iOS深思篇 | 啟動時間的度量和優化

一. 簡介

App的啟動時間是衡量一個App性能的重要指標，或者可以說是App性能的第一印象。在這篇文章中，我們將要介紹啟動時間的相關知識和打點統計。

二. 啟動優化

2.1 App啟動方式

首先了解一下App的啟動方式分為兩類：

1. 冷啟動：從零開始啟動App
2. 熱啟動：App已經存在內存當中，但是后台存活着，再次點擊圖標啟動App
復制代碼

之后測試也依照這兩種啟動方式進行測試。一般來說啟動時間（點擊圖標 -> 顯示Launch Screen -> Launch Screen消失）在小於400ms是最佳的，並且系統限制了啟動時間不可以大於20s，否則會因為watchdog(看門狗)機制被殺掉。 在不同的生命周期時，超時時間的限制會有所差別：

生命周期	超時時間
啟動 Launch	20 s
恢復 Resume	10 s
懸掛 Suspend	10 s
退出 Quit	6 s
后台 Background	10 min

2.2 App啟動流程

啟動流程一般划分為pre-main(main函數之前)和main函數之后；

2.2.1 pre-main

 

 

該階段各個時期的任務以及優化方法：

階段	工作	優化
Load dylibs	Dyld從主執行文件的header獲取到需要加載的所依賴動態庫列表，然后它需要找到每個 dylib，而應用所依賴的 dylib 文件可能會再依賴其他 dylib，所以所需要加載的是動態庫列表一個遞歸依賴的集合	1.盡量不使用內嵌（embedded）的dylib，加載內嵌dylib性能開銷較大；2.合並已有的dylib和使用靜態庫（static archives），減少dylib的使用個數；3.懶加載dylib，但是要注意dlopen()可能造成一些問題，且實際上懶加載做的工作會更多
Rebase和Bind	1. Rebase在Image內部調整指針的指向。在過去，會把動態庫加載到指定地址，所有指針和數據對於代碼都是對的，而現在地址空間布局是隨機化，所以需要在原來的地址根據隨機的偏移量做一下修正。2. Bind是把指針正確地指向Image外部的內容。這些指向外部的指針被符號(symbol)名稱綁定，dyld需要去符號表里查找，找到symbol對應的實現	1.減少ObjC類（class）、方法（selector）、分類（category）的數量；2.減少C++虛函數的的數量（創建虛函數表有開銷）；3.使用Swift structs（內部做了優化，符號數量更少）
Objc setup	1.注冊Objc類 (class registration)；2.把category的定義插入方法列表 (category registration)；3.保證每一個selector唯一 (selector uniquing)	減少 Objective-C Class、Selector、Category 的數量，可以合並或者刪減一些OC類
Initializers	1.Objc的+load()函數；2.C++的構造函數屬性函數；3.非基本類型的C++靜態全局變量的創建(通常是類或結構體)	1.少在類的+load方法里做事情，盡量把這些事情推遲到+initiailize；2.減少構造器函數個數，在構造器函數里少做些事情；3.減少C++靜態全局變量的個數

對於pre-main階段，Xcode提供了各個階段時間消耗的方法， Product -> Scheme -> Edit Scheme -> Environment Variables 中將環境變量 DYLD_PRINT_STATISTICS設為1;

Total pre-main time: 955.81 milliseconds (100.0%)
         dylib loading time:  97.42 milliseconds (10.1%)
        rebase/binding time:  55.08 milliseconds (5.7%)
            ObjC setup time:  68.65 milliseconds (7.1%)
           initializer time: 734.45 milliseconds (76.8%)
           slowest intializers :
             libSystem.B.dylib :   7.65 milliseconds (0.8%)
    libMainThreadChecker.dylib :  36.33 milliseconds (3.8%)
                              ...
復制代碼

這里額外補充一下其他的dyld環境變量參數：

變量	描述
DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS	打印啟動時間等詳細參數
DYLD_PRINT_SEGMENTS	日志段映射
DYLD_PRINT_INITIALIZERS	日志圖像初始化要求
DYLD_PRINT_BINDINGS	日志符號綁定
DYLD_PRINT_APIS	日志dyld API調用(例如，dlopen)
DYLD_PRINT_ENV	打印啟動環境變量
DYLD_PRINT_OPTS	打印啟動時命令行參數
DYLD_PRINT_LIBRARIES_POST_LAUNCH	日志庫加載，但僅在main運行之后
DYLD_PRINT_LIBRARIES	日志庫加載
DYLD_IMAGE_SUFFIX	首先搜索帶有這個后綴的庫

這個方法確實很方便，但是我們如果想要自己度量per-main階段的時間消耗，又如何統計呢？ 由於我們主要針對冷啟動進行優化，就先介紹一下冷啟動的流程：

 

可以將其歸納為三個階段：

1. dyld：加載鏡像，動態庫
2. RunTime方法
3. main函數初始化
復制代碼

從圖中可以看出開發者在main之前可以處理的是Run Image Initializers階段（對應Apple展示圖中的initializers階段），load加載、__attribute__((constructor))和C++靜態對象初始化;

load耗時監測

想知道load方法執行的時間，就不可避免的需要獲取+load類和分類的方法。目前我了解到的也是有兩種，一種是通過runtime api，去讀取對應鏡像下所有類及其元類，並逐個遍歷元類的實例方法，如果方法名稱為load，則執行hook操作，代表庫是AppStartTime；一種是和 runtime一樣，直接通過getsectiondata函數，讀取編譯時期寫入mach-o文件DATA段的__objc_nlclslist和 __objc_nlcatlist節，這兩節分別用來保存no lazy class列表和no lazy category列表，所謂的no lazy結構，就是定義了+load方法的類或分類，代表庫是A4LoadMeasure。

先說一下兩種方案對比結果：

 

庫	load誤差	統計范圍
AppStartTime	100ms左右	類
A4LoadMeasure	50ms左右	類和分類

從測試結果來看，當然我們會選擇后者，還統計了分類load加載。而且從性能上看，前者會for循環調用object_getClass()方法，該方法會觸發類的realize 操作，給類開辟可讀寫的信息存儲空間、調整成員變量布局、插入分類方法屬性等操作，簡單來說就是讓類變成可用(realized)狀態，這樣當有大量的類進行該操作時，會額外增加per-main時間，造成不必要的開銷。

//獲取no lazy class 列表和 no lazy category 列表
static NSArray <LMLoadInfo *> *getNoLazyArray(const struct mach_header *mhdr) {
    NSMutableArray *noLazyArray = [NSMutableArray new];
    unsigned long bytes = 0;
    Class *clses = (Class *)getDataSection(mhdr, "__objc_nlclslist", &bytes); for (unsigned int i = 0; i < bytes / sizeof(Class); i++) { LMLoadInfo *info = [[LMLoadInfo alloc] initWithClass:clses[i]]; if (!shouldRejectClass(info.clsname)) [noLazyArray addObject:info]; } bytes = 0; Category *cats = getDataSection(mhdr, "__objc_nlcatlist", &bytes); for (unsigned int i = 0; i < bytes / sizeof(Category); i++) { LMLoadInfo *info = [[LMLoadInfo alloc] initWithCategory:cats[i]]; if (!shouldRejectClass(info.clsname)) [noLazyArray addObject:info]; } return noLazyArray; } //hook 類和分類的 +load 方法 static void hookAllLoadMethods(LMLoadInfoWrapper *infoWrapper) { unsigned int count = 0; Class metaCls = object_getClass(infoWrapper.cls); Method *methodList = class_copyMethodList(metaCls, &count); for (unsigned int i = 0, j = 0; i < count; i++) { Method method = methodList[i]; SEL sel = method_getName(method); const char *name = sel_getName(sel); if (!strcmp(name, "load")) { LMLoadInfo *info = nil; if (j > infoWrapper.infos.count - 1) { info = [[LMLoadInfo alloc] initWithClass:infoWrapper.cls]; [infoWrapper insertLoadInfo:info]; LMAllLoadNumber++; } else { info = infoWrapper.infos[j]; } ++j; swizzleLoadMethod(infoWrapper.cls, method, info); } } free(methodList); } 復制代碼

Tip: 這里說明一個問題，A4LoadMeasure用LMAllLoadNumber定位最后一次打印有計算誤差，稍微取巧了一下，改為在主線程獲取，具體可查看demo;

attribute((constructor))和C++對象靜態初始化

__attribute__是GNU C特色的一個編譯器屬性，可以通過iOS attribute了解一下；它與load,main,initialize的調用順序如下：

load -> attribute((constructor)) -> main -> initialize

好了，接下來，我們再次對比下這兩個三方庫：

 

庫	static initialize誤差
AppStartTime	30ms左右
A4LoadMeasure	40ms左右

統計下來，前者數據相對更精確一點，最主要的是打印了方法指針；A4LoadMeasure統計的方案我不敢苟同，只是在__attribute__((constructor))方法作用域前后打點就是C++ Static Initializers端所用時間？這波兒操作看不懂了；獲取__mod_init_func（初始化的全局函數地址）段更值得認同；

簡單介紹下初始化函數大致執行順序如下：

initializeMainExecutable -> ImageLoader::runInitializers -> ImageLoader::doInitialization -> ImageLoaderMachO::doModInitFunctions

最后一個函數是主要處理的邏輯，下面👇附上代碼：

//該函數主要負責處理__DATA下的__mod_init_func
void ImageLoaderMachO::doModInitFunctions(const LinkContext& context) { if ( fHasInitializers ) { const uint32_t cmd_count = ((macho_header*)fMachOData)->ncmds; const struct load_command* const cmds = (struct load_command*)&fMachOData[sizeof(macho_header)]; const struct load_command* cmd = cmds; for (uint32_t i = 0; i < cmd_count; ++i) { if ( cmd->cmd == LC_SEGMENT_COMMAND ) { const struct macho_segment_command* seg = (struct macho_segment_command*)cmd; const struct macho_section* const sectionsStart = (struct macho_section*)((char*)seg + sizeof(struct macho_segment_command)); const struct macho_section* const sectionsEnd = &sectionsStart[seg->nsects]; for (const struct macho_section* sect=sectionsStart; sect < sectionsEnd; ++sect) { const uint8_t type = sect->flags & SECTION_TYPE; if ( type == S_MOD_INIT_FUNC_POINTERS ) { Initializer* inits = (Initializer*)(sect->addr + fSlide); const size_t count = sect->size / sizeof(uintptr_t); for (size_t j=0; j < count; ++j) { Initializer func = inits[j]; // <rdar://problem/8543820&9228031> verify initializers are in image if ( ! this->containsAddress((void*)func) ) { dyld::throwf("initializer function %p not in mapped image for %s\n", func, this->getPath()); } func(context.argc, context.argv, context.envp, context.apple, &context.programVars); } } } } cmd = (const struct load_command*)(((char*)cmd)+cmd->cmdsize); } } } 復制代碼

這里有一個問題說明下，原文也提到了，if ( ! this->containsAddress((void*)func) )這個判斷函數地址是否在當前image的地址空間中，由於我們是在動態庫中做函數地址替換，替換后的函數地址都是動態庫中的了，沒有在其他 image中，所以當其他image執行到這個判斷時，就拋出了異常。在demo工程中這個現象還不明顯，當工程架構復雜一些，這個問題就比較明顯了；

三. 工程說明

目前工程已支持pod引入:

pod 'A0PreMainTime' #******子組件單獨引入*********** #pre-main階段耗時檢測 pod 'A0PreMainTime/PreMainTime' #業務時間度量 pod 'A0PreMainTime/TimeMonitor' 復制代碼

具體請查看A0PreMainTime

學習：

計算 +load 方法的耗時

如何精確度量 iOS App 的啟動時間

App啟動時間優化

iOS啟動時間優化

手淘iOS性能優化探索

美團外賣iOS App冷啟動治理

擴展：

dyld詳解

提交到AppStore問題：不支持的體系結構x86

作者：火之玉
鏈接：https://juejin.im/post/5d357ea9f265da1b74023afb
來源：掘金
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