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當(dāng) App 中的業(yè)務(wù)模塊越來越多、越來越復(fù)雜,集成了更多的三方庫,App 啟動(dòng)也會(huì)越來越慢,因此我們希望能在業(yè)務(wù)擴(kuò)張的同時(shí),保持較優(yōu)的啟動(dòng)速度,給用戶帶來良好的使用體驗(yàn)。
熱啟動(dòng)與冷啟動(dòng)
當(dāng)用戶按下 home 鍵,iOS App 不會(huì)立刻被 kill,而是存活一段時(shí)間,這段時(shí)間里用戶再打開 App,App 基本上不需要做什么,就能還原到退到后臺(tái)前的狀態(tài)。我們把 App 進(jìn)程還在系統(tǒng)中,無需開啟新進(jìn)程的啟動(dòng)過程稱為熱啟動(dòng)。
而冷啟動(dòng)則是指 App 不在系統(tǒng)進(jìn)程中,比如設(shè)備重啟后,或是手動(dòng)殺死 App 進(jìn)程,又或是 App 長時(shí)間未打開過,用戶再點(diǎn)擊啟動(dòng) App 的過程,這時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程分配給 App。我們可以將冷啟動(dòng)看作一次完整的 App 啟動(dòng)過程,本文討論的就是冷啟動(dòng)的優(yōu)化。
冷啟動(dòng)概要
WWDC 2016 中首次出現(xiàn)了 App 啟動(dòng)優(yōu)化的話題,其中提到:
- App 啟動(dòng)最佳速度是400ms以內(nèi),因?yàn)閺狞c(diǎn)擊 App 圖標(biāo)啟動(dòng),然后 Launch Screen 出現(xiàn)再消失的時(shí)間就是400ms;
- App 啟動(dòng)最慢不得大于20s,否則進(jìn)程會(huì)被系統(tǒng)殺死;(啟動(dòng)時(shí)間最好以 App 所支持的最低配置設(shè)備為準(zhǔn)。)
冷啟動(dòng)的整個(gè)過程是指從用戶喚起 App 開始到 AppDelegate 中的 didFinishLaunchingWithOptions 方法執(zhí)行完畢為止,并以執(zhí)行 main() 函數(shù)的時(shí)機(jī)為分界點(diǎn),分為 pre-main 和 main() 兩個(gè)階段。
也有一種說法是將整個(gè)冷啟動(dòng)階段以主 UI 框架的 viewDidAppear 函數(shù)執(zhí)行完畢才算結(jié)束。這兩種說法都可以,前者的界定范圍是 App 啟動(dòng)和初始化完畢,后者的界定范圍是用戶視角的啟動(dòng)完畢,也就是首屏已經(jīng)被加載出來。
注意:這里很多文章都會(huì)把第二個(gè)階段描述為 main 函數(shù)之后,個(gè)人認(rèn)為這種說法不是很好,容易讓人誤解。要知道 main 函數(shù)在 App 運(yùn)行過程中是不會(huì)退出的,無論是 AppDelegate 中的
didFinishLaunchingWithOptions方法還是 ViewController 中的viewDidAppear方法,都還是在 main 函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行的。
pre-main 階段
pre-main 階段指的是從用戶喚起 App 到 main() 函數(shù)執(zhí)行之前的過程。
查看階段耗時(shí)
我們可以在 Xcode 中配置環(huán)境變量 DYLD_PRINT_STATISTICS 為 1(Edit Scheme → Run → Arguments → Environment Variables → +)。

這時(shí)在 iOS 10 以上系統(tǒng)中運(yùn)行一個(gè) TestDemo,pre-main 階段的啟動(dòng)時(shí)間會(huì)在控制臺(tái)中打印出來。
Total pre-main time: 354.21 milliseconds (100.0%)
dylib loading time: 25.52 milliseconds (7.2%)
rebase/binding time: 12.70 milliseconds (3.5%)
ObjC setup time: 152.74 milliseconds (43.1%)
initializer time: 163.24 milliseconds (46.0%)
slowest intializers :
libSystem.B.dylib : 7.98 milliseconds (2.2%)
libBacktraceRecording.dylib : 13.53 milliseconds (3.8%)
libMainThreadChecker.dylib : 41.11 milliseconds (11.6%)
TestDemo : 88.76 milliseconds (25.0%)
如果要更詳細(xì)的信息,就設(shè)置 DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS 為 1。
total time: 1.6 seconds (100.0%)
total images loaded: 388 (381 from dyld shared cache)
total segments mapped: 23, into 413 pages
total images loading time: 805.78 milliseconds (48.6%)
total load time in ObjC: 152.74 milliseconds (9.2%)
total debugger pause time: 780.26 milliseconds (47.1%)
total dtrace DOF registration time: 0.00 milliseconds (0.0%)
total rebase fixups: 54,265
total rebase fixups time: 20.77 milliseconds (1.2%)
total binding fixups: 527,211
total binding fixups time: 513.54 milliseconds (31.0%)
total weak binding fixups time: 0.31 milliseconds (0.0%)
total redo shared cached bindings time: 521.93 milliseconds (31.5%)
total bindings lazily fixed up: 0 of 0
total time in initializers and ObjC +load: 163.24 milliseconds (9.8%)
libSystem.B.dylib : 7.98 milliseconds (0.4%)
libBacktraceRecording.dylib : 13.53 milliseconds (0.8%)
libMainThreadChecker.dylib : 41.11 milliseconds (2.4%)
libViewDebuggerSupport.dylib : 6.68 milliseconds (0.4%)
TestDemo : 88.76 milliseconds (5.3%)
total symbol trie searches: 1306942
total symbol table binary searches: 0
total images defining weak symbols: 41
total images using weak symbols: 105
這里統(tǒng)計(jì)到的啟動(dòng)耗時(shí)出現(xiàn)一定波動(dòng)是正常的,無須過分在意。
理論知識
為了更準(zhǔn)確地了解 App 啟動(dòng)的流程,我們先熟悉一下幾個(gè)概念。
Mach-O
Mach-O(Mach Object File Format)是一種用于記錄可執(zhí)行文件、對象代碼、共享庫、動(dòng)態(tài)加載代碼和內(nèi)存轉(zhuǎn)儲(chǔ)的文件格式。App 編譯生成的二進(jìn)制可執(zhí)行文件就是 Mach-O 格式的,iOS 工程所有的類編譯后會(huì)生成對應(yīng)的目標(biāo)文件 .o 文件,而這個(gè)可執(zhí)行文件就是這些 .o 文件的集合。
在 Xcode 的控制臺(tái)輸入以下命令,可以打印出運(yùn)行時(shí)所有加載進(jìn)應(yīng)用程序的 Mach-O 文件。
image list -o -f
Mach-O 文件主要由三部分組成:
- Mach header:描述 Mach-O 的 CPU 架構(gòu)、文件類型以及加載命令等;
- Load commands:描述了文件中數(shù)據(jù)的具體組織結(jié)構(gòu),不同的數(shù)據(jù)類型使用不同的加載命令;
- Data:Data 中的每個(gè)段(segment)的數(shù)據(jù)都保存在這里,每個(gè)段都有一個(gè)或多個(gè) Section,它們存放了具體的數(shù)據(jù)與代碼,主要包含這三種類型:
-
__TEXT包含 Mach header,被執(zhí)行的代碼和只讀常量(如C 字符串)。只讀可執(zhí)行(r-x)。 -
__DATA包含全局變量,靜態(tài)變量等。可讀寫(rw-)。 -
__LINKEDIT包含了加載程序的元數(shù)據(jù),比如函數(shù)的名稱和地址。只讀(r–-)。
-
dylib
dylib 也是一種 Mach-O 格式的文件,后綴名為 .dylib 的文件就是動(dòng)態(tài)庫(也叫動(dòng)態(tài)鏈接庫)。動(dòng)態(tài)庫是運(yùn)行時(shí)加載的,可以被多個(gè) App 的進(jìn)程共用。
如果想知道 TestDemo 中依賴的所有動(dòng)態(tài)庫,可以通過下面的指令實(shí)現(xiàn):
otool -L /TestDemo.app/TestDemo
動(dòng)態(tài)鏈接庫分為系統(tǒng) dylib 和內(nèi)嵌 dylib(embed dylib,即開發(fā)者手動(dòng)引入的動(dòng)態(tài)庫)。系統(tǒng) dylib 有:
- iOS 中用到的所有系統(tǒng) framework,比如 UIKit、Foundation;
- 系統(tǒng)級別的 libSystem(如 libdispatch(GCD) 和 libsystem_blocks(Block));
- 加載 OC runtime 方法的 libobjc;
- ……
dyld
dyld(Dynamic Link Editor):動(dòng)態(tài)鏈接器,其本質(zhì)也是 Mach-O 文件,一個(gè)專門用來加載 dylib 文件的庫。 dyld 位于 /usr/lib/dyld,可以在 mac 和越獄機(jī)中找到。dyld 會(huì)將 App 依賴的動(dòng)態(tài)庫和 App 文件加載到內(nèi)存后執(zhí)行。
dyld shared cache
dyld shared cache 就是動(dòng)態(tài)庫共享緩存。當(dāng)需要加載的動(dòng)態(tài)庫非常多時(shí),相互依賴的符號也更多了,為了節(jié)省解析處理符號的時(shí)間,OS X 和 iOS 上的動(dòng)態(tài)鏈接器使用了共享緩存。OS X 的共享緩存位于 /private/var/db/dyld/,iOS 的則在 /System/Library/Caches/com.apple.dyld/。
當(dāng)加載一個(gè) Mach-O 文件時(shí),dyld 首先會(huì)檢查是否存在于共享緩存,存在就直接取出使用。每一個(gè)進(jìn)程都會(huì)把這個(gè)共享緩存映射到了自己的地址空間中。這種方法大大優(yōu)化了 OS X 和 iOS 上程序的啟動(dòng)時(shí)間。
images
images 在這里不是指圖片,而是鏡像。每個(gè) App 都是以 images 為單位進(jìn)行加載的。images 類型包括:
- executable:應(yīng)用的二進(jìn)制可執(zhí)行文件;
- dylib:動(dòng)態(tài)鏈接庫;
- bundle:資源文件,屬于不能被鏈接的 dylib,只能在運(yùn)行時(shí)通過
dlopen()加載。
framework
framework 可以是動(dòng)態(tài)庫,也是靜態(tài)庫,是一個(gè)包含 dylib、bundle 和頭文件的文件夾。
啟動(dòng)過程分析與優(yōu)化
啟動(dòng)一個(gè)應(yīng)用時(shí),系統(tǒng)會(huì)通過 fork() 方法來新創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程,然后執(zhí)行鏡像通過 exec() 來替換為另一個(gè)可執(zhí)行程序,然后執(zhí)行如下操作:
- 把可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存空間,從可執(zhí)行文件中能夠分析出 dyld 的路徑;
- 把 dyld 加載到內(nèi)存;
- dyld 從可執(zhí)行文件的依賴開始,遞歸加載所有的依賴動(dòng)態(tài)鏈接庫 dylib 并進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作。
結(jié)合上面 pre-main 打印的結(jié)果,我們可以大致了解整個(gè)啟動(dòng)過程如下圖所示:

Load Dylibs
這一步,指的是動(dòng)態(tài)庫加載。在此階段,dyld 會(huì):
- 分析 App 依賴的所有 dylib;
- 找到 dylib 對應(yīng)的 Mach-O 文件;
- 打開、讀取這些 Mach-O 文件,并驗(yàn)證其有效性;
- 在系統(tǒng)內(nèi)核中注冊代碼簽名;
- 對 dylib 的每一個(gè) segment 調(diào)用
mmap()。
一般情況下,iOS App 需要加載 100-400 個(gè) dylibs。這些動(dòng)態(tài)庫包括系統(tǒng)的,也包括開發(fā)者手動(dòng)引入的。其中大部分 dylib 都是系統(tǒng)庫,系統(tǒng)已經(jīng)做了優(yōu)化,因此開發(fā)者更應(yīng)關(guān)心自己手動(dòng)集成的內(nèi)嵌 dylib,加載它們時(shí)性能開銷較大。
App 中依賴的 dylib 越少越好,Apple 官方建議盡量將內(nèi)嵌 dylib 的個(gè)數(shù)維持在6個(gè)以內(nèi)。
優(yōu)化方案:
- 盡量不使用內(nèi)嵌 dylib;
- 合并已有內(nèi)嵌 dylib;
- 檢查 framework 的
optional和required設(shè)置,如果 framework 在當(dāng)前的 App 支持的 iOS 系統(tǒng)版本中都存在,就設(shè)為required,因?yàn)樵O(shè)為optional會(huì)有額外的檢查; - 使用靜態(tài)庫作為代替;(不過靜態(tài)庫會(huì)在編譯期被打進(jìn)可執(zhí)行文件,造成可執(zhí)行文件體積增大,兩者各有利弊,開發(fā)者自行權(quán)衡。)
- 懶加載 dylib。(但使用
dlopen()對性能會(huì)產(chǎn)生影響,因?yàn)?App 啟動(dòng)時(shí)是原本是單線程運(yùn)行,系統(tǒng)會(huì)取消加鎖,但dlopen()開啟了多線程,系統(tǒng)不得不加鎖,這樣不僅會(huì)使性能降低,可能還會(huì)造成死鎖及未知的后果,不是很推薦這種做法。)
Rebase/Binding
這一步,做的是指針重定位。
在 dylib 的加載過程中,系統(tǒng)為了安全考慮,引入了 ASLR(Address Space Layout Randomization)技術(shù)和代碼簽名。由于 ASLR 的存在,鏡像會(huì)在新的隨機(jī)地址(actual_address)上加載,和之前指針指向的地址(preferred_address)會(huì)有一個(gè)偏差(slide,slide=actual_address-preferred_address),因此 dyld 需要修正這個(gè)偏差,指向正確的地址。具體通過這兩步實(shí)現(xiàn):
第一步:Rebase,在 image 內(nèi)部調(diào)整指針的指向。將 image 讀入內(nèi)存,并以 page 為單位進(jìn)行加密驗(yàn)證,保證不會(huì)被篡改,性能消耗主要在 IO。
第二步:Binding,符號綁定。將指針指向 image 外部的內(nèi)容。查詢符號表,設(shè)置指向鏡像外部的指針,性能消耗主要在 CPU 計(jì)算。
通過以下命令可以查看 rebase 和 bind 等信息:
xcrun dyldinfo -rebase -bind -lazy_bind TestDemo.app/TestDemo
通過 LC_DYLD_INFO_ONLY 可以查看各種信息的偏移量和大小。如果想要更方便直觀地查看,推薦使用 MachOView 工具。
指針數(shù)量越少,指針修復(fù)的耗時(shí)也就越少。所以,優(yōu)化該階段的關(guān)鍵就是減少 __DATA 段中的指針數(shù)量。
優(yōu)化方案:
- 減少 ObjC 類(class)、方法(selector)、分類(category)的數(shù)量,比如合并一些功能,刪除無效的類、方法和分類等(可以借助 AppCode 的 Inspect Code 功能進(jìn)行代碼瘦身);
- 減少 C++ 虛函數(shù);(虛函數(shù)會(huì)創(chuàng)建 vtable,這也會(huì)在
__DATA段中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。) - 多用 Swift Structs。(因?yàn)?Swift Structs 是靜態(tài)分發(fā)的,它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部做了優(yōu)化,符號數(shù)量更少。)
ObjC Setup
完成 Rebase 和 Bind 之后,通知 runtime 去做一些代碼運(yùn)行時(shí)需要做的事情:
- dyld 會(huì)注冊所有聲明過的 ObjC 類;
- 將分類插入到類的方法列表中;
- 檢查每個(gè) selector 的唯一性。
優(yōu)化方案:
Rebase/Binding 階段優(yōu)化好了,這一步的耗時(shí)也會(huì)相應(yīng)減少。
Initializers
Rebase 和 Binding 屬于靜態(tài)調(diào)整(fix-up),修改的是 __DATA 段中的內(nèi)容,而這里則開始動(dòng)態(tài)調(diào)整,往堆和棧中寫入內(nèi)容。具體工作有:
- 調(diào)用每個(gè) Objc 類和分類中的
+load方法; - 調(diào)用 C/C++ 中的構(gòu)造器函數(shù)(用
attribute((constructor))修飾的函數(shù)); - 創(chuàng)建非基本類型的 C++ 靜態(tài)全局變量。
優(yōu)化方案:
- 盡量避免在類的
+load方法中初始化,可以推遲到+initiailize中進(jìn)行;(因?yàn)樵谝粋€(gè)+load方法中進(jìn)行運(yùn)行時(shí)方法替換操作會(huì)帶來 4ms 的消耗) - 避免使用
__atribute__((constructor))將方法顯式標(biāo)記為初始化器,而是讓初始化方法調(diào)用時(shí)再執(zhí)行。比如用dispatch_once()、pthread_once()或std::once(),相當(dāng)于在第一次使用時(shí)才初始化,推遲了一部分工作耗時(shí)。: - 減少非基本類型的 C++ 靜態(tài)全局變量的個(gè)數(shù)。(因?yàn)檫@類全局變量通常是類或者結(jié)構(gòu)體,如果在構(gòu)造函數(shù)中有繁重的工作,就會(huì)拖慢啟動(dòng)速度)
總結(jié)一下 pre-main 階段可行的優(yōu)化方案:
- 重新梳理架構(gòu),減少不必要的內(nèi)置動(dòng)態(tài)庫數(shù)量
- 進(jìn)行代碼瘦身,合并或刪除無效的ObjC類、Category、方法、C++ 靜態(tài)全局變量等
- 將不必須在
+load方法中執(zhí)行的任務(wù)延遲到+initialize中 - 減少 C++ 虛函數(shù)
main() 階段
對于 main() 階段,主要測量的就是從 main() 函數(shù)開始執(zhí)行到 didFinishLaunchingWithOptions 方法執(zhí)行結(jié)束的耗時(shí)。
查看階段耗時(shí)
這里介紹兩種查看 main() 階段耗時(shí)的方法。
方法一:手動(dòng)插入代碼,進(jìn)行耗時(shí)計(jì)算。
// 第一步:在 main() 函數(shù)里用變量 MainStartTime 記錄當(dāng)前時(shí)間
CFAbsoluteTime MainStartTime;
int main(int argc, char * argv[]) {
MainStartTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
@autoreleasepool {
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
}
}
// 第二步:在 AppDelegate.m 文件中用 extern 聲明全局變量 MainStartTime
extern CFAbsoluteTime MainStartTime;
// 第三步:在 didFinishLaunchingWithOptions 方法結(jié)束前,再獲取一下當(dāng)前時(shí)間,與 MainStartTime 的差值就是 main() 函數(shù)階段的耗時(shí)
double mainLaunchTime = (CFAbsoluteTimeGetCurrent() - MainStartTime);
NSLog(@"main() 階段耗時(shí):%.2fms", mainLaunchTime * 1000);
方法二:借助 Instruments 的 Time Profiler 工具查看耗時(shí)。
打開方式為:Xcode → Open Developer Tool → Instruments → Time Profiler。

操作步驟:
配置 Scheme。點(diǎn)擊
Edit Scheme找到Profile下的Build Configuration,設(shè)置為Debug。配置 PROJECT。點(diǎn)擊 PROJECT,在
Build Settings中找到Build Options選項(xiàng)里的Debug Information Format,把Debug對應(yīng)的值改為DWARF with dSYM File。啟動(dòng) Time Profiler,點(diǎn)擊左上角紅色圓形按鈕開始檢測,然后就可以看到執(zhí)行代碼的完整路徑和對應(yīng)的耗時(shí)。
為了方面查看應(yīng)用程序中實(shí)際代碼的執(zhí)行耗時(shí)和代碼路徑實(shí)際所在的位置,可以勾選上 Call Tree 中的 Separate Thread 和 Hide System Libraries。

啟動(dòng)優(yōu)化
main() 被調(diào)用之后,didFinishLaunchingWithOptions 階段,App 會(huì)進(jìn)行必要的初始化操作,而 viewDidAppear 執(zhí)行結(jié)束之前則是做了首頁內(nèi)容的加載和顯示。
關(guān)于 App 的初始化,除了統(tǒng)計(jì)、日志這種須要在 App 一啟動(dòng)就配置的事件,有一些配置也可以考慮延遲加載。如果你在 didFinishLaunchingWithOptions 中同時(shí)也涉及到了首屏的加載,那么可以考慮從這些角度優(yōu)化:
- 用純代碼的方式,而不是 xib/Storyboard,來加載首頁視圖
- 延遲暫時(shí)不需要的二方/三方庫加載;
- 延遲執(zhí)行部分業(yè)務(wù)邏輯和 UI 配置;
- 延遲加載/懶加載部分視圖;
- 避免首屏加載時(shí)大量的本地/網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀??;
- 在 release 包中移除 NSLog 打??;
- 在視覺可接受的范圍內(nèi),壓縮頁面中的圖片大??;
- ……
如果首屏為 H5 頁面,針對它的優(yōu)化,參考 VasSonic 的原理,可以從這幾個(gè)角度入手:
-
終端耗時(shí)
- webView 預(yù)加載:在 App 啟動(dòng)時(shí)期預(yù)先加載了一次 webView,通過創(chuàng)建空的 webView,預(yù)先啟動(dòng) Web 線程,完成一些全局性的初始化工作,對二次創(chuàng)建 webView 能有數(shù)百毫秒的提升。
-
頁面耗時(shí)(靜態(tài)頁面)
- 靜態(tài)直出:服務(wù)端拉取數(shù)據(jù)后通過 Node.js 進(jìn)行渲染,生成包含首屏數(shù)據(jù)的 HTML 文件,發(fā)布到 CDN 上,webView 直接從 CDN 上獲取;
- 離線預(yù)推:使用離線包。
-
頁面耗時(shí)(經(jīng)常需要?jiǎng)討B(tài)更新的頁面)
- 并行加載:WebView 的打開和資源的請求并行;
- 動(dòng)態(tài)緩存:動(dòng)態(tài)頁面緩存在客戶端,用戶下次打開的時(shí)候先打開緩存頁面,然后再刷新;
- 動(dòng)靜分離:將頁面分為靜態(tài)模板和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),根據(jù)不同的啟動(dòng)場景進(jìn)行不同的刷新方案;
- 預(yù)加載:提前拉取需要的增量更新數(shù)據(jù)。
小結(jié)
隨著業(yè)務(wù)的增長,App 中的模塊越來越多,冷啟動(dòng)的時(shí)間也必不可少地增加。冷啟動(dòng)本就是一個(gè)比較復(fù)雜的流程,它的優(yōu)化沒有固定的公式,我們需要結(jié)合業(yè)務(wù),配合一些性能分析工具和線上監(jiān)控日志,有耐心、多維度地進(jìn)行分析和解決。
參考鏈接:
WWDC2016: Optimizing App Startup Time
WWDC2017: App Startup Time: Past, Present, and Future
優(yōu)化 App 的啟動(dòng)時(shí)間
今日頭條 iOS 客戶端啟動(dòng)速度優(yōu)化
VasSonic 源碼