iOS App啟動(dòng)優(yōu)化（三）—— 自己做一個(gè)工具監(jiān)控App的啟動(dòng)耗時(shí)

級(jí)別：★★☆☆☆
標(biāo)簽：「iOS」「hook」「耗時(shí)監(jiān)控」「objc_msgSend」
作者： 647
審校： QiShare團(tuán)隊(duì)

前言：
最近，小編在看戴銘老師的技術(shù)分享，感覺收獲很多?；谧罱膶W(xué)習(xí)，小編總結(jié)了一些App啟動(dòng)優(yōu)化上的知識(shí)點(diǎn)，并計(jì)劃落地一系列App啟動(dòng)優(yōu)化的文章。
目錄如下：
iOS App啟動(dòng)優(yōu)化（一）—— 了解App的啟動(dòng)流程
iOS App啟動(dòng)優(yōu)化（二）—— 使用“Time Profiler”工具監(jiān)控App的啟動(dòng)耗時(shí)
iOS App啟動(dòng)優(yōu)化（三）—— 自己做一個(gè)工具監(jiān)控App的啟動(dòng)耗時(shí)

前兩篇介紹了《iOS App的啟動(dòng)流程》、《Time Profiler工具的使用》。
本篇將介紹通過hook底層objc_msgSend來掌握所有Objective-C方法的執(zhí)行耗時(shí)。

一、什么是hook？

定義：hook是指在原有方法開始執(zhí)行時(shí)，換成你指定的方法?；蛟谠蟹椒ǖ膱?zhí)行前后，添加執(zhí)行你指定的方法。從而達(dá)到改變指定方法的目的。

例如：

  • 使用runtime 的 Method Swizzle。
  • 使用Facebook所開源的fishhook框架。

前者是ObjC運(yùn)行時(shí)提供的“方法交換”能力。
后者是對(duì)Mach-O二進(jìn)制文件的符號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的“重新綁定”，已達(dá)到方法交換的目的。

問題1： fishhook的大致實(shí)現(xiàn)思路是什么？

在《iOS App啟動(dòng)優(yōu)化（一）—— 了解App的啟動(dòng)流程》中我們提到，動(dòng)態(tài)鏈接器dyld會(huì)根據(jù)Mach-O二進(jìn)制可執(zhí)行文件的符號(hào)表來綁定符號(hào)。而通過符號(hào)表及符號(hào)名就可以知道指針訪問的地址，再通過更改指針訪問的地址就能替換指定的方法實(shí)現(xiàn)了。

問題2：為什么hook了objc_msgSend就可以掌握所有objc方法的耗時(shí)？

因?yàn)?code>objc_msgSend是所有Objective-C方法調(diào)用的必經(jīng)之路，所有的Objective-C方法都會(huì)調(diào)用到運(yùn)行時(shí)底層的objc_msgSend方法。所以只要我們可以hook objc_msgSend，我們就可以掌握所有objc方法的耗時(shí)。（更多詳情可看我之前寫的《iOS 編寫高質(zhì)量Objective-C代碼（二）》的第六點(diǎn) —— 理解objc_msgSend（對(duì)象的消息傳遞機(jī)制））

另外，objc_msgSend本身是用匯編語言寫的，蘋果已經(jīng)開源了objc_msgSend的源碼?？稍诠倬W(wǎng)上下載查看：objc_msgSend源碼。

二、如何hook底層objc_msgSend？

第一階段：與fishhook框架類似，我們先要擁有hook的能力。
  • 首先，設(shè)計(jì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)體：
    一個(gè)是用來記錄符號(hào)的結(jié)構(gòu)體，一個(gè)是用來記錄符號(hào)表的鏈表。
struct rebinding {
    const char *name;
    void *replacement;
    void **replaced;
};

struct rebindings_entry {
    struct rebinding *rebindings;
    size_t rebindings_nel;
    struct rebindings_entry *next;
};
  • 其次，遍歷動(dòng)態(tài)鏈接器dyld內(nèi)所有的image，取出其中的header和slide。
    以便我們接下來拿到符號(hào)表。
static int fish_rebind_symbols(struct rebinding rebindings[], size_t rebindings_nel) {
    int retval = prepend_rebindings(&_rebindings_head, rebindings, rebindings_nel);
    if (retval < 0) {
        return retval;
    }
    // If this was the first call, register callback for image additions (which is also invoked for
    // existing images, otherwise, just run on existing images
    //首先是遍歷 dyld 里的所有的 image，取出 image header 和 slide。注意第一次調(diào)用時(shí)主要注冊(cè) callback
    if (!_rebindings_head->next) {
        _dyld_register_func_for_add_image(_rebind_symbols_for_image);
    } else {
        uint32_t c = _dyld_image_count();
        // 遍歷所有dyld的image
        for (uint32_t i = 0; i < c; i++) {
            _rebind_symbols_for_image(_dyld_get_image_header(i), _dyld_get_image_vmaddr_slide(i)); // 讀取image內(nèi)的header和slider
        }
    }
    return retval;
}
  • 上一步，我們?cè)?code>dyld內(nèi)拿到了所有image。
    接下來，我們從image內(nèi)找到符號(hào)表內(nèi)相關(guān)的segment_command_t，遍歷符號(hào)表找到所要替換的segname，再進(jìn)行下一步方法替換。方法實(shí)現(xiàn)如下：
static void rebind_symbols_for_image(struct rebindings_entry *rebindings,
                                     const struct mach_header *header,
                                     intptr_t slide) {
    Dl_info info;
    if (dladdr(header, &info) == 0) {
        return;
    }
    
    // 找到符號(hào)表相關(guān)的command，包括 linkedit_segment command、symtab command 和 dysymtab command。
    segment_command_t *cur_seg_cmd;
    segment_command_t *linkedit_segment = NULL;
    struct symtab_command* symtab_cmd = NULL;
    struct dysymtab_command* dysymtab_cmd = NULL;
    
    uintptr_t cur = (uintptr_t)header + sizeof(mach_header_t);
    for (uint i = 0; i < header->ncmds; i++, cur += cur_seg_cmd->cmdsize) {
        cur_seg_cmd = (segment_command_t *)cur;
        if (cur_seg_cmd->cmd == LC_SEGMENT_ARCH_DEPENDENT) {
            if (strcmp(cur_seg_cmd->segname, SEG_LINKEDIT) == 0) {
                linkedit_segment = cur_seg_cmd;
            }
        } else if (cur_seg_cmd->cmd == LC_SYMTAB) {
            symtab_cmd = (struct symtab_command*)cur_seg_cmd;
        } else if (cur_seg_cmd->cmd == LC_DYSYMTAB) {
            dysymtab_cmd = (struct dysymtab_command*)cur_seg_cmd;
        }
    }
    
    if (!symtab_cmd || !dysymtab_cmd || !linkedit_segment ||
        !dysymtab_cmd->nindirectsyms) {
        return;
    }

    // 獲得base符號(hào)表以及對(duì)應(yīng)地址
    uintptr_t linkedit_base = (uintptr_t)slide + linkedit_segment->vmaddr - linkedit_segment->fileoff;
    nlist_t *symtab = (nlist_t *)(linkedit_base + symtab_cmd->symoff);
    char *strtab = (char *)(linkedit_base + symtab_cmd->stroff);
    
    // 獲得indirect符號(hào)表
    uint32_t *indirect_symtab = (uint32_t *)(linkedit_base + dysymtab_cmd->indirectsymoff);
    
    cur = (uintptr_t)header + sizeof(mach_header_t);
    for (uint i = 0; i < header->ncmds; i++, cur += cur_seg_cmd->cmdsize) {
        cur_seg_cmd = (segment_command_t *)cur;
        if (cur_seg_cmd->cmd == LC_SEGMENT_ARCH_DEPENDENT) {
            if (strcmp(cur_seg_cmd->segname, SEG_DATA) != 0 &&
                strcmp(cur_seg_cmd->segname, SEG_DATA_CONST) != 0) {
                continue;
            }
            for (uint j = 0; j < cur_seg_cmd->nsects; j++) {
                section_t *sect =
                (section_t *)(cur + sizeof(segment_command_t)) + j;
                if ((sect->flags & SECTION_TYPE) == S_LAZY_SYMBOL_POINTERS) {
                    perform_rebinding_with_section(rebindings, sect, slide, symtab, strtab, indirect_symtab);
                }
                if ((sect->flags & SECTION_TYPE) == S_NON_LAZY_SYMBOL_POINTERS) {
                    perform_rebinding_with_section(rebindings, sect, slide, symtab, strtab, indirect_symtab);
                }
            }
        }
    }
}
  • 最后，通過符號(hào)表以及我們所要替換的方法的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行指針地址替換。
    這是相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)：
static void perform_rebinding_with_section(struct rebindings_entry *rebindings,
                                           section_t *section,
                                           intptr_t slide,
                                           nlist_t *symtab,
                                           char *strtab,
                                           uint32_t *indirect_symtab) {
    uint32_t *indirect_symbol_indices = indirect_symtab + section->reserved1;
    void **indirect_symbol_bindings = (void **)((uintptr_t)slide + section->addr);
    for (uint i = 0; i < section->size / sizeof(void *); i++) {
        uint32_t symtab_index = indirect_symbol_indices[i];
        if (symtab_index == INDIRECT_SYMBOL_ABS || symtab_index == INDIRECT_SYMBOL_LOCAL ||
            symtab_index == (INDIRECT_SYMBOL_LOCAL   | INDIRECT_SYMBOL_ABS)) {
            continue;
        }
        uint32_t strtab_offset = symtab[symtab_index].n_un.n_strx;
        char *symbol_name = strtab + strtab_offset;
        if (strnlen(symbol_name, 2) < 2) {
            continue;
        }
        struct rebindings_entry *cur = rebindings;
        while (cur) {
            for (uint j = 0; j < cur->rebindings_nel; j++) {
                if (strcmp(&symbol_name[1], cur->rebindings[j].name) == 0) {
                    if (cur->rebindings[j].replaced != NULL &&
                        indirect_symbol_bindings[i] != cur->rebindings[j].replacement) {
                        *(cur->rebindings[j].replaced) = indirect_symbol_bindings[i];
                    }
                    indirect_symbol_bindings[i] = cur->rebindings[j].replacement;
                    goto symbol_loop;
                }
            }
            cur = cur->next;
        }
    symbol_loop:;
    }
}

到這里，通過調(diào)用下面的方法，我們就擁有了hook的基本能力。

static int fish_rebind_symbols(struct rebinding rebindings[], size_t rebindings_nel);
第二階段：通過匯編語言編寫出我們的hook_objc_msgSend方法

因?yàn)?code>objc_msgSend是通過匯編語言寫的，我們想要替換objc_msgSend方法還需要從匯編語言下手。

既然我們要做一個(gè)監(jiān)控方法耗時(shí)的工具。這時(shí)想想我們的目的是什么？

我們的目的是：通過hook原objc_msgSend方法，在objc_msgSend方法前調(diào)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)操作，在objc_msgSend方法調(diào)用后結(jié)束打點(diǎn)和計(jì)時(shí)操作。通過計(jì)算時(shí)間差，我們就能精準(zhǔn)的拿到方法調(diào)用的時(shí)長。

因此，我們要在原有的objc_msgSend方法的調(diào)用前后需要加上before_objc_msgSend和after_objc_msgSend方法，以便我們后期的打點(diǎn)計(jì)時(shí)操作。

arm64 有 31 個(gè) 64 bit 的整數(shù)型寄存器，分別用 x0 到 x30 表示。主要的實(shí)現(xiàn)思路是：

  • 入棧參數(shù)，參數(shù)寄存器是 x0~ x7。對(duì)于 objc_msgSend 方法來說，x0 第一個(gè)參數(shù)是傳入對(duì)象，x1 第二個(gè)參數(shù)是選擇器 _cmd。syscall 的 number 會(huì)放到 x8 里。
  • 交換寄存器中保存的參數(shù)，將用于返回的寄存器 lr 中的數(shù)據(jù)移到 x1 里。
  • 使用 bl label 語法調(diào)用 pushCallRecord 函數(shù)。
  • 執(zhí)行原始的 objc_msgSend，保存返回值。
  • 使用 bl label 語法調(diào)用 popCallRecord 函數(shù)。
  • 返回

里面涉及到的一些匯編指令：

指令 含義
stp 同時(shí)寫入兩個(gè)寄存器。
mov 將值賦值到一個(gè)寄存器。
ldp 同時(shí)讀取兩個(gè)寄存器。
sub 將兩個(gè)寄存器的值相減
add 將兩個(gè)寄存器的值相加
ret 從子程序返回主程序

詳細(xì)代碼如下：

#define call(b, value) \
__asm volatile ("stp x8, x9, [sp, #-16]!\n"); \
__asm volatile ("mov x12, %0\n" :: "r"(value)); \
__asm volatile ("ldp x8, x9, [sp], #16\n"); \
__asm volatile (#b " x12\n");

#define save() \
__asm volatile ( \
"stp x8, x9, [sp, #-16]!\n" \
"stp x6, x7, [sp, #-16]!\n" \
"stp x4, x5, [sp, #-16]!\n" \
"stp x2, x3, [sp, #-16]!\n" \
"stp x0, x1, [sp, #-16]!\n");

#define load() \
__asm volatile ( \
"ldp x0, x1, [sp], #16\n" \
"ldp x2, x3, [sp], #16\n" \
"ldp x4, x5, [sp], #16\n" \
"ldp x6, x7, [sp], #16\n" \
"ldp x8, x9, [sp], #16\n" );

#define link(b, value) \
__asm volatile ("stp x8, lr, [sp, #-16]!\n"); \
__asm volatile ("sub sp, sp, #16\n"); \
call(b, value); \
__asm volatile ("add sp, sp, #16\n"); \
__asm volatile ("ldp x8, lr, [sp], #16\n");

#define ret() __asm volatile ("ret\n");

__attribute__((__naked__))
static void hook_objc_msgSend() {
    // Save parameters.
    save() // stp入棧指令 入棧參數(shù)，參數(shù)寄存器是 x0~ x7。對(duì)于 objc_msgSend 方法來說，x0 第一個(gè)參數(shù)是傳入對(duì)象，x1 第二個(gè)參數(shù)是選擇器 _cmd。syscall 的 number 會(huì)放到 x8 里。
    
    __asm volatile ("mov x2, lr\n");
    __asm volatile ("mov x3, x4\n");
    
    // Call our before_objc_msgSend.
    call(blr, &before_objc_msgSend)
    
    // Load parameters.
    load()
    
    // Call through to the original objc_msgSend.
    call(blr, orig_objc_msgSend)
    
    // Save original objc_msgSend return value.
    save()
    
    // Call our after_objc_msgSend.
    call(blr, &after_objc_msgSend)
    
    // restore lr
    __asm volatile ("mov lr, x0\n");
    
    // Load original objc_msgSend return value.
    load()
    
    // return
    ret()
}

這時(shí)候，每當(dāng)?shù)讓诱{(diào)用hook_objc_msgSend方法時(shí)，會(huì)先調(diào)用before_objc_msgSend方法，再調(diào)用hook_objc_msgSend方法，最后調(diào)用after_objc_msgSend方法。

單個(gè)方法調(diào)用，流程如下圖：

舉一反“三”，然后多層方法調(diào)用的流程，就變成了下圖：

這樣，我們就能拿到每一層方法調(diào)用的耗時(shí)了。

三、如何使用這個(gè)工具？

第一步，在項(xiàng)目中，導(dǎo)入QiLagMonitor類庫。

第二步，在所需要監(jiān)控的控制器中，導(dǎo)入QiCallTrace.h頭文件。

  [QiCallTrace start]; // 1. 開始

  // your codes（你所要測試的代碼區(qū)間）

  [QiCallTrace stop]; // 2. 停止
  [QiCallTrace save]; // 3. 保存并打印方法調(diào)用棧以及具體方法耗時(shí)。

PS：目前該工具只能hook所有objc方法，并計(jì)算出區(qū)間內(nèi)的所有方法耗時(shí)。暫不支持swift方法的監(jiān)聽。

本文源碼：Demo

最后，我是站在iOS業(yè)界巨人的肩膀上完成了App啟動(dòng)優(yōu)化（一）、（二）、（三），感謝戴銘老師精彩的技術(shù)分享。
另附上，戴銘老師課程鏈接：《iOS開發(fā)高手課》

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