深化了解 iOS App 的发动进程

前语

发动时刻是衡量运用质量的重要目标。

本文首先会从原理上动身,解说iOS体系是怎么发动App的,然后从main函数之前和main函数之后两个视点去剖析怎么优化发动时刻。

预备常识

Mach-O

哪些名词指的是Mach-o

  • Executable 可履行文件
  • Dylib 动态库
  • Bundle 无法被衔接的动态库,只能经过dlopen()加载
  • Image 指的是Executable,Dylib或许Bundle的一种,文中会屡次运用Image这个名词。
  • Framework 动态库和对应的头文件和资源文件的调集

Apple出品的操作体系的可履行文件格局简直都是mach-o,iOS当然也不破例。

mach-o能够大致的分为三部分:

  • Header 头部,包含能够履行的CPU架构,比方x86,arm64
  • Load commands 加载指令,包含文件的安排架构和在虚拟内存中的布局办法
  • Data,数据,包含load commands中需求的各个段(segment)的数据,每一个Segment都得巨细是Page的整数倍。

咱们用MachOView翻开Demo工程的能够履行文件,来验证下mach-o的文件布局:

图中剖析的mach-o文件来历于PullToRefreshKit,这是一个纯Swift的编写的工程。

那么Data部分又包含哪些segment呢?绝大多数mach-o包含以下三个段(支撑用户自界说Segment,可是很少运用)

  • __TEXT 代码段,只读,包含函数,和只读的字符串,上图中相似__TEXT,__text的都是代码段
  • __DATA 数据段,读写,包含可读写的大局变量等,上图相似中的__DATA,__data都是数据段
  • __LINKEDIT __LINKEDIT包含了办法和变量的元数据(方位,偏移量),以及代码签名等信息。

关于mach-o更多细节,能够看看文档:《Mac OS X ABI Mach-O File Format Reference》。

dyld

dyld的全称是dynamic loader,它的作用是加载一个进程所需求的image,dyld是开源的。

Virtual Memory

虚拟内存是在物理内存上树立的一个逻辑地址空间,它向上(运用)供给了一个接连的逻辑地址空间,向下躲藏了物理内存的细节。
虚拟内存使得逻辑地址能够没有实践的物理地址,也能够让多个逻辑地址对应到一个物理地址。
虚拟内存被区分为一个个巨细相同的Page(64位体系上是16KB),进步办理和读写的功率。 Page又分为只读和读写的Page。

虚拟内存是树立在物理内存和进程之间的中间层。在iOS上,当内存不足的时分,会测验开释那些只读的Page,由于只读的Page在下次被拜访的时分,能够再从磁盘读取。假如没有可用内存,会告诉在后台的App(也便是在这个时分收到了memory warning),假如在这之后依然没有可用内存,则会杀死在后台的App。

Page fault

在运用履行的时分,它被分配的逻辑地址空间都是能够拜访的,当运用拜访一个逻辑Page,而在对应的物理内存中并不存在的时分,这时分就发作了一次Page fault。当Page fault发作的时分,会中止当时的程序,在物理内存中寻觅一个可用的Page,然后从磁盘中读取数据到物理内存,接着持续履行当时程序。

Dirty Page & Clean Page

  • 假如一个Page能够从磁盘上从头生成,那么这个Page称为Clean Page
  • 假如一个Page包含了进程相关信息,那么这个Page称为Dirty Page

像代码段这种只读的Page便是Clean Page。而像数据段(_DATA)这种读写的Page,当写数据发作的时分,会触发COW(Copy on write),也便是写时仿制,Page会被标记成Dirty,一起会被仿制。

想要了解更多细节,能够阅览文档:Memory Usage Performance Guidelines

发动进程

运用dyld2发动运用的进程如图:

大致的进程如下:

加载dyld到App进程 
加载动态库(包含所依靠的全部动态库) 
Rebase 
Bind 
初始化Objective C Runtime 
其它的初始化代码

加载动态库

dyld会首先读取mach-o文件的Header和load commands。 
接着就知道了这个可履行文件依靠的动态库。例如加载动态库A到内存,接着查看A所依靠的动态库,就这样的递归加载,直到全部的动态库加载完毕。一般一个App所依靠的动态库在100-400个左右,其间大多数都是体系的动态库,它们会被缓存到dyld shared cache,这样读取的功率会很高。

查看mach-o文件所依靠的动态库,能够经过MachOView的图形化界面(打开Load Command就能看到),也能够经过指令行otool。

192:Desktop Leo$ otool -L demo 
demo:
    @rpath/PullToRefreshKit.framework/PullToRefreshKit (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Foundation (compatibility version 300.0.0, current version 1444.12.0)
    /usr/lib/libobjc.A.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 228.0.0)
    @rpath/libswiftCore.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 900.0.65)
    @rpath/libswiftCoreAudio.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 900.0.65)
    //...

Rebase && Bind

这儿先来讲讲为什么要Rebase?

有两种首要的技能来确保运用的安全:ASLR和Code Sign。

ASLR的全称是Address space layout randomization,翻译过来便是“地址空间布局随机化”。App被发动的时分,程序会被影射到逻辑的地址空间,这个逻辑的地址空间有一个开端地址,而ASLR技能使得这个开端地址是随机的。假如是固定的,那么黑客很简单就能够由开端地址+偏移量找到函数的地址。

Code Sign信任大多数开发者都知晓,这儿要提一点的是,在进行Code sign的时分,加密哈希不是针关于整个文件,而是针关于每一个Page的。这就确保了在dyld进行加载的时分,能够对每一个page进行独立的验证。

mach-o中有许多符号,有指向当时mach-o的,也有指向其他dylib的,比方printf。那么,在运行时,代码怎么精确的找到printf的地址呢?

mach-o中采用了PIC技能,全称是Position Independ code。当你的程序要调用printf的时分,会先在__DATA段中树立一个指针指向printf,在经过这个指针完结直接调用。dyld这时分需求做一些fix-up作业,即协助运用程序找到这些符号的实践地址。首要包含两部分

  • Rebase 批改内部(指向当时mach-o文件)的指针指向
  • Bind 批改外部指针指向

之所以需求Rebase,是由于刚刚说到的ASLR使得地址随机化,导致开端地址不固定,别的由于Code Sign,导致不能直接修正Image。Rebase的时分只需求添加对应的偏移量即可。待Rebase的数据都存放在__LINKEDIT中。
能够经过MachOView查看:Dynamic Loader Info -> Rebase Info

也能够经过指令行:

192:Desktop Leo$ xcrun dyldinfo -bind demo 
bind information:
segment section          address        type    addend dylib            symbol
__DATA  __got            0x10003C038    pointer      0 PullToRefreshKit __T016PullToRefreshKit07DefaultC4LeftC9textLabelSo7UILabelCvWvd
__DATA  __got            0x10003C040    pointer      0 PullToRefreshKit __T016PullToRefreshKit07DefaultC5RightC9textLabelSo7UILabelCvWvd
__DATA  __got            0x10003C048    pointer      0 PullToRefreshKit __T016PullToRefreshKit07DefaultC6FooterC9textLabelSo7UILabelCvWvd
__DATA  __got            0x10003C050    pointer      0 PullToRefreshKit __T016PullToRefreshKit07DefaultC6HeaderC7spinnerSo23UIActivityIndicatorViewCvWvd
//...

Rebase处理了内部的符号引证问题,而外部的符号引证则是由Bind处理。在处理Bind的时分,是依据字符串匹配的办法查找符号表,所以这个进程相关于Rebase来说是略慢的。

相同,也能够经过xcrun dyldinfo来查看Bind的信息,比方咱们查看bind信息中,包含UITableView的部分:

192:Desktop Leo$ xcrun dyldinfo -bind demo | grep UITableView
__DATA  __objc_classrefs 0x100041940    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableView
__DATA  __objc_classrefs 0x1000418B0    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewCell
__DATA  __objc_data      0x100041AC0    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewController
__DATA  __objc_data      0x100041BE8    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewController
__DATA  __objc_data      0x100042348    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewController
__DATA  __objc_data      0x100042718    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewController
__DATA  __data           0x100042998    pointer      0 UIKit            _OBJC_METACLASS_$_UITableViewController
__DATA  __data           0x100042A28    pointer      0 UIKit            _OBJC_METACLASS_$_UITableViewController
__DATA  __data           0x100042F10    pointer      0 UIKit            _OBJC_METACLASS_$_UITableViewController
__DATA  __data           0x1000431A8    pointer      0 UIKit            _OBJC_METACLASS_$_UITableViewController

Objective C

Objective C是动态言语,所以在履行main函数之前,需求把类的信息注册到一个大局的Table中。一起,Objective C支撑Category,在初始化的时分,也会把Category中的办法注册到对应的类中,一起会仅有Selector,这也是为什么当你的Cagegory完结了类中同名的办法后,类中的办法会被掩盖。

别的,由于iOS开发时根据Cocoa Touch的,所以绝大多数的类开端都是体系类,所以大多数的Runtime初始化开端在Rebase和Bind中现已完结。

Initializers

接下来便是必要的初始化部分了,首要包含几部分:

  • +load办法。
  • C/C++静态初始化目标和标记为__attribute__(constructor)的办法

这儿要提一点的便是,+load办法现已被弃用了,假如你用Swift开发,你会发现底子无法去写这样一个办法,官方的主张是有用initialize。差异便是,load是在类装载的时分履行,而initialize是在类第一次收到message前调用。

dylD3

上文的解说是dyld2的加载办法。而最新的是dyld3加载办法略有不同:

dyld2是朴实的in-process,也便是在程序进程内履行的,也就意味着只要当运用程序被发动的时分,dyld2才干开端履行任务。

dyld3则是部分out-of-process,部分in-process。图中,虚线之上的部分是out-of-process的,在App下载安装和版别更新的时分会去履行,out-of-process会做如下作业:

  • 剖析Mach-o Headers
  • 剖析依靠的动态库
  • 查找需求Rebase & Bind之类的符号
  • 把上述成果写入缓存

这样,在运用发动的时分,就能够直接从缓存中读取数据,加速加载速度。

发动时刻

冷发动 VS 热发动

假如你刚刚发动过App,这时分App的发动所需求的数据依然在缓存中,再次发动的时分称为热发动。假如设备刚刚重启,然后发动App,这时分称为冷发动。

发动时刻在小于400ms是最佳的,由于从点击图标到显现Launch Screen,到Launch Screen消失这段时刻是400ms。发动时刻不能够大于20s,否则会被体系杀掉。

在Xcode中,能够经过设置环境变量来查看App的发动时刻,DYLD_PRINT_STATISTICS和DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS。

Total pre-main time:  43.00 milliseconds (100.0%)
         dylib loading time:  19.01 milliseconds (44.2%)
        rebase/binding time:   1.77 milliseconds (4.1%)
            ObjC setup time:   3.98 milliseconds (9.2%)
           initializer time:  18.17 milliseconds (42.2%)
           slowest intializers :
             libSystem.B.dylib :   2.56 milliseconds (5.9%)
   libBacktraceRecording.dylib :   3.00 milliseconds (6.9%)
    libMainThreadChecker.dylib :   8.26 milliseconds (19.2%)
                       ModelIO :   1.37 milliseconds (3.1%)

关于这个libMainThreadChecker.dylib估量许多同学会有点生疏,这是XCode 9新增的动态库,用来做主线成查看的。

优化发动时刻

发动时刻这个名词,不同的人有不同的界说。在我看来,

发动时刻是用户点击App图标,到第一个界面展现的时刻。

以main函数作为分水岭,发动时刻其实包含了两部分:main函数之前和main函数到第一个界面的viewDidAppear:。所以,优化也是从两个方面进行的,个人主张优先优化后者,由于绝大多数App的瓶颈在自己的代码里。

Main函数之后

咱们首先来剖析下,从main函数开端履行,到你的第一个界面显现,这期间一般会做哪些作业。

  • 履行AppDelegate的署理办法,首要是didFinishLaunchingWithOptions
  • 初始化Window,初始化根底的ViewController结构(一般是UINavigationController+UITabViewController)
  • 获取数据(Local DB/Network),展现给用户。

UIViewController

推迟初始化那些不必要的UIViewController。

比方网易新闻:

在发动的时分只需求初始化主页的头条页面即可。像“要闻”,“我的”等页面,则推迟加载,即发动的时分仅仅一个UIViewController作为占位符给TabController,比及用户点击了再去进行真实的数据和视图的初始化作业。

AppDelegate

一般咱们会在AppDelegate的署理办法里进行初始化作业,首要包含了两个办法:

  • didFinishLaunchingWithOptions
  • applicationDidBecomeActive

优化这些初始化的中心思维便是:

能推迟初始化的尽量推迟初始化,不能推迟初始化的尽量放到后台初始化。

这些作业首要能够分为几类:

  • 三方SDK初始化,比方Crash计算; 像共享之类的,能够比及第一次调用再出初始化。
  • 初始化某些根底服务,比方WatchDog,长途参数。
  • 发动相关日志,日志往往涉及到DB操作,一定要放到后台去做
  • 事务方初始化,这个交由每个事务自己去操控初始化时刻。

关于didFinishLaunchingWithOptions的代码,主张依照以下的办法进行区分:

@interface AppDelegate ()
//事务方需求的生命周期回调
@property (strong, nonatomic) NSArray<id<UIApplicationDelegate>> * eventQueues;
//主结构担任的生命周期回调
@property (strong, nonatomic) id<UIApplicationDelegate> basicDelegate;
@end

然后,你会得到一个十分洁净的AppDelegate文件:

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
for (id<UIApplicationDelegate> delegate in self.eventQueues) {
[delegate application:application didFinishLaunchingWithOptions:launchOptions];
}
return [self.basicDelegate application:application didFinishLaunchingWithOptions:launchOptions];
}

由于对这些初始化进行了分组,在开发期就能够很简单的操控每一个事务的初始化时刻:

CFTimeInterval startTime = CACurrentMediaTime();
//履行办法
CFTimeInterval endTime = CACurrentMediaTime();

用Time Profiler找到首恶

Time Profiler在剖析时刻占用上十分强壮。有用的时分留意三点

  • 在打包形式下剖析(一般是Release),这样和线上环境相同。
  • 记住敞开dsym,否则无法查看到具体的函数调用仓库
  • 剖析功用差的设备,关于支撑iOS 8的,一般剖析iphone 4s或许iphone 5。

一个典型的剖析界面如下:

几点要留意:

  1. 剖析发动时刻,一般只关怀主线程
  2. 挑选Hide System Libraries和Invert Call Tree,这样咱们能专心于自己的代码
  3. 右侧能够看到具体的调用仓库信息

在某一行上双击,咱们能够进入到代码预览界面,去看看实践每一行占用了多少时刻:

小结

不同的App在发动的时分做的作业往往不同,可是优化起来的中心思维无非就两个:

  • 能推迟履行的就推迟履行。比方SDK的初始化,界面的创立。
  • 不能推迟履行的,尽量放到后台履行。比方数据读取,原始JSON数据转目标,日志发送。

Main函数之前

Main函数之前是iOS体系的作业,所以这部分的优化往往更具有通用性。

dylibs

发动的第一步是加载动态库,加载体系的动态库使很快的,由于能够缓存,而加载内嵌的动态库速度较慢。所以,进步这一步的功率的关键是:削减动态库的数量。

兼并动态库,比方公司内部由私有Pod树立了如下动态库:XXTableView, XXHUD, XXLabel,强烈主张兼并成一个XXUIKit来进步加载速度。

Rebase & Bind & Objective C Runtime

Rebase和Bind都是为了处理指针引证的问题。关于Objective C开发来说,首要的时刻耗费在Class/Method的符号加载上,所以常见的优化计划是:

  • 削减__DATA段中的指针数量。
  • 兼并Category和功用相似的类。比方:UIView+Frame,UIView+AutoLayout…兼并为一个
  • 删去无用的办法和类。
  • 多用Swift Structs,由于Swfit Structs是静态分发的。感兴趣的同学能够看看我之前这篇文章:《Swift进阶之内存模型和办法调度》
  • Initializers

一般,咱们会在+load办法中进行method-swizzling,这也是Nshipster引荐的办法。

  • 用initialize代替load。不少同学喜爱用method-swizzling来完结AOP去做日志计算等内容,强烈主张改为在initialize进行初始化。
  • 削减__atribute__((constructor))的运用,而是在第一次拜访的时分才用dispatch_once等办法初始化。
  • 不要创立线程
  • 运用Swfit重写代码。

参考资料

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