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iOS启动优化思路

3星期前

随着App业务不断地增加,也迭代了不少的版本,功能不断的完善,跟着而来的是用户对手机性能体验的不断提高。如果要想讲述App启动优化,一定要知道启动发生了什么事情!下面将讲述如何优化?

下面会先讲述Mach-O和Dyld的常识,否则一上来就讲述优化,有点不切实际,要将原理理解清楚最好

一、MachO文件

在讲述启动优化之前,先讲述MachO文件!

1. 概述

Mach-O是Mach Object文件格式的缩写,iOS以及Mac上可执行的文件格式,类似Window的exe格式,Linux上的elf格式。Mach-O是一个可执行文件、动态库以及目标代码的文件格式,是a.out格式的替代,提供了更高更强的扩展性。

2. 常见格式

Mach-O常见格式如下:

  • 目标文件 .o
  • 库文件
  1. .a
  2. .dylib
  3. .framework
  • 可执行文件
  • dyld
  • .dsym

  通过file文件路径查看文件类型

2.1目标文件.o

通过test.c 文件,可以使用clang命令将其编译成目标文件.o

我们再通过file命令(如下)查看文件类型

是个Mach-O文件。

2.2 dylib

通过cd /usr/lib命令查看dylib

通过file命令查看文件类型

3. 通用二进制文件

通用二进制文件是苹果自身发明的,基本内容如下

下面通过指令查看Macho文件来看下通用二进制文件

然后通过file指令查看文件类型

上面该MachO文件包含了3个架构分别是arm v7,arm v7s 以及arm 64 。

针对该MachO文件我们做几个操作,利用lipo命令拆分合并架构

3.1 利用lipo-info查看MachO文件架构

3.2 瘦身MachO文件,拆分

查看一下结果如下,多出来一个新建的MachO_armv7

3.3 增加架构,合并

利用lipo -create 合并多种架构

整理出lipo命令如下:

4. Mach-O文件结构

下面是苹果官方图解释MachO文件结构图

MachO文件的组成结构如上,看包括了三个部分

  • Header包含了该二进制文件的一般信息,信息如下:
  1. 字节顺序、加载指令的数量以及架构类型
  2. 快速的确定一些信息,比如当前文件是32位或者64位,对应的文件类型和处理器是什么
  • Load commands 包含很多内容的表

      包括区域的位置、动态符号表以及符号表等

  • Data一般是对象文件的最大部分

      一般包含Segement具体数据

4.1 header的数据结构

在项目代码中,按下Command+ 空格,然后输入loader.h 查看loader .h,找到mach_header

上面是mach_header,对应结构体的意义如下

通过MachOView查看Mach64 Header头部信息

4.2 LoadCommands

LoadCommand包含了很多内容的表,通过MachOView查看LoadCommand的信息,图如下:

但是大家看的可能并不了解内容,下面有图进行注解,可以看下主要的意思

4.3 Data

Data包含Segement,存储具体数据,通过MachOView查看,地址映射内容

二、Dyld

2.1 dyld概述

dyld(the dynamic link editor)是苹果动态链接器,是苹果系统一个重要的组成部分,系统内核做好准备工作之后,剩下的就会交给了dyld。系统会先读取App的可执行性文件(MachO)从里面获取dyld的路径,然后加载dyld,dyld去初始化运行环境,开启缓存策略,加载程序相关的依赖库【包括可执行文件】,并对这些库进行链接,最后调用每个依赖库的初始化方法,在这一步,runtime被初始化。当所有依赖库的初始化后,轮到最后一位【程序的可执行性文件】进行初始化,在这时runtime会对项目中所有类进行类结构初始化,然后调用所有的load方法。最后dyld返回函数地址,main函数被调用,便来到了熟悉的程序入口。

2.2 dyld加载过程

程序的入口一般都是在main函数中,但是比较少的人关心main()函数之前发生了什么?这次我们先探索dyld的加载过程。(但是比在main函数之前,load方法就在main函数之前)

2.2.1 新建项目,在main函数下断点

main()之前有个libdyld.dylib start入口,但是不是我们想要的,根据dyld源码找到__dyld_start函数

2.2.2 dyld main函数

dyld main()函数是关键函数,下面是函数实现内容。(此时的main实现函数和程序App的main 函数是不一样的,因为dyld也是一个可执行文件,也是具有main函数的)

//
// Entry point for dyld.  The kernel loads dyld and jumps to __dyld_start which
// sets up some registers and call this function.
//
// Returns address of main() in target program which __dyld_start jumps to
//
uintptr_t
_main(const macho_header* mainExecutableMH, uintptr_t mainExecutableSlide, 
        int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[], 
        uintptr_t* startGlue)
{
    // Grab the cdHash of the main executable from the environment
    // 第一步,设置运行环境
    uint8_t mainExecutableCDHashBuffer[20];
    const uint8_t* mainExecutableCDHash = nullptr;
    if ( hexToBytes(_simple_getenv(apple, "executable_cdhash"), 40, mainExecutableCDHashBuffer) )
        // 获取主程序的hash
        mainExecutableCDHash = mainExecutableCDHashBuffer;

    // Trace dyld's load
    notifyKernelAboutImage((macho_header*)&__dso_handle, _simple_getenv(apple, "dyld_file"));
#if !TARGET_IPHONE_SIMULATOR
    // Trace the main executable's load
    notifyKernelAboutImage(mainExecutableMH, _simple_getenv(apple, "executable_file"));
#endif

    uintptr_t result = 0;
    // 获取主程序的macho_header结构
    sMainExecutableMachHeader = mainExecutableMH;
    // 获取主程序的slide值
    sMainExecutableSlide = mainExecutableSlide;

    CRSetCrashLogMessage("dyld: launch started");
    // 设置上下文信息
    setContext(mainExecutableMH, argc, argv, envp, apple);

    // Pickup the pointer to the exec path.
    // 获取主程序路径
    sExecPath = _simple_getenv(apple, "executable_path");

    // <rdar://problem/13868260> Remove interim apple[0] transition code from dyld
    if (!sExecPath) sExecPath = apple[0];

    if ( sExecPath[0] != '/' ) {
        // have relative path, use cwd to make absolute
        char cwdbuff[MAXPATHLEN];
        if ( getcwd(cwdbuff, MAXPATHLEN) != NULL ) {
            // maybe use static buffer to avoid calling malloc so early...
            char* s = new char[strlen(cwdbuff) + strlen(sExecPath) + 2];
            strcpy(s, cwdbuff);
            strcat(s, "/");
            strcat(s, sExecPath);
            sExecPath = s;
        }
    }

    // Remember short name of process for later logging
    // 获取进程名称
    sExecShortName = ::strrchr(sExecPath, '/');
    if ( sExecShortName != NULL )
        ++sExecShortName;
    else
        sExecShortName = sExecPath;

    // 配置进程受限模式
    configureProcessRestrictions(mainExecutableMH);

    // 检测环境变量
    checkEnvironmentVariables(envp);
    defaultUninitializedFallbackPaths(envp);

    // 如果设置了DYLD_PRINT_OPTS则调用printOptions()打印参数
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_OPTS )
        printOptions(argv);
    // 如果设置了DYLD_PRINT_ENV则调用printEnvironmentVariables()打印环境变量
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_ENV ) 
        printEnvironmentVariables(envp);
    // 获取当前程序架构
    getHostInfo(mainExecutableMH, mainExecutableSlide);
    //-------------第一步结束-------------

    // load shared cache
    // 第二步,加载共享缓存
    // 检查共享缓存是否开启,iOS必须开启
    checkSharedRegionDisable((mach_header*)mainExecutableMH);
    if ( gLinkContext.sharedRegionMode != ImageLoader::kDontUseSharedRegion ) {
        mapSharedCache();
    }
    ...

    try {
        // add dyld itself to UUID list
        addDyldImageToUUIDList();

        // instantiate ImageLoader for main executable
        // 第三步 实例化主程序
        sMainExecutable = instantiateFromLoadedImage(mainExecutableMH, mainExecutableSlide, sExecPath);
        gLinkContext.mainExecutable = sMainExecutable;
        gLinkContext.mainExecutableCodeSigned = hasCodeSignatureLoadCommand(mainExecutableMH);

        // Now that shared cache is loaded, setup an versioned dylib overrides
    #if SUPPORT_VERSIONED_PATHS
        checkVersionedPaths();
    #endif

        // dyld_all_image_infos image list does not contain dyld
        // add it as dyldPath field in dyld_all_image_infos
        // for simulator, dyld_sim is in image list, need host dyld added
#if TARGET_IPHONE_SIMULATOR
        // get path of host dyld from table of syscall vectors in host dyld
        void* addressInDyld = gSyscallHelpers;
#else
        // get path of dyld itself
        void*  addressInDyld = (void*)&__dso_handle;
#endif
        char dyldPathBuffer[MAXPATHLEN+1];
        int len = proc_regionfilename(getpid(), (uint64_t)(long)addressInDyld, dyldPathBuffer, MAXPATHLEN);
        if ( len > 0 ) {
            dyldPathBuffer[len] = '\0'; // proc_regionfilename() does not zero terminate returned string
            if ( strcmp(dyldPathBuffer, gProcessInfo->dyldPath) != 0 )
                gProcessInfo->dyldPath = strdup(dyldPathBuffer);
        }

        // load any inserted libraries
        // 第四步 加载插入的动态库
        if  ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL ) {
            for (const char* const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES; *lib != NULL; ++lib)
                loadInsertedDylib(*lib);
        }
        // record count of inserted libraries so that a flat search will look at 
        // inserted libraries, then main, then others.
        // 记录插入的动态库数量
        sInsertedDylibCount = sAllImages.size()-1;

        // link main executable
        // 第五步 链接主程序
        gLinkContext.linkingMainExecutable = true;
#if SUPPORT_ACCELERATE_TABLES
        if ( mainExcutableAlreadyRebased ) {
            // previous link() on main executable has already adjusted its internal pointers for ASLR
            // work around that by rebasing by inverse amount
            sMainExecutable->rebase(gLinkContext, -mainExecutableSlide);
        }
#endif
        link(sMainExecutable, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
        sMainExecutable->setNeverUnloadRecursive();
        if ( sMainExecutable->forceFlat() ) {
            gLinkContext.bindFlat = true;
            gLinkContext.prebindUsage = ImageLoader::kUseNoPrebinding;
        }

        // link any inserted libraries
        // do this after linking main executable so that any dylibs pulled in by inserted 
        // dylibs (e.g. libSystem) will not be in front of dylibs the program uses
        // 第六步 链接插入的动态库
        if ( sInsertedDylibCount > 0 ) {
            for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
                ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
                link(image, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
                image->setNeverUnloadRecursive();
            }
            // only INSERTED libraries can interpose
            // register interposing info after all inserted libraries are bound so chaining works
            for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
                ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
                image->registerInterposing();
            }
        }

        // <rdar://problem/19315404> dyld should support interposition even without DYLD_INSERT_LIBRARIES
        for (long i=sInsertedDylibCount+1; i < sAllImages.size(); ++i) {
            ImageLoader* image = sAllImages[i];
            if ( image->inSharedCache() )
                continue;
            image->registerInterposing();
        }
        ...

        // apply interposing to initial set of images
        for(int i=0; i < sImageRoots.size(); ++i) {
            sImageRoots[i]->applyInterposing(gLinkContext);
        }
        gLinkContext.linkingMainExecutable = false;

        // <rdar://problem/12186933> do weak binding only after all inserted images linked
        // 第七步 执行弱符号绑定
        sMainExecutable->weakBind(gLinkContext);

        // If cache has branch island dylibs, tell debugger about them
        if ( (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress != NULL) && (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.mappingOffset >= 0x78) && (sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsOffset != 0) ) {
            uint32_t count = sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsCount;
            dyld_image_info info[count];
            const uint64_t* poolAddress = (uint64_t*)((char*)sSharedCacheLoadInfo.loadAddress + sSharedCacheLoadInfo.loadAddress->header.branchPoolsOffset);
            // <rdar://problem/20799203> empty branch pools can be in development cache
            if ( ((mach_header*)poolAddress)->magic == sMainExecutableMachHeader->magic ) {
                for (int poolIndex=0; poolIndex < count; ++poolIndex) {
                    uint64_t poolAddr = poolAddress[poolIndex] + sSharedCacheLoadInfo.slide;
                    info[poolIndex].imageLoadAddress = (mach_header*)(long)poolAddr;
                    info[poolIndex].imageFilePath = "dyld_shared_cache_branch_islands";
                    info[poolIndex].imageFileModDate = 0;
                }
                // add to all_images list
                addImagesToAllImages(count, info);
                // tell gdb about new branch island images
                gProcessInfo->notification(dyld_image_adding, count, info);
            }
        }

        CRSetCrashLogMessage("dyld: launch, running initializers");
        ...
        // run all initializers
        // 第八步 执行初始化方法
        initializeMainExecutable(); 

        // notify any montoring proccesses that this process is about to enter main()
        dyld3::kdebug_trace_dyld_signpost(DBG_DYLD_SIGNPOST_START_MAIN_DYLD2, 0, 0);
        notifyMonitoringDyldMain();

        // find entry point for main executable
        // 第九步 查找入口点并返回
        result = (uintptr_t)sMainExecutable->getThreadPC();
        if ( result != 0 ) {
            // main executable uses LC_MAIN, needs to return to glue in libdyld.dylib
            if ( (gLibSystemHelpers != NULL) && (gLibSystemHelpers->version >= 9) )
                *startGlue = (uintptr_t)gLibSystemHelpers->startGlueToCallExit;
            else
                halt("libdyld.dylib support not present for LC_MAIN");
        }
        else {
            // main executable uses LC_UNIXTHREAD, dyld needs to let "start" in program set up for main()
            result = (uintptr_t)sMainExecutable->getMain();
            *startGlue = 0;
        }
    }
    catch(const char* message) {
        syncAllImages();
        halt(message);
    }
    catch(...) {
        dyld::log("dyld: launch failed\n");
    }
    ...

    return result;
}
复制代码

折叠开dyld main函数,步骤总结如下

上面仅仅是自身的抽出来的。下面再画一张流程图,帮助大家理解。

讲述了MachO文件和Dyld动态链接库知识后,开始进入到今天的真正主题-启动优化

三、iOS启动流程

App总启动时间 = pre-main耗时 + main耗时

iOS程序的启动可分为pre-main()阶段和main()阶段。

  • pre-main阶段
  1. 通过递归调用加载所有依赖的Mach-O文件
  2. 加载动态链接库dyld
  3. 加载类扩展方法【Category】
  4. 调用objc的load函数,c++静态对象加载
  5. 执行声明attribute(constructor)函数

如下图:

  • main
  1. 调用main()
  2. 调用UIApplicationMain()
  3. 调用applicationWillFinishLaunching

四、启动优化

4.1 pre-main阶段优化

通过上面的Dyld的讲述,了解到可以从如下地方优化pre-main阶段

  • 删除无用的代码【未被使用的静态变量、类与方法】- 使用AppCode【对工程进行扫描,百度可以直接搜索Appcode,在这不做讲述】
  1. 未使用的本地变量
  2. 未使用的参数
  3. 为使用的值
  • +load方法优化

+load方法做的事情延迟到+initialize中,或者在+load方法中不要做耗时的操作,删除不必要的load方法

我们可以Xcode工具Instrument来统计启动所有的+load方法,以及耗时时间。

下面有一张更能反映的图:

那么可以通过什么方式来优化+load方法呢? - 通过__attribute优化+load方法

因为工程项目中存在很多的load方法,而一大部分是针对cell的,每一个cell对应着一个模板,而每一个模板对应着一个字符串。类似于字典的key-value方式。

此时可以尝试使用上面Mach-O文件结构中的Data段,使用attribute((used, section("DATA,"#sectname" ")))的方式在编译的时候写入"TempSection"的DATA段一个字符串。而这个字符串为key:value格式的字典转json分别对应着key和value。

#ifndef ZXYStoreListTemplateSectionName#define ZXYStoreListTemplateSectionName "ZYTempSection"#endif

#define ZXYStoreListTemplateDATA(sectname) __attribute((used, section("__DATA,"#sectname" ")))

#define ZXYStoreListTemplateRegister(templatename,templateclass) \
class NSObject; char * k##templatename##_register ZXYStoreListTemplateDATA(ZXYTempSection) = "{ \""#templatename"\" : \""#templateclass"\"}";
/**
通过ZXYStoreListTemplateRegister(key,classname)注册处理模板的类名(类必须是ZXYStoreListBaseTemplate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

这样就可以优化大量的重复+load方法。并且使用__attribute属性为编译期间绑定注册信息,到了运行时读取速度快的优点,注册信息在首次触发调用时读取,不会影响pre-main时间。

  • 减少不必要的framework【优化存在的framework】

 

对于pre-main阶段,抖音分享了二进制重排的方案,可以帮助提升启动速度15%,二进制重排的方案就不说了,可以参考文章mp.weixin.qq.com/s/Drmmx5Jtj…juejin.im/post/684490…

4.2 main阶段优化

这一阶段主要是main函数开始到第一个界面渲染完成这段时间,优化出发点就是减少main函数开始到第一个界面出现的时间。

4.2.1 didFinishLaunchingWithOptions

  1. 配置App需要的环境
  2. 第三方SDK的集成【推送,卖点、支付等】
  3. 日志等

有时候可以采用懒加载操作,以及采取异步的方式加载方法,防止串行操作耗时。

可以通过Instruments的TimeProfile来统计启动的耗时的操作 ,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来判断函数的耗时操作

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

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。

4.2.2 首页的优化

  • 很多App启动并不是一下子并不是直接进入首页,而是需要向用户展示一小段的闪屏页。因为当一个App比较复杂的时候,启动时首次构建App的UI就是一个比较耗时的过程,假定这个时间是0.3秒,如果我们是先构建首页UI,然后再在Window上加上这个闪屏页,那么冷启动时,App就会实实在在地卡住0.2秒,但是如果我们是先把闪屏页作为App的RootViewController,那么这个构建过程就会很快。因为闪屏页只有一个简单的ImageView,而这个ImageView则会向用户展示一小段时间,这时我们就可以利用这一段时间来构建首页UI了,一举两得。如下图:
  • 不使用xib或者storyboard,直接使用代码
  • 对于viewDidLoad以及viewWillAppear方法中尽量少做,晚做或者用异步的方式去做

本文更多是从优化的方法理论上阐述优化过程,后期遇到好的方法方式会继续更新进去的。共勉!!!

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