标签： iOS开发， 程序员 ，架构师 ，性能优化

前言
*近由于体验感觉我们的app启动时间过长，因此做了APP的启动优化。本次优化主要从三个方面来做了启动时间的优化，main之后的耗时方法优化、premain的+load方法优化、二进制重排优化premain时间。

通常我们对于启动时间的定义为从用户点击app到看到首屏的时间。因此对于启动时间优化就是遵循一个原则：尽早让用户看到首页内容。

app启动过程
iOS应用的启动可分为pre-main阶段和main()阶段，pre-main阶段为main函数执行之前所做的操作，main阶段为main函数到首页展示阶段。其中系统做的事情为：

premain
加载所有依赖的Mach-O文件（递归调用Mach-O加载的方法）
加载动态链接库加载器dyld（dynamic loader）
定位内部、外部指针引用，例如字符串、函数等
加载类扩展（Category）中的方法
C++静态对象加载、调用ObjC的 +load 函数
执行声明为attribute((constructor))的C函数
main
调用main()
调用UIApplicationMain()
调用applicationWillFinishLaunching
通常的premain阶段优化即为删减无用的类方法、减少+load操作、减少attribute((constructor))的C函数、减少启动加载的动态库。而main阶段的优化为将启动时非必要的操作延迟到首页显示之后加载、统计并优化耗时的方法、对于一些可以放在子线程的操作可以尽量不占用主线程。

 

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一、耗时方法优化
1.统计启动时的耗时方法
我们可以通过Instruments的TimeProfile来统计启动时的主要方法耗时，Call Tree->Hide System Libraries过滤掉系统库可以查看主线程下方法的耗时。

也可以通过打印时间的方式来统计各个函数的耗时。

 

double launchTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();[SDWebImageManager sharedManager];
NSLog(@”launchTime = %f秒”, CFAbsoluteTimeGetCurrent() – launchTime);
复制代码

这一阶段就是需要对启动过程的业务逻辑进行梳理，确认哪些是可以延迟加载的，哪些可以放在子线程加载，以及哪些是可以懒加载处理的。同时对耗时比较严重的方法进行review并提出优化策略进行优化。

二、+load方法优化以及删减不用的类
2.1 +load方法统计
同样的我们可以通过Instruments来统计启动时所有的+load方法，以及+load方法所用耗时

我们可以对不必要的+load方法进行优化，比如放在+initialize里。不必要的+load进行删减。

 

2.2 使用__attribute优化+load方法
由于在我们的工程中存在很多的+load方法，而其中一大部分为cell模板注册的+load方法(我们的每一个cell对应一个模板，然后该模板对应一个字符串，在启动时所有的模板方法都在+load中注册对应的字符串即在字典中存储字符串和对应的cell模板，然后动态下发展示对应的cell)。

即存在这种场景，在启动时需要大量的在+load中注册key-value。

此时可以使用__attribute((used, section(“__DATA,”#sectname” “)))的方式在编译时写入”TempSection”的DATA段一个字符串。此字符串为key:value格式的字典转json。对应着key和value。

#ifndef ZYStoreListTemplateSectionName
#define ZYStoreListTemplateSectionName “ZYTempSection”
#endif

#define ZYStoreListTemplateDATA(sectname) __attribute((used, section(“__DATA,”#sectname” “)))

#define ZYStoreListTemplateRegister(templatename,templateclass) \
class NSObject; char * k##templatename##_register ZYStoreListTemplateDATA(ZYTempSection) = “{ \””#templatename”\” : \””#templateclass”\”}”;
/**
通过ZYStoreListTemplateRegister(key,classname)注册处理模板的类名(类必须是ZYStoreListBaseTemplate子类)
【注意事项】
该方式通过__attribute属性在编译期间绑定注册信息，运行时读取速度快，注册信息在首次触发调用时读取，不影响pre-main时间
该方式注册时‘key’字段中不支持除下划线’_’以外的符号
【使用示例】
注册处理模板的类名：@ZYStoreListTemplateRegister(baseTemp,ZYStoreListBaseTemplate)
**/
复制代码

在使用时@ZYStoreListTemplateRegister(baseTemp,ZYStoreListBaseTemplate)即为在编译期间绑定注册信息。

读取使用__attribute在编译期间写入的key-value字符串。 关于__attribute详情可以参考__attribute黑魔法

#pragma mark – *次使用时读取ZYStoreListTemplateSectionName的__DATA所有数据
+ (void)readTemplateDataFromMachO {
//1.根据符号找到所在的mach-o文件信息
Dl_info info;
dladdr((__bridge void *)[self class], &info);

//2.读取__DATA中自定义的ZYStoreListTemplateSectionName数据
#ifndef __LP64__
const struct mach_header *mhp = (struct mach_header*)info.dli_fbase;
unsigned long templateSize = 0;
uint32_t *templateMemory = (uint32_t*)getsectiondata(mhp, “__DATA”, ZYStoreListTemplateSectionName, &templateSize);
#else /* defined(__LP64__) */
const struct mach_header_64 *mhp = (struct mach_header_64*)info.dli_fbase;
unsigned long templateSize = 0;
uint64_t *templateMemory = (uint64_t*)getsectiondata(mhp, “__DATA”, ZYStoreListTemplateSectionName, &templateSize);

#endif /* defined(__LP64__) */

//3.遍历ZYStoreListTemplateSectionName中的协议数据
unsigned long counter = templateSize/sizeof(void*);
for(int idx = 0; idx < counter; ++idx){
char *string = (char*)templateMemory[idx];
NSString *str = [NSString stringWithUTF8String:string];
if(!str)continue;

//NSLog(@”config = %@”, str);
NSData *jsonData = [str dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
NSError *error = nil;
id json = [NSJSONSerialization JSONObjectWithData:jsonData options:0 error:&error];
if (!error) {
if ([json isKindOfClass:[NSDictionary class]] && [json allKeys].count) {
NSString *templatesName = [json allKeys][0];
NSString *templatesClass = [json allValues][0];
if (templatesName && templatesClass) {
[self registerTemplateName:templatesName templateClass:NSClassFromString(templatesClass)];
}
}
}
}
}
复制代码

这样我们就可以优化大量的重复+load方法。而且使用__attribute属性为编译期间绑定注册信息，运行时读取速度快，注册信息在首次触发调用时读取，不影响pre-main时间。

三、二进制重排
自从抖音团队分享了这篇 抖音研发实践：基于二进制文件重排的解决方案 APP启动速度提升超15% 启动优化文章后 , 二进制重排优化 pre-main 阶段的启动时间自此被大家广为流传。

当进程访问一个虚拟内存Page而对应的物理内存却不存在时，会触发一次 缺页中断（Page Fault）。

二进制重排，主要是优化我们启动时需要的函数非常分散在各个页，启动时就会多次Page Fault造成时间的损耗。

3.1 获取Order File
本次主要是通过Clang静态插桩的方式，获取到所有的启动时调用的函数符号，导出为OrderFile。

Target -> Build Setting -> Custom Complier Flags -> Other C Flags添加 -fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard参数

然后实现hook代码获取所有启动的函数符号。启动后在首页显示之后，可以通过触发下边-getAllSymbols方法获取所有符号。

#import “dlfcn.h”
#import <libkern/OSAtomic.h>
复制代码

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
uint32_t *stop) {
static uint64_t N; // Counter for the guards.
if (start == stop || *start) return; // Initialize only once.
printf(“INIT: %p %p\n”, start, stop);
for (uint32_t *x = start; x < stop; x++)
*x = ++N; // Guards should start from 1.
}

//原子队列
static OSQueueHead symboList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
static BOOL isEnd = NO;
//定义符号结构体
typedef struct{
void * pc;
void * next;
}SymbolNode;

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
//if (!*guard) return; // Duplicate the guard check.
if (isEnd) {
return;
}
void *PC = __builtin_return_address(0);

SymbolNode * node = malloc(sizeof(SymbolNode));
*node = (SymbolNode){PC,NULL};

//入队
// offsetof 用在这里是为了入队添加下一个节点找到 前一个节点next指针的位置
OSAtomicEnqueue(&symboList, node, offsetof(SymbolNode, next));
}

– (void)getAllSymbols {
isEnd = YES;
NSMutableArray<NSString *> * symbolNames = [NSMutableArray array];
while (true) {
//offsetof 就是针对某个结构体找到某个属性相对这个结构体的偏移量
SymbolNode * node = OSAtomicDequeue(&symboList, offsetof(SymbolNode, next));
if (node == NULL) break;
Dl_info info;
dladdr(node->pc, &info);

NSString * name = @(info.dli_sname);

// 添加 _
BOOL isObjc = [name hasPrefix:@”+[“] || [name hasPrefix:@”-[“];
NSString * symbolName = isObjc ? name : [@”_” stringByAppendingString:name];

//去重
if (![symbolNames containsObject:symbolName]) {
[symbolNames addObject:symbolName];
}
}

//取反
NSArray * symbolAry = [[symbolNames reverseObjectEnumerator] allObjects];
NSLog(@”%@”,symbolAry);

//将结果写入到文件
NSString * funcString = [symbolAry componentsJoinedByString:@”\n”];
NSString * filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@”linkSymbols.order”];
NSData * fileContents = [funcString dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
BOOL result = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
if (result) {
NSLog(@”linkSymbol result %@”,filePath);
}else{
NSLog(@”linkSymbol result文件写入出错”);
}
}

由于我们的工程为pod工程，如果只在主工程里添加other c flags只能获取到主工程层下的所有启动函数，如果要获取所有的包含依赖pod中启动函数符号则需要在每一个pod target设置other c flags参数。

我们可以通过添加pod脚本来对每一个target添加other c flags参数。

在podfile*后添加脚本来为每一个target添加编译参数。注意可以过滤掉Debug环境才加载的库。

post_install do |installer|
pods_project = installer.pods_project
build_settings = Hash[
‘OTHER_CFLAGS’ => ‘-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard’
# ,’OTHER_SWIFT_FLAGS’ => ‘-sanitize=undefined -sanitize-coverage=func’
]

pods_project.targets.each do |target|
# if !target.name.include?(‘Pods-‘)
if !target.name.include?(‘Pods-‘) and target.name != ‘LookinServer’ and target.name != ‘DoraemonKit’ and target.name != ‘DoraemonKit-DoraemonKit’
# 修改build_settings
target.build_configurations.each do |config|
build_settings.each do |pair|
key = pair[0]
value = pair[1]
if config.build_settings[key].nil?
config.build_settings[key] = [”]
end
if !config.build_settings[key].include?(value)
config.build_settings[key] << value
end
end
end

puts ‘[Other C Flags]: ‘ + target.name + ‘ success.’
end
end
end

重新install之后所有的pod target都会添加上other c flags参数。然后就可以获取到所有的函数符号(注意如果是二进制库则还是会获取不到)。

3.1 设置Order File
通过objc的源码可以看到objc也是通过设置order file设置编译顺序的。

我们可以在主工程的Target -> Build Setting -> Linking -> Order File添加上述步骤导出的函数符号列表linkSymbols.order。

$(SRCROOT)/linkSymbols.order 这里可以根据根目录路径然后寻找，不必把orderfile添加到工程bundle里。如果添加到工程里则会被打包到ipa里。我们可以只是放在工程文件夹下，只在编译的时候根据路径引用就可以了。

设置完orderfile之后我们可以通过设置write link map file属性为YES来找到编译时生成的符号($Project)-LinkMap-normal-arm64.txt。 修改完毕后 clean 一下 , 运行工程 , Products – show in finder, 找到 macho 的上上层目录。 找到结尾为arm64.txt的文件并打开。

Intermediates -> project_ios.build -> Debug-iphoneos -> project_ios.build -> project_ios-LinkMap-normal-arm64.txt

($Project)-LinkMap-normal-arm64.txt文件里在#Symbols之后为函数符号链接的顺序，可以验证一下重排是否成功。

*后可以看一下我们重排之后的效果,Instruments下System Trace下Page Fault的次数和耗时:

总结
*后在看一下本次优化的效果。图中为iPhone6s Plus重启后*次启动的优化前后截屏。