前提，在之前的兩篇文章中，大致介紹了一些基本概念以及啟動優(yōu)化的思路，下面來著重介紹一個pre-main階段的優(yōu)化方案，即二進制重排，這個方案最開始是由于抖音的這篇文章抖音研發(fā)實踐：基于二進制文件重排的解決方案 APP啟動速度提升超15%火起來的。

二進制重排原理

在虛擬內(nèi)存部分，我們知道，當(dāng)進程訪問一個虛擬內(nèi)存page，而對應(yīng)的物理內(nèi)存不存在時，會觸發(fā)缺頁中斷（Page Fault），因此阻塞進程。此時就需要先加載數(shù)據(jù)到物理內(nèi)存，然后再繼續(xù)訪問。這個對性能是有一定影響的。

基于Page Fault，我們思考，App在冷啟動過程中，會有大量的類、分類、三方等需要加載和執(zhí)行，此時的產(chǎn)生的Page Fault所帶來的的耗時是很大的。以WeChat為例，我們來看下，在啟動階段的Page Fault的次數(shù)

• CMD+i快捷鍵，選擇System Trace

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• 點擊啟動（啟動前需要重啟手機，清除緩存數(shù)據(jù)），第一個界面出來后，停掉，按照下圖中操作

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  從圖中可以看出WeChat發(fā)生的PageFault有2800+次，可想而知，這個是非常影響性能的。

• 然后我們再通過Demo查看方法在編譯時期的排列順序，在ViewController中按下列順序定義以下幾個方法

@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設(shè)置為YES

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• CMD+B編譯demo，然后在對應(yīng)的路徑下查找 link map文件，如下所示，可以發(fā)現(xiàn) 類中函數(shù)的加載順序是從上到下的，而文件的順序是根據(jù)Build Phases -> Compile Sources中的順序加載的

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從上面的Page Fault的次數(shù)以及加載順序，可以發(fā)現(xiàn)其實導(dǎo)致Page Fault次數(shù)過多的根本原因是啟動時刻需要調(diào)用的方法，處于不同的Page導(dǎo)致的。因此，我們的優(yōu)化思路就是：將所有啟動時刻需要調(diào)用的方法，排列在一起，即放在一個頁中，這樣就從多個Page Fault變成了一個Page Fault。這就是二進制重排的核心原理，如下所示

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注意：在iOS生產(chǎn)環(huán)境的app，在發(fā)生Page Fault進行重新加載時，iOS系統(tǒng)還會對其做一次簽名驗證，因此 iOS 生產(chǎn)環(huán)境的 Page Fault 比Debug環(huán)境下所產(chǎn)生的耗時更多。

二進制重排實踐

下面，我們來進行具體的實踐，首先理解幾個名詞

Link Map
Linkmap是iOS編譯過程的中間產(chǎn)物，記錄了二進制文件的布局，需要在Xcode的Build Settings里開啟Write Link Map File,Link Map主要包含三部分：

• Object Files 生成二進制用到的link單元的路徑和文件編號

• Sections 記錄Mach-O每個Segment/section的地址范圍

• Symbols 按順序記錄每個符號的地址范圍

ld

ld是Xcode使用的鏈接器，有一個參數(shù)order_file，我們可以通過在Build Settings -> Order File配置一個后綴為order的文件路徑。在這個order文件中，將所需要的符號按照順序?qū)懺诶锩?，在項目編譯時，會按照這個文件的順序進行加載，以此來達(dá)到我們的優(yōu)化

所以二進制重排的本質(zhì)就是對啟動加載的符號進行重新排列。

到目前為止，原理我們基本弄清楚了，如果項目比較小，完全可以自定義一個order文件，將方法的順序手動添加，但是如果項目較大，涉及的方法特別多，此時我們?nèi)绾潍@取啟動運行的函數(shù)呢？有以下幾種思路

• 1、hook objc_msgSend：我們知道，函數(shù)的本質(zhì)是發(fā)送消息，在底層都會來到objc_msgSend，但是由于objc_msgSend的參數(shù)是可變的，需要通過匯編獲取，對開發(fā)人員要求較高。而且也只能拿到OC 和 swift中@objc 后的方法

• 2、靜態(tài)掃描：掃描 Mach-O 特定段和節(jié)里面所存儲的符號以及函數(shù)數(shù)據(jù)

• 3、Clang插樁：即批量hook，可以實現(xiàn)100%符號覆蓋，即完全獲取swift、OC、C、block函數(shù)

Clang 插樁

llvm內(nèi)置了一個簡單的代碼覆蓋率檢測（SanitizerCoverage）。它在函數(shù)級、基本塊級和邊緣級插入對用戶定義函數(shù)的調(diào)用。我們這里的批量hook，就需要借助于SanitizerCoverage。

關(guān)于 clang 的插樁覆蓋的官方文檔如下 : clang 自帶代碼覆蓋工具 文檔中有詳細(xì)概述，以及簡短Demo演示。

• 【第一步：配置】開啟 SanitizerCoverage

  • OC項目，需要在：在 Build Settings 里的 “Other C Flags” 中添加 -fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard

  • 如果是Swift項目，還需要額外在 “Other Swift Flags” 中加入-sanitize-coverage=func 和 -sanitize=undefined

  • 所有鏈接到 App 中的二進制都需要開啟 SanitizerCoverage，這樣才能完全覆蓋到所有調(diào)用。

  • 也可以通過podfile來配置參數(shù)

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：重寫方法】新建一個OC文件CJLOrderFile，重寫兩個方法

  • __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init方法

    • 參數(shù)1 start 是一個指針，指向無符號int類型，4個字節(jié)，相當(dāng)于一個數(shù)組的起始位置，即符號的起始位置（是從高位往低位讀）

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    • 參數(shù)2 stop，由于數(shù)據(jù)的地址是往下讀的（即從高往低讀，所以此時獲取的地址并不是stop真正的地址，而是標(biāo)記的最后的地址，讀取stop時，由于stop占4個字節(jié)，stop真實地址 = stop打印的地址-0x4）

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    • stop內(nèi)存地址中存儲的值表示什么？在增加一個方法/塊/c++/屬性的方法（多3個），發(fā)現(xiàn)其值也會增加對應(yīng)的數(shù)，例如增加一個test1方法

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  • __sanitizer_cov_trace_pc_guard方法 ，主要是捕獲所有的啟動時刻的符號，將所有符號入隊

    • 參數(shù)guard是一個哨兵，告訴我們是第幾個被調(diào)用的

    • 符號的存儲需要借助于鏈表，所以需要定義鏈表節(jié)點CJLNode，

    • 通過OSQueueHead創(chuàng)建原子隊列，其目的是保證讀寫安全

    • 通過OSAtomicEnqueue方法將node入隊，通過鏈表的next指針可以訪問下一個符號

//原子隊列，其目的是保證寫入安全，線程安全
static  OSQueueHead queue = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定義符號結(jié)構(gòu)體，以鏈表的形式
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}CJLNode;

/*
 - start：起始位置
 - stop：并不是最后一個符號的地址，而是整個符號表的最后一個地址，最后一個符號的地址=stop-4（因為是從高地址往低地址讀取的，且stop是一個無符號int類型，占4個字節(jié)）。stop存儲的值是符號的
 */
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、函數(shù)、以及block調(diào)用，用于捕捉符號，是在多線程進行的，這個方法中只存儲pc，以鏈表的形式

 - guard 是一個哨兵，告訴我們是第幾個被調(diào)用的
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
//    if (!*guard) return;//將load方法過濾掉了，所以需要注釋掉

    //獲取PC
    /*
     - PC 當(dāng)前函數(shù)返回上一個調(diào)用的地址
     - 0 當(dāng)前這個函數(shù)地址，即當(dāng)前函數(shù)的返回地址
     - 1 當(dāng)前函數(shù)調(diào)用者的地址，即上一個函數(shù)的返回地址
    */
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    //創(chuàng)建node，并賦值
    CJLNode *node = malloc(sizeof(CJLNode));
    *node = (CJLNode){PC, NULL};

    //加入隊列
    //符號的訪問不是通過下標(biāo)訪問，是通過鏈表的next指針，所以需要借用offsetof（結(jié)構(gòu)體類型，下一個的地址即next）
    OSAtomicEnqueue(&queue, node, offsetof(CJLNode, next));
}

• 【第三步：獲取所有符號并寫入文件】
  -while循環(huán)從隊列中取出符號，處理非OC方法的前綴，存到數(shù)組中
  • 數(shù)組取反，因為入隊存儲的順序是反序的
  • 數(shù)組去重，并移除本身方法的符號
  • 將數(shù)組中的符號轉(zhuǎn)成字符串并寫入到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), ^{
        //創(chuàng)建符號數(shù)組
        NSMutableArray<NSString *> *symbolNames = [NSMutableArray array];

        //while循環(huán)取符號
        while (YES) {
            //出隊
            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) {
                //判斷是不是OC方法，如果不是，需要加下劃線存儲，反之，則直接存儲
                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（隊列的存儲是反序的）
        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];

        //將數(shù)組變成字符串
        NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
        NSLog(@"Order:\n%@", funcStr);

        //字符串寫入文件
        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方法最后調(diào)用】需要注意的是，這里的調(diào)用位置是由你決定的，一般來說，是第一個渲染的界面

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {

    [self test11];

    getOrderFile(^(NSString *orderFilePath) {
        NSLog(@"OrderFilePath:%@", orderFilePath);
    });

    return YES;
}

- (void)test11{

}

此時的cjl.order中只有這三個方法

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• 【第五步：拷貝文件，放入指定位置，并配置路徑】一般將該文件放入主項目路徑下，并在Build Settings -> Order File中配置./cjl.order，下面是配置前后的對比（上邊是配置前的熟悉怒，下邊是配置后符號順序的）

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注意點：避免死循環(huán)

• Build Settings -> Other C Flags的如果配置的是-fsanitize-coverage=trace-pc-guard，在while循環(huán)部分會出現(xiàn)死循環(huán)（我們在touchBegin方法中調(diào)試）

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• 我們打開匯編調(diào)試，發(fā)現(xiàn)有3個__sanitizer_cov_trace_pc_guard的調(diào)用

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  • 第一次是bl 是 touchBegin

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  • 第三次 bl 是 printf

  • 第二次 bl 是因為while 循環(huán)。 即 只要是跳轉(zhuǎn)，就會被hook，即有 bl、b的指令，就會被hook

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解決方式：將BuildSetting中的other C Flags的-fsanitize-coverage=trace-pc-guard ，改成-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard