iOS-底層原理 32：啟動優化（三）二進制重排

iOS 底層原理 文章匯總

前提，在之前的兩篇文章中，大致介紹了一些基本概念以及啟動優化的思路，下面來著重介紹一個pre-main階段的優化方案，即二進制重排，這個方案最開始是由于抖音的這篇文章抖音研發實踐：基于二進制文件重排的解決方案 APP啟動速度提升超15%火起來的。

二進制重排原理

在虛擬內存部分，我們知道，當進程訪問一個虛擬內存page，而對應的物理內存不存在時，會觸發缺頁中斷（Page Fault），因此阻塞進程。此時就需要先加載數據到物理內存，然后再繼續訪問。這個對性能是有一定影響的。

基于Page Fault，我們思考，App在冷啟動過程中，會有大量的類、分類、三方等需要加載和執行，此時的產生的Page Fault所帶來的的耗時是很大的。以WeChat為例，我們來看下，在啟動階段的Page Fault的次數

  • CMD+i快捷鍵，選擇System Trace

    測Page Fault-1

  • 點擊啟動（啟動前需要重啟手機，清除緩存數據），第一個界面出來后，停掉，按照下圖中操作

    測Page Fault-2

    從圖中可以看出WeChat發生的PageFault有2800+次，可想而知，這個是非常影響性能的。

  • 然后我們再通過Demo查看方法在編譯時期的排列順序，在ViewController中按下列順序定義以下幾個方法

@implementation ViewController

void test1(){
    printf("1");
}

void test2(){
    printf("2");
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    test1();
}

+(void)load{
    printf("3");
    test2();
}
@end

  • 在Build Setting -> Write Link Map File設置為YES

    設置

  • CMD+B編譯demo，然后在對應的路徑下查找 link map文件，如下所示，可以發現 類中函數的加載順序是從上到下的，而文件的順序是根據Build Phases -> Compile Sources中的順序加載的

    加載順序

從上面的Page Fault的次數以及加載順序，可以發現其實導致Page Fault次數過多的根本原因是啟動時刻需要調用的方法，處于不同的Page導致的。因此，我們的優化思路就是：將所有啟動時刻需要調用的方法，排列在一起，即放在一個頁中，這樣就從多個Page Fault變成了一個Page Fault。這就是二進制重排的核心原理，如下所示

二進制重排原理

注意：在iOS生產環境的app，在發生Page Fault進行重新加載時，iOS系統還會對其做一次簽名驗證，因此 iOS 生產環境的 Page Fault 比Debug環境下所產生的耗時更多。

二進制重排實踐

下面，我們來進行具體的實踐，首先理解幾個名詞

Link Map
Linkmap是iOS編譯過程的中間產物，記錄了二進制文件的布局，需要在Xcode的Build Settings里開啟Write Link Map File,Link Map主要包含三部分：

  • Object Files 生成二進制用到的link單元的路徑和文件編號

  • Sections 記錄Mach-O每個Segment/section的地址范圍

  • Symbols 按順序記錄每個符號的地址范圍

ld

ld是Xcode使用的鏈接器，有一個參數order_file，我們可以通過在Build Settings -> Order File配置一個后綴為order的文件路徑。在這個order文件中，將所需要的符號按照順序寫在里面，在項目編譯時，會按照這個文件的順序進行加載，以此來達到我們的優化

所以二進制重排的本質就是對啟動加載的符號進行重新排列。

到目前為止，原理我們基本弄清楚了，如果項目比較小，完全可以自定義一個order文件，將方法的順序手動添加，但是如果項目較大，涉及的方法特別多，此時我們如何獲取啟動運行的函數呢？有以下幾種思路

  • 1、hook objc_msgSend：我們知道，函數的本質是發送消息，在底層都會來到objc_msgSend，但是由于objc_msgSend的參數是可變的，需要通過匯編獲取，對開發人員要求較高。而且也只能拿到OC 和 swift中@objc 后的方法

  • 2、靜態掃描：掃描 Mach-O 特定段和節里面所存儲的符號以及函數數據

  • 3、Clang插樁：即批量hook，可以實現100%符號覆蓋，即完全獲取swift、OC、C、block函數

Clang 插樁

llvm內置了一個簡單的代碼覆蓋率檢測（SanitizerCoverage）。它在函數級、基本塊級和邊緣級插入對用戶定義函數的調用。我們這里的批量hook，就需要借助于SanitizerCoverage。

關于 clang 的插樁覆蓋的官方文檔如下 : clang 自帶代碼覆蓋工具 文檔中有詳細概述，以及簡短Demo演示。

  • 【第一步：配置】開啟 SanitizerCoverage

    • OC項目，需要在：在 Build Settings 里的 “Other C Flags” 中添加 -fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard

    • 如果是Swift項目，還需要額外在 “Other Swift Flags” 中加入-sanitize-coverage=func 和 -sanitize=undefined

    • 所有鏈接到 App 中的二進制都需要開啟 SanitizerCoverage，這樣才能完全覆蓋到所有調用。

    • 也可以通過podfile來配置參數

post_install do |installer|
  installer.pods_project.targets.each do |target|
    target.build_configurations.each do |config|
      config.build_settings['OTHER_CFLAGS'] = '-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard'
      config.build_settings['OTHER_SWIFT_FLAGS'] = '-sanitize-coverage=func -sanitize=undefined'
    end
  end
end
  • 【第二步：重寫方法】新建一個OC文件CJLOrderFile，重寫兩個方法

    • __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init方法

      • 參數1 start 是一個指針，指向無符號int類型，4個字節，相當于一個數組的起始位置，即符號的起始位置（是從高位往低位讀）

        參數1-start

      • 參數2 stop，由于數據的地址是往下讀的（即從高往低讀，所以此時獲取的地址并不是stop真正的地址，而是標記的最后的地址，讀取stop時，由于stop占4個字節，stop真實地址 = stop打印的地址-0x4）

        參數2-stop

      • stop內存地址中存儲的值表示什么？在增加一個方法/塊/c++/屬性的方法（多3個），發現其值也會增加對應的數，例如增加一個test1方法


        stop值含義

    • __sanitizer_cov_trace_pc_guard方法 ，主要是捕獲所有的啟動時刻的符號，將所有符號入隊

      • 參數guard是一個哨兵，告訴我們是第幾個被調用的

      • 符號的存儲需要借助于鏈表，所以需要定義鏈表節點CJLNode，

      • 通過OSQueueHead創建原子隊列，其目的是保證讀寫安全

      • 通過OSAtomicEnqueue方法將node入隊，通過鏈表的next指針可以訪問下一個符號

//原子隊列，其目的是保證寫入安全，線程安全
static  OSQueueHead queue = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定義符號結構體，以鏈表的形式
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}CJLNode;

/*
 - start：起始位置
 - stop：并不是最后一個符號的地址，而是整個符號表的最后一個地址，最后一個符號的地址=stop-4（因為是從高地址往低地址讀取的，且stop是一個無符號int類型，占4個字節）。stop存儲的值是符號的
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
                                                    uint32_t *stop) {
    static uint64_t N;
    if (start == stop || *start) return;
    printf("INIT: %p - %p\n", start, stop);
    for (uint32_t *x = start; x < stop; x++) {
        *x = ++N;
    }
    
}

/*
 可以全面hook方法、函數、以及block調用，用于捕捉符號，是在多線程進行的，這個方法中只存儲pc，以鏈表的形式
 
 - guard 是一個哨兵，告訴我們是第幾個被調用的
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
//    if (!*guard) return;//將load方法過濾掉了，所以需要注釋掉
    
    //獲取PC
    /*
     - PC 當前函數返回上一個調用的地址
     - 0 當前這個函數地址，即當前函數的返回地址
     - 1 當前函數調用者的地址，即上一個函數的返回地址
    */
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    //創建node，并賦值
    CJLNode *node = malloc(sizeof(CJLNode));
    *node = (CJLNode){PC, NULL};
    
    //加入隊列
    //符號的訪問不是通過下標訪問，是通過鏈表的next指針，所以需要借用offsetof（結構體類型，下一個的地址即next）
    OSAtomicEnqueue(&queue, node, offsetof(CJLNode, next));
}
  • 【第三步：獲取所有符號并寫入文件】
    -while循環從隊列中取出符號，處理非OC方法的前綴，存到數組中
    • 數組取反，因為入隊存儲的順序是反序的
    • 數組去重，并移除本身方法的符號
    • 將數組中的符號轉成字符串并寫入到cjl.order文件中
extern void getOrderFile(void(^completion)(NSString *orderFilePath)){
    
    collectFinished = YES;
    __sync_synchronize();
    NSString *functionExclude = [NSString stringWithFormat:@"_%s", __FUNCTION__];
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(0.01 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        //創建符號數組
        NSMutableArray<NSString *> *symbolNames = [NSMutableArray array];
        
        //while循環取符號
        while (YES) {
            //出隊
            CJLNode *node = OSAtomicDequeue(&queue, offsetof(CJLNode, next));
            if (node == NULL) break;
            
            //取出PC,存入info
            Dl_info info;
            dladdr(node->pc, &info);
//            printf("%s \n", info.dli_sname);
            
            if (info.dli_sname) {
                //判斷是不是OC方法，如果不是，需要加下劃線存儲，反之，則直接存儲
                NSString *name = @(info.dli_sname);
                BOOL isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
                NSString *symbolName = isObjc ? name : [@"_" stringByAppendingString:name];
                [symbolNames addObject:symbolName];
            }
           
        }
        
        if (symbolNames.count == 0) {
            if (completion) {
                completion(nil);
            }
            return;
        }
        
        //取反（隊列的存儲是反序的）
        NSEnumerator *emt = [symbolNames reverseObjectEnumerator];
        
        //去重
        NSMutableArray<NSString *> *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count];
        NSString *name;
        while (name = [emt nextObject]) {
            if (![funcs containsObject:name]) {
                [funcs addObject:name];
            }
        }
        
        //去掉自己
        [funcs removeObject:functionExclude];
        
        //將數組變成字符串
        NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
        NSLog(@"Order:\n%@", funcStr);
        
        //字符串寫入文件
        NSString *filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"cjl.order"];
        NSData *fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
        BOOL success = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
        if (completion) {
            completion(success ? filePath : nil);
        }
    });
}
  • 【第四步：在didFinishLaunchingWithOptions方法最后調用】需要注意的是，這里的調用位置是由你決定的，一般來說，是第一個渲染的界面
- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
    
    [self test11];
    
    getOrderFile(^(NSString *orderFilePath) {
        NSLog(@"OrderFilePath:%@", orderFilePath);
    });
    
    return YES;
}

- (void)test11{
    
}

此時的cjl.order中只有這三個方法

cjl.order文件

  • 【第五步：拷貝文件，放入指定位置，并配置路徑】一般將該文件放入主項目路徑下，并在Build Settings -> Order File中配置./cjl.order，下面是配置前后的對比（上邊是配置前的熟悉怒，下邊是配置后符號順序的）
    對比

注意點：避免死循環

  • Build Settings -> Other C Flags的如果配置的是-fsanitize-coverage=trace-pc-guard，在while循環部分會出現死循環（我們在touchBegin方法中調試）

    避免死循環-1

  • 我們打開匯編調試，發現有3個__sanitizer_cov_trace_pc_guard的調用

    避免死循環-2

    • 第一次是bl 是 touchBegin
      避免死循環-3
    • 第三次 bl 是 printf
    • 第二次 bl 是因為while 循環。 即 只要是跳轉，就會被hook，即有 bl、b的指令，就會被hook
      避免死循環-4

解決方式：將BuildSetting中的other C Flags的-fsanitize-coverage=trace-pc-guard ，改成-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard

參考鏈接

最后編輯于 ：
?著作權歸作者所有,轉載或內容合作請聯系作者
平臺聲明：文章內容（如有圖片或視頻亦包括在內）由作者上傳并發布，文章內容僅代表作者本人觀點，簡書系信息發布平臺，僅提供信息存儲服務。

推薦閱讀更多精彩內容