07 - iOS啟動優(yōu)化 - 二進制重排 & Clang插樁

啟動的過程一般是指從用戶點擊app圖標開始到AppDelegate 的didFinishLaunching方法執(zhí)行完成為止，其中，啟動也分為冷啟動和熱啟動

冷啟動：內存中不包含app相關數據的啟動，一般我們可以通過重啟手機來實現冷啟動

  • 1 pre-main階段，即main函數之前，操作系統(tǒng)加載App可執(zhí)行文件到內存，執(zhí)行一系列的加載&鏈接等工作，簡單來說，就是dyld加載過程
  • 2：main函數之后，即從main函數開始，到Appdelegate 的didFinishLaunching方法執(zhí)行完成為止，主要是構建第一個界面，并完成渲染
    -熱啟動：是指殺掉app進程后，數據仍然存在時的啟動

其中1,2 兩過程 就是 從用戶點擊App圖標到用戶能看到app主界面的過程，即需要啟動優(yōu)化的部分

pre-main階段的優(yōu)化

統(tǒng)計main函數啟動時間

  • 查看系統(tǒng)給的反饋需要增加一個環(huán)境變量，
  • 增加路徑：在 Xcode -> Edit Scheme -> Run -> Arguments -> Environment Variables 中，
  • 增加一個環(huán)境變量DYLD_PRINT_STATISTICS:1。
pre-main啟動耗時

-dylib loading time（動態(tài)庫耗時）：主要是加載動態(tài)庫，系統(tǒng)的動態(tài)庫做過優(yōu)化，耗時較少。蘋果官方推薦最多不要超過6個外部動態(tài)庫，多余6個，需要考慮合并動態(tài)庫，合并動態(tài)庫對于啟動時期的優(yōu)化，非常有效
-rebase/binding time（偏移修正/符號綁定耗時）
-rebase（偏移修正）：任何一個app生成的二進制文件，在二進制文件內部所有的方法、函數調用，都有一個地址，這個地址是在當前二進制文件中的偏移地址。一旦在運行時刻（即運行到內存中），每次系統(tǒng)都會隨機分配一個ASLR（Address Space Layout Randomization，地址空間布局隨機化）地址值（是一個安全機制，會分配一個隨機的數值，插入在二進制文件的開頭），例如，二進制文件中有一個 test方法，偏移值是0x0001，而隨機分配的ASLR是0x1f00，如果想訪問test方法，其內存地址（即真實地址）變?yōu)?ASLR+偏移值 = 運行時確定的內存地址（即0x1f00+0x0001 = 0x1f01）
-binding（綁定）：，例如NSLog方法，在編譯時期生成的mach-o文件中，會創(chuàng)建一個符號！NSLog（目前指向一個隨機的地址），然后在運行時（從磁盤加載到內存中，是一個鏡像文件），會將真正的地址給符號（即在內存中將地址與符號進行綁定，是dyld做的，也稱為動態(tài)庫符號綁定），一句話概括：綁定就是給符號賦值的過程

  • Objc setup time: 注冊所有OC類耗時，類越多耗時越多，有人統(tǒng)計過2萬個自定義的OC的類，大概耗時800毫秒。刪除不用的類，可以減少耗時
  • initializer time: load方法 和C++構造函數的耗時. 減少重寫load方法，盡量將事情延遲到 main 方法以后，可以減少耗時。

優(yōu)化建議

  • 減少外部動態(tài)庫的數量
    -減少OC類，因為OC類越多，越耗時
    -將不必須在+load方法中做的事情延遲到+initialize中，盡量不要用C++虛函數
  • 啟動階段能使用多線程來初始化的，就使用多線程
  • 使用純代碼。不用xib storyboard(要額外進行代碼解析轉換和頁面的渲染)

二進制重排

原理

當進程訪問一個虛擬內存page，而對應的物理內存不存在時，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據到物理內存，然后再繼續(xù)訪問

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，此刻需要調用的方法，處于不同的Page導致的此時的產生的Page Fault所帶來的的耗時是很大的

將所有啟動時刻需要調用的方法，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,優(yōu)化了啟動時間

監(jiān)測

查看一下項目的缺頁異常數量。注意需要卸載 APP 或者重啟手機，來保證這個APP完全沒有被加載到內存中
打開Instrument -> System Trace

工具

從圖中可以看出發(fā)生的PageFault有427次

優(yōu)化后

優(yōu)化后項目的缺頁遺產數量是286, 減少了啟動時大概40%的缺頁異常~

通過linkMap也可以查看啟動方法的順序

  • 在Build Setting -> Write Link Map File設置為YES

    設置

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

    加載順序

二進制重排的方法
1.方法的重排序

xcode已經為我們提供了這個機制，它使用的鏈接器叫做ld, ld有一個參數叫做Order File, 我們可以通過配置order文件，來使編譯時生成的二進制的文件的Link Map種的符號順序，按照我們指定的順序排列生成。而且libobjc 實際上也做了二進制重排。

order文件

【第一步】在項目根目錄下建一個xxx.order的文件，里面寫上按照自己想排列的順序，寫上方法或者函數的名字。（如果寫了一個不存在的符號，也不會報錯，會被自動過濾掉~）

  • 內容).png

【第三步】重新編譯，查看 Link Map文件的順序，果然，按照我們指定的順序排列啦！

排列后啟動順序

找到啟動時需要方法 -> 靜態(tài)插樁

接下來，需要做的就是寫入 order 文件里的符號了，我們不可能手寫上所有的啟動時需要的執(zhí)行的符號，這里的所有符號包括，調用的方法、函數、C++構造方法、swift方法、block。

這里使用 LLVM 內置的簡單代碼覆蓋率檢測工具 [圖片上傳失敗...(image-b6c749-1626686913498)]。它在邊緣、函數、基本塊``級別`上插入對用戶定義函數的調用。

  • edge （默認）：檢測邊緣（所有的指令跳轉都會被插入對用戶定義函數的調用, 如循環(huán)、分支判斷、方法函數等）。
    bb：檢測基本塊。

  • func：僅將檢測每個功能的輸入塊(這個就是我們要重排序的符號)。

按照文檔，

  • 【第1步】搜索并設置 Other C Flags/ Other C++ Flags為-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard（這里要用func, 不能用默認的edge, 不然會造成死循環(huán)）。

  • 如果有swift ，需要設置 Other Swift Flags設置為 -sanitize-coverage=func -sanitize=undefined

    設置

  • 【第2步】編譯器將插入對模塊構造函數的調用，所以我們要實現這個方法：

__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop);

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

  - 參數2 stop，由于數據的地址是往下讀的（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）
  • 【第3步】__sanitizer_cov_trace_pc_guard 實現： 主要是捕獲所有的啟動時刻的符號，將所有符號入隊
//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;
//定義符號結構體，以鏈表的形式
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}XXNode;

/*
 - 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、以及block調用，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 當前函數返回上一個調用的地址
     - 0 當前這個函數地址，即當前函數的返回地址
     - 1 當前函數調用者的地址，即上一個函數的返回地址
    */
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    //創(chuàng)建node，并賦值
    XXNode *node = malloc(sizeof(XXNode));
    *node = (XXNode){PC, NULL};
    
    //加入隊列
    //符號的訪問不是通過下標訪問，是通過鏈表的next指針，所以需要借用offsetof（結構體類型，下一個的地址即next）
    OSAtomicEnqueue(&queue, node, offsetof(XXNode, next));
}

-【第四步：獲取所有符號并寫入文件】

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);
        }
    });
}
  • 第五步：在didFinishLaunchingWithOptions方法最后調用】需要注意的是，這里的調用位置是由你決定的，一般來說，是第一個渲染的界面
  • 【第六步：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./XX.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）
結果對比

order文件內容
最后編輯于 ：
?著作權歸作者所有,轉載或內容合作請聯(lián)系作者
【社區(qū)內容提示】社區(qū)部分內容疑似由AI輔助生成，瀏覽時請結合常識與多方信息審慎甄別。
平臺聲明：文章內容（如有圖片或視頻亦包括在內）由作者上傳并發(fā)布，文章內容僅代表作者本人觀點，簡書系信息發(fā)布平臺，僅提供信息存儲服務。

相關閱讀更多精彩內容

友情鏈接更多精彩內容