iOS底层 - 启动优化（上）

这是我参与8月更文挑战的第31天，活动详情查看：8月更文挑战

写在前面： iOS底层原理探究是本人在平时的开发和学习中不断积累的一段进阶之
路的。 记录我的不断探索之旅，希望能有帮助到各位读者朋友。

目录如下：

以上内容的总结专栏

iOS 底层原理探索之阶段总结

细枝末节整理

iOS开发细节整理总结

前言

开发完成一个APP之后，也上架了。那么用户在实际使用中对于你开发的APP的感受是如何的呢？首相，APP响应很迅速、启动很快、几乎没有需要用户等待的操作这基本可以说是一个比较完美的APP。那么，对于APP响应以及操作是否需要用户等待，这对于我们开发者来说是比较好控制的，然而，对于APP的启动，如何去优化，让我们的APP启动更快一点，今天我们开始逐步探讨一下。

启动概念

启动有两种定义：

广义：点击图标到首页数据加载完毕
狭义：点击图标到 Launch Image 完全消失第一帧

今天我们要重点关注的是以 mian 函数为分界，其之前我们称为 pre-main 阶段；之后，我们称为 main 函数之后。为什么我们这么划分呢？因为 Xcode 给我们提供了一个很好的监测工具，它可以监测到 main 函数之前到耗时时间。 iOS 的项目最早执行我们代码的地方是 load 方法，在 load 方法之前系统加载和链接绑定等操作会有很多影响我们的启动时间，但是我们很难去监测。

那么，这个工具就可以将 dyld 所耗时间，都反馈给我们。如何使用这个监测工具呢？见下图（配置一个环境变量）：

配置之后，连接真机，运行一下项目，这里以我的一个项目为例，会有如下日志内容：

dylib loading time：动态库载入耗时；
rebase/binding time：重定位、重绑定；
ObjC setup time：OC类注册(OC是一个动态语言，读取二进制的data内容，找到OC的相关的信息，注册OC类；OC的runtime需要维护一张映射表（sel 和 imp 的映射，类与类名的全局表，加载mach-O的时候，所有的类都需要加载到全局表中）)；
initializer time：执行load、构造函数耗时；

rebase/binding time

编译时链接（macho-O 告诉 dyld 我需要用到外面的一个库（可能需要Fundation库的api 就留好位置等运行的时候绑定））
运行时绑定

虚拟内存

物理地址时代

早期的mach-O都是物理内存，也就是应用加载到内存之后的真实内存地址。

这样会存在问题：

1、内存很容易就不够用了；
2、安全问题。

懒加载方式

系统工程师在优化的时候因为应用加载的时候，并不是一开始就需要全部的功能，所以将应用按需加载到内存中去，用户需要哪里再加载哪里？这样可以解决内存不够用的问题。但是又会造成应用在内存中地址的不连续的问题（会造成运行过程中的计算，因为应用的内存不是连续的所以需要计算，对于程序开发很是不方便）。

再一次，系统工程师们，就通过一个映射表来解决上面提到的问题（硬件上增加了 MMU 内存管理单元 - 翻译地址）。我们的应用只去找映射表的虚拟内存表（地址都是连续的），通过 MMU 翻译为物理内存地址，来优化系统。

为了提升翻译的效率，将内存通过分页（PAGE）来管理（在iOS系统中是 16K ， Mac 中是 4K）。

物理内存的地址通过操作系统来管理，应用只能操作虚拟内存地址；这样，内存不够用的问题就解决了，安全问题也得到了解决。因为，应用只能访问到它的虚拟内存表，物理内存被很好的隔离开来。而且，进程和进程之间也做到了安全隔离。

这个时候虚拟内存其实也是不安全的，因为每次加载引用程序虚拟内存都是从0开始的，我们计算好某个文件的偏移地址，每次都可以通过内存地址来访问。后来，操作系统通过 ASLR 来使每次生成的虚拟内存其实位置从一个随机值开始。( ASLR + offset（文件偏移） = rebase )

虚拟内存 - 物理内存.001.jpeg

当用户在使用中，使用到了进程1 的P2功能的时候，因为 P2 并没有加载在内存中，操作系统会报缺页异常（缺页中断），将用户操作中断，接着，系统会将 P2 加载到内存中去。加载到哪一个内存中去，这是系统通过算法（页面置换），来覆盖掉不那么活跃的部分。

二进制重排

启动具有局部特征性，即只有少部分函数在启动的时候用到，这些函数在二进制中的分布是零散的，所以页面置换读入的数据利用率并不高。如果我们可以把启动用到的函数排列到二进制的连续区间，那么就可以减少页面置换的次数，从而优化启动时间。

以下图为例，方法 1 和方法 3 是启动的时候用到的，为了执行对应的代码，就需要两次 Page In。假如我们把方法 1 和 3 排列到一起，那么只需要一次 Page In，从而提升启动速度。

链接器 ld 有个参数-order_file 支持按照符号的方式排列二进制。

下一篇，我们就讲一下具体的二进制重拍如何去做。