片），但需要维护巨大的页表；但如果一页数据过大，比如5M，那么存储1个字节就要分配一个5M的页面，是非常大的浪费。内存页过大或过小都有弊端，目前大多数系统的页大小都设置在了4096字节，通过页号和页内偏移进行寻址。可以使用pagesize命令查看当前系统的页大小。

1.2 Page Fault

使用虚拟内存的目的之一是解决物理内存资源紧张的问题。dyld 在加载二进制时，会使用 mmap 将 Mach-O 文件映射到虚拟内存地址空间中，此时并不会占用过多的物理内存。当读取一个虚拟内存地址时，如果该地址在物理内存中并不存在，会触发一次缺页中断（Page Fault），这个时候才将文件内容读取至物理内存中。

缺页中断发生时会执行下面的操作：

分配内存

由内存管理单元找到空闲内存并分配。

IO操作

从磁盘中读文件并写入内存中。

解密验签

如果是从 AppStore 上下载的 APP，iOS 系统还有对每一页（仅针对 _TEXT 段的数据，_DATA 段数据不需要）进行解密和签名验证。

以上操作在每一次 Page Fault 时都会发生，如果在启动 APP 时，存在大量的 Page Fault 情况，势必影响启动速度。

二、什么是二进制重排

频繁的发生 Page Fault 会影响启动速度，那么，是否可以干预 Mach-O 的 _TEXT 段函数的映射顺序，将 APP 启动时需要用到的方法集中在一页或几页呢？答案是肯定的，二进制重排的原理就是字面上的理解，通过减少 Page Fault 发生次数，减少启动耗时。

理论上 Page Fault 确实会影响启动速度，但影响的大小要区分看待。一般来说，是要在常规的优化手段都做完之后，再考虑进行二进制重排。且对于小型APP来说，如果本身启动时执行的方法并不算多，那么二进制重排的意义就不是很大。

对于 iOS 13 系统来说，由于启用了 dyld3，Page Fault发生时已经不需要执行解密验签（提前生成了 lauch closure 文件），对性能的影响就更小了。

三、 System Trace 查看耗时

建议重装应用

选中指定的设备，选中安装的 App 点击 [*] 按钮，应用第一个页面（非启动页）显示后停止。
找到自己的项目
选中 Main Thread
选中 Virtual Memory

File Backed Page In 次数就是 Page Fault 的次数。「梦见账本」耗时 341ms。

点击这里的小箭头，可以看到调用堆栈

当然，我们不可能人工的来整理这些。那么有什么办法可以获取到所有调用呢？

四、获取启动时调用的所有方法

现有方案对比

hook objc_msgSend
- 只能捕获基于 objc 的方法调用
静态扫描 MachO 文件里的符号和函数数据 + 解析 Trace 文件
- 容易获取 +load、C++构造函数
- initialize hook不到
- 部分block hook不到
- C++通过寄存器的间接函数调用静态扫描不出来
编译器插桩 Clang
- 可以拿到 OC、 Swift、 C、 block 全部调用

五、 Clang 插桩

5.1 基于 Clang SanitizerCoverage 的方案

SanitizerCoverage 是 Clang 内置的一个代码覆盖工具。它把一系列以 __sanitizer_cov_trace_pc_ 为前缀的函数调用插入到用户定义的函数里，借此实现了全局 AOP。其覆盖了/ Swift/Objective-C/C/C++ 等语言，Method/Function/Block 全支持。

开启 SanitizerCoverage 的方法是：

在 build settings 里的 Other C Flags 中添加 -fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard
如果含有 Swift 代码的话
- 需要在 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
- 例如Pod库，就要在Target里设置

在SanitizerCoverage中可以看到 LLVM 官方对 SanitizerCoverage 的详细介绍，包含了示例代码。

5.2 获取 order 文件

这里直接使用了AppOrderFiles来进行获取。就不贴代码了，源码也不多，有兴趣可以自行查看。

在 AppDelegate 中调用：

// 我是放在 `func application(_ application: UIApplication, didFinishLaunchingWithOptions launchOptions: [UIApplication.LaunchOptionsKey: Any]?) -> Bool` 最后调用的
AppOrderFiles { path in
    if let path = path { print("AppOrderFiles: \(path)") }
}

安装运行一次后，从 Xcode 获取应用的设备的 .xcappdata 文件中按照路径，取到 app.order 文件。