iOS原理 App的启动优化2：二进制重排

iOS原理 文章汇总

前言

在iOS原理 App的启动优化1：优化建议一文中已经介绍了启动优化的相关概念，我们知道，通过二进制重排可以减少App的启动时间，提高程序的启动性能。

二进制重排原理

CPU访问进程数据时，先访问数据对应的虚拟内存page，通过虚拟内存地址找到其对应的物理内存地址，再通过物理地址访问到物理内存上的数据。如果对应的物理内存地址不存在，说明这部分数据没有加载到物理内存中，此时会触发缺页中断（Page Fault）。

物理内存和虚拟内存的详细介绍可阅读iOS原理 物理内存&虚拟内存

  • Page Fault

Page Fault会中断当前进程，需要先将访问的数据加载到物理内存中，再让CPU访问。而通过App Store渠道分发的App，Page Fault还会进行签名验证，所以每一个Page Fault都会带来一定的耗时。

如果启动过程中触发大量的Page Fault就会降低启动性能，延长启动时间。通过System Trace可以查看App在启动过程中触发的Page Fault次数：

  • 找到Xcode -> Open Developer Tool ->Instruments，选择并打开System Trace。

  • 选择设备和App，启动System Trace，在App打开第一个界面后停止System Trace。

  • 搜索Main Thread，选择Virtual Memory，File Backed Page In即表示Page Fault。

可以看到，启动过程中触发了60次Page Fault，总共耗时7.73ms。这个案例Demo只是新建的一个空项目，一般来说，工作项目会触发上千次Page Fault，就拿微信来说，触发次数达到2600多次，耗时接近700ms。因此，减少启动过程中Page Fault的触发次数，就能缩短启动时间，提高启动性能，而这就可以通过『二进制重排』来实现。

二进制重排实现方式

App启动过程中会调用一些方法和函数，CPU需要访问相关数据。这时，通过修改代码在二进制文件的布局，将启动时刻调用的方法和函数的二进制符号，排列在一起，确保在一个虚拟内存page中，这样就从多个Page Fault减少为一个Page Fault，这就是二进制重排。

修改方法和函数二进制符号的布局，需要通过Linkmap、ld以及Clang插桩来实现。

1. Linkmap

Linkmap是iOS编译过程的中间产物，记录了二进制文件的布局，需要在Xcode中找到Target -> Build Settings -> Write Link Map File，并设置为Yes来开启。

Linkmap主要包括三大部分：

  • Object Files生成二进制用到的link单元的路径和文件编号
  • Sections记录Mach-O每个Segment/section的地址范围
  • Symbols按顺序记录每个符号的地址范围

编译器在生成二进制代码的时候，默认按照链接的Object File(.o)顺序写文件，按照Object File内部的函数顺序写函数，因此方法和函数编译后的二进制符号，默认先按照.o文件（Object File）的链接顺序，再按照文件里的编写顺序来排列。

以案例Demo为例，查看编译后方法和函数在Linkmap里面的排列顺序。

  • 在ViewController里编写几个方法和函数
#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

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

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

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
    
    test1();
}

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

@end

  • 查看.o文件（Object File）链接顺序，顺序可以任意改变。

  • Command + B编译Demo，根据路径找到Link Map File

    image.png

  • 打开文件，查看方法和函数编译后的二进制符号在文件中的排列顺序

从Link Map File里的布局情况可以印证，方法和函数编译后的二进制符号，是先按照.o文件（Object File）的链接顺序，再按照文件里的编写顺序来排列。由于启动过程中调用的方法和函数可能存在于不同的类里，它们编译后的符号默认在二进制文件里分散排列，调用时就会触发大量的Page Fault。

2. ld

ld是Xcode使用的链接器，写入其参数order_file中的符号，会按照写入顺序排列在二进制文件中符号区域的顶部。因此，在Xcode中，通过Target -> Build Settings -> Order File来配置一个后缀为.order的文件路径，并在这个order文件中，将启动过程中调用的方法和函数以符号格式写在里面，在项目编译后，这些符号就会按照文件里的顺序排列在二进制文件中。若order文件中的符号对应的方法实际不存在，ld则会忽略这些符号。

3. Clang插桩

Clang插桩，即批量hook，借助SanitizerCoverage（llvm内置的一个简单的代码覆盖率检测），实现100%符号覆盖，获取到所有的swift、OC、C、block函数。

Clang插桩覆盖的官方文档 : clang 自带代码覆盖工具 。

实现步骤如下：

  • Step1：开启SanitizerCoverage

    • 方法一：找到Target -> Build Settings -> Other C Flags，添加-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard，如果是swift项目，还需在Other Swift Flags中加入-sanitize-coverage=func和-sanitize=undefined

    • 方法二：通过podfile来配置参数

    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

  • Step2：重写下面两个函数，捕获所有调用的方法、函数以及block

    • __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init函数
    /**
 *   start：是一个指针，指向无符号int类型，4个字节，相当于一个数组的起始位置，即符号的起始位置。
 *   stop：标记的最后的地址，通过stop的地址-4，获取到最后一个符号的真实地址，真实地址里的值就代表这符号的总数。
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop) {}

    这个是初始化函数，可以获取到所有符号（方法、函数、block、属性）的数量。在捕获方法和函数时，这个函数里面可以不做任何处理。

    • __sanitizer_cov_trace_pc_guard函数
    /**
 *  这个方法可以捕获所有调用的方法、函数以及block
 *  guard：哨兵，告知是第几次被调用
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {}

    这个函数可以捕获所有调用的方法、函数以及block。每当调用一个方法、函数或者block，都会执行一次这个函数，在这里面，通过__builtin_return_address(0)可以拿到当前调用的方法（/函数/block）的地址，再通过Dl_info可以拿到方法地址和方法名。

二进制重排的案例Demo

通过上面的学习可知，二进制重排的实现步骤如下：

  • 通过Clang插桩获取启动时刻调用的全部方法、函数、block。
  • 将方法、函数、block以符号的格式写入Order文件
  • 配置Order文件。

接下来通过案例Demo来详细讲解实现步骤，在案例中把Clang插桩相关代码封装在一个文件中，方便后续使用。

  • Step1：新建一个OrderFileTool工具类，所有捕获符号的相关代码均在这里面实现。

    由于__sanitizer_cov_trace_pc_guard函数执行太频繁，所以在函数里面只保存调用函数的地址，后面再统一解析。因此，打算用单向链表来保存这些地址，考虑到线程安全，决定用原子队列OSQueueHead来保存。捕获的代码逻辑如下：

    #import "OrderFileTool.h"
#import <dlfcn.h>
#import <libkern/OSAtomic.h>
#include <stdlib.h>

@implementation OrderFileTool

//原子队列，保证多线程下的写入安全
static OSQueueHead symbolQueue = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;

//定义符号结构体，链表的节点
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}SYNode;

//初始化，里面不做任何处理
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop) {}

//捕获方法、函数、block，这里只保存地址，不做解析处理
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {

    //1.获取方法、函数、block的地址
    /**
     *   __builtin_return_address：返回函数的地址
     *   0：表示返回当前函数的地址
     *   1：表示返回当前函数调用者的地址
     */
    void *PC = __builtin_return_address(0);

    //2.创建node
    //将地址赋值给node结构体里的pc指针
    SYNode *node = malloc(sizeof(SYNode));
    *node = (SYNode){PC, NULL};

    //3.加入队列
    //将node添加到队列中，并将下一个node的地址赋值给当前node结构体里的next指针
    OSAtomicEnqueue(&symbolQueue, node, offsetof(SYNode, next));
}

+(void)writeOrderFile{

    //创建一个符号数组
    NSMutableArray *mArr = [NSMutableArray array];

    //while循环获取所有符号
    while (YES) {

        //取出节点
        SYNode *node = OSAtomicDequeue(&symbolQueue, offsetof(SYNode, next));
        if(node==NULL){

            break;
        }

        //解析PC，获取符号
        Dl_info info;
        dladdr(node->pc, &info);
        NSString *name = @(info.dli_sname);
        //如果不是OC方法，需要在前面加上_
        BOOL isObjC = [name hasPrefix:@"-["]||[name hasPrefix:@"+["];
        NSString *symbol = isObjC?name:[@"_" stringByAppendingString:name];
        //去重判断，如果符号存在，就不添加
        if(![mArr containsObject:symbol]){

            //队列的存储是反序的，所以这里逆序保存在数组中，当然，不逆序也不影响
            [mArr insertObject:symbol atIndex:0];
        }
    }

    //这里要去掉自己本身
    NSString *currentFunc = @"+[OrderFileTool writeOrderFile]";
    if([mArr containsObject:currentFunc]){

        [mArr removeObject:currentFunc];
    }

    //将数组转换成字符串，并写入Order文件
    NSString *symbolStr = [mArr componentsJoinedByString:@"\n"];
    NSLog(@" ===== symbolStr = \n%@", symbolStr);
    //写入文件
    NSString *filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"rewrite.order"];
    NSData *fileContents = [symbolStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    BOOL success = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
    if (success) {

        NSLog(@" ==== rewrite success：%@", filePath);
    }
}

@end

    这里就实现了整个逻辑，只需要在外部调用+(void)writeOrderFile方法就可完成所有符号的捕获，并写入到order文件。

  • Step2：开启SanitizerCoverage，在程序启动结束后执行捕获方法。

    一般来说，在首界面的ViewDidLoad方法里执行就能捕获到程序启动过程的所有符号。这里也是在案例Demo的ViewController.m文件里执行。

    #import "ViewController.h"
#import "OrderFileTool.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

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

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

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
  
    test1();
  
    //获取启动过程所有方法和函数的符号
    [OrderFileTool writeOrderFile];
}

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

@end

    通过输出的Order文件路径，找到文件并改成.txt后缀打开，可以看到符号的排列顺序如下：

    可以看到，启动过程的最后一个函数test1的符号排在最后一个，至此，完成了所有符号的捕获。

  • Step3：配置Order文件，然后Command + B编译。

    将生成的rewrite.order文件添加到项目中，再在Target -> Build Settings -> Order File中配置order文件的路径，然后编译。

    查看编译后新生成的LinkMap File。

    可以看到，启动过程的方法和函数符号，均按照order文件里的顺序排列在一起，并置于二进制文件前面。至此，整个二进制重排的过程就完成了。

温馨提示：获取到启动过程的全部符号后，就关掉SanitizerCoverage，并删除OrderFileTool工具类，若以后App启动相关业务发生变更后，再重新排列一次就可以了。

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