通過(guò)前面的探討，我們知道內(nèi)存分頁(yè)觸發(fā)中斷異常 Page Fault 后，會(huì)阻塞進(jìn)程，這個(gè)問(wèn)題是會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響。
實(shí)際上在 iOS 系統(tǒng)中，生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用，在發(fā)生缺頁(yè)中斷進(jìn)行重新加載時(shí) ，iOS 系統(tǒng)還會(huì)對(duì)其做一次簽名驗(yàn)證，因此 iOS 生產(chǎn)環(huán)境的 Page Fault 所產(chǎn)生的耗時(shí)要更多。
對(duì)用戶而言，使用App時(shí)第一個(gè)直接體驗(yàn)就是啟動(dòng) App 時(shí)間，而啟動(dòng)時(shí)期會(huì)有大量的類、分類、三方等等需要加載和執(zhí)行，此時(shí)多個(gè) Page Fault 所產(chǎn)生的的耗時(shí)往往是不能小覷的，下面我們就通過(guò)二進(jìn)制重排來(lái)優(yōu)化啟動(dòng)耗時(shí)。

抖音團(tuán)隊(duì)分享的一個(gè) Page Fault，開(kāi)銷在 0.6 ~ 0.8ms。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)不同頁(yè)會(huì)有所不同 , 也跟 cpu 負(fù)荷狀態(tài)有關(guān) , 在 0.1 ~ 1.0 ms 之間 。
二進(jìn)制重排這個(gè)方案最早也是 抖音團(tuán)隊(duì) 分享的，不過(guò)他們的解決方案有瑕疵，下面我們會(huì)針對(duì)性的解決。

一、原理

假設(shè)在啟動(dòng)時(shí)期我們需要調(diào)用兩個(gè)函數(shù) method1 與 method4，函數(shù)編譯在 mach-O 中的位置是根據(jù) ld ( Xcode 的鏈接器) 的編譯順序并非調(diào)用順序來(lái)的，因此很可能這兩個(gè)函數(shù)分布在不同的內(nèi)存頁(yè)上。

原理.png

二、調(diào)試 Page Fault

最好是卸載App，重新安裝，調(diào)試第一次啟動(dòng)的效果。

1. 打開(kāi) Instruments，選擇 System Trace。
2. 選擇真機(jī)，選擇工程，選擇啟動(dòng)，當(dāng)頁(yè)面加載出來(lái)的時(shí)候，停止。
3. 查看 Page Fault，如圖標(biāo)注。
   
   Page Fault.png

File Backed Page In：即為 Page Fault，對(duì)應(yīng)的有count，一頁(yè)P(yáng)age Fault最大耗時(shí)，最小耗時(shí)等參數(shù)。

如果多次啟動(dòng)調(diào)試，你會(huì)發(fā)現(xiàn)count的波動(dòng)范圍很大。所以如果想獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，最好重新安裝App或者打開(kāi)多個(gè)App之后，再來(lái)調(diào)試。
這是因?yàn)閮?nèi)存管理機(jī)制，殺掉進(jìn)程時(shí)，他所占用的物理內(nèi)存空間，如果沒(méi)有被覆蓋使用，那么這部分內(nèi)存有很大可能一直存在。重新打開(kāi)，內(nèi)存就不需要全部初始化。所以 冷熱啟動(dòng)的界定不能以是否后臺(tái)殺死來(lái)簡(jiǎn)單判斷。

三、二進(jìn)制重排

3.1 Order File

前面說(shuō)了這么多，那么具體該怎么操作呢？蘋(píng)果其實(shí)已經(jīng)給我們提供了這個(gè)機(jī)制。

Order File.png

libobjc.order.png

1、order 文件里符號(hào)寫(xiě)錯(cuò)了或不存在會(huì)不會(huì)有問(wèn)題：ld 會(huì)忽略這些符號(hào)，如果提供了 link 選項(xiàng) -order_file_statistics，他們會(huì)以 warning 的形式把這些沒(méi)找到的符號(hào)打印在日志里。

2、會(huì)不會(huì)影響上架：不會(huì)，order文件只是重新排列了所生成的 mach-O(可執(zhí)行文件) 中函數(shù)表與符號(hào)表的順序。

3.2 如何查看項(xiàng)目符合順序

1. 可以設(shè)置 Write Link Map File 來(lái)設(shè)置是否輸出，默認(rèn)是 no。Link Map 是編譯期間產(chǎn)生的 ，( ld 的讀取二進(jìn)制文件順序默認(rèn)是按照 Compile Sources 里的順序 )，它記錄了二進(jìn)制文件的布局。
2. 修改 Write Link Map File 為 YES，然后clean項(xiàng)目并重新編譯
3. Products -> show in finder，上上層文件夾，然后找到一個(gè)xxxxx-LinkMap-normal-arm64.txt 的txt文件。
   
   Link map.png
   
   這個(gè)文件的# Symbols: 部分存儲(chǔ)了所有符號(hào)的順序，前面的 .o 等內(nèi)容忽略 。
   
   Symbols.png
   
   我們發(fā)現(xiàn)符號(hào)順序明顯是按照 Compile Sources 的文件順序來(lái)排列的。
   文件中最左側(cè)地址就是 方法真實(shí)實(shí)現(xiàn)地址(實(shí)際代碼地址)而并非符號(hào)地址 , 因此我們二進(jìn)制重排并非只是修改符號(hào)地址 , 而是利用符號(hào)順序 , 重新排列整個(gè)代碼在文件的偏移地址 , 將啟動(dòng)需要加載的方法地址放到前面內(nèi)存頁(yè)中 , 以此達(dá)到減少 page fault 的次數(shù)從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的優(yōu)化。

終端查看符號(hào)表命令(不準(zhǔn)確，僅供參考)。找到可執(zhí)行文件：
nm (file)：查看符號(hào)表
nm -p (file)：按照orderfile順序
nm -up (file)： 只看系統(tǒng)
nm -Up (file)：只看自定義

3.3實(shí)戰(zhàn)

1、 新建一個(gè)項(xiàng)目，添加方法：

binary.png

截圖.png

-[ViewController test3]
-[ViewController test2]
-[ViewController test1]

4、修改Order File配置為：$(SRCROOT)/Binary/binary.order 或 ./Binary/binary.order。

order file.png

截圖.png

3.4 獲取啟動(dòng)執(zhí)行的函數(shù)

到這里，離啟動(dòng)優(yōu)化就只差一步了，如何獲取啟動(dòng)運(yùn)行的函數(shù)？大致有三種方案，僅供參考：

1. hook objc_MsgSend：只能拿到 oc 以及 swift @objc dynamic 后的方法，并且由于可變參數(shù)個(gè)數(shù)，需要用匯編來(lái)獲取參數(shù) 。
2. 靜態(tài)掃描 machO 特定段和節(jié)里面所存儲(chǔ)的符號(hào)以及函數(shù)數(shù)據(jù)。
3. clang 插樁：完全拿到 swift、oc、c、block 全部函數(shù)。

四、Clang插樁

關(guān)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(xì)概述，以及簡(jiǎn)短Demo演示。
思路：一是自己編寫(xiě) clang 插件，另外一個(gè)就是利用 clang 本身已經(jīng)提供的一個(gè)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)我們獲取所有符號(hào)的需求。

4.1 靜態(tài)插樁代碼

下面我們來(lái)探索一下這個(gè)靜態(tài)插樁代碼覆蓋工具的機(jī)制和原理。
1、添加編譯設(shè)置：直接搜索 Other C Flags 來(lái)到 Apple Clang - Custom Compiler Flags 中 , 添加配置：-fsanitize-coverage=trace-pc-guard。
2、在ViewController.m添加代碼：

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
                                                    uint32_t *stop) {
  static uint64_t N;  // Counter for the guards.
  if (start == stop || *start) return;  // Initialize only once.
  printf("INIT: %p %p\n", start, stop);
  for (uint32_t *x = start; x < stop; x++)
    *x = ++N;  // Guards should start from 1.
}

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
  if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check.

  void *PC = __builtin_return_address(0);
  char PcDescr[1024];
  //__sanitizer_symbolize_pc(PC, "%p %F %L", PcDescr, sizeof(PcDescr));
  printf("guard: %p %x PC %s\n", guard, *guard, PcDescr);
}

3、運(yùn)行（最好是一個(gè)空工程，注釋我們前面手動(dòng)添加的方法），查看打印：

trace-pc-guard.png

89dfb9d8a201.png

此時(shí)查看匯編，你會(huì)發(fā)現(xiàn)：在每個(gè)函數(shù)調(diào)用的第一句實(shí)際代碼，會(huì)被添加進(jìn)去了一個(gè) bl 指令， 調(diào)用到 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 這個(gè)函數(shù)中來(lái) 。
bl，匯編跳轉(zhuǎn)指令，即調(diào)用方法。bl之前是棧平衡與寄存器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，不用關(guān)心。

這就是靜態(tài)插樁：靜態(tài)插樁實(shí)際上是在編譯期，在每一個(gè)函數(shù)內(nèi)部第一行代碼處，添加 hook 代碼 ( 即我們添加的 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 函數(shù) ) ，實(shí)現(xiàn)全局的方法 hook，即AOP效果。

4.2 獲取函數(shù)符號(hào)

通過(guò)上面的分析我們知道，所有函數(shù)的第一步都會(huì)調(diào)用__sanitizer_cov_trace_pc_guard，那我們是不是可以通過(guò)這個(gè)函數(shù)獲取函數(shù)符號(hào)呢？
熟悉匯編的應(yīng)該知道：函數(shù)嵌套時(shí) , 在跳轉(zhuǎn)子函數(shù)時(shí)，都會(huì)保存下一條指令的地址在 x30 ( 又叫 lr 寄存器) 里 。

例如 , A 函數(shù)中調(diào)用了 B 函數(shù)，在 arm 匯編中即 bl + 0x**** 指令，該指令會(huì)首先將下一條匯編指令的地址保存在 x30 寄存器中。然后在跳轉(zhuǎn)到 bl 后面?zhèn)鬟f的指定地址去執(zhí)行。
bl 能實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到某個(gè)地址的匯編指令，其原理就是修改 pc 寄存器的值來(lái)指向到要跳轉(zhuǎn)的地址，而且實(shí)際上 B 函數(shù)中也會(huì)對(duì) x29 / x30 寄存器的值做保護(hù)，防止子函數(shù)又跳轉(zhuǎn)其他函數(shù)會(huì)覆蓋掉 x30 的值 , 當(dāng)然葉子函數(shù)除外。
當(dāng) B 函數(shù)執(zhí)行 ret 也就是返回指令時(shí)，就會(huì)去讀取 x30 寄存器的地址，跳轉(zhuǎn)過(guò)去，因此也就回到了上一層函數(shù)的下一步。
在 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 函數(shù)中的這一句代碼：

void *PC = __builtin_return_address(0); 

它的作用其實(shí)就是去讀取 x30 中所存儲(chǔ)的要返回時(shí)下一條指令的地址。所以他名稱叫做 __builtin_return_address。換句話說(shuō)，這個(gè)地址就是我當(dāng)前這個(gè)函數(shù)執(zhí)行完畢后，要返回到哪里去。
bt 函數(shù)調(diào)用棧也是這種思路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。也就是說(shuō) , 我們可以在 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 這個(gè)函數(shù)中 , 通過(guò) __builtin_return_address 函數(shù)拿到原函數(shù)調(diào)用 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 這句匯編代碼的下一條指令的地址。

c5eaed5e0295.png

那么問(wèn)題又來(lái)了，如果通過(guò)函數(shù)內(nèi)部?jī)?nèi)存地址，獲取函數(shù)名稱呢？

熟悉安全攻防，逆向的同學(xué)可能會(huì)清楚。我們?yōu)榱朔乐鼓承┨囟ǖ姆椒ū粍e人使用 fishhook hook 掉，會(huì)利用 dlopen 打開(kāi)動(dòng)態(tài)庫(kù)，拿到一個(gè)句柄，進(jìn)而拿到函數(shù)的內(nèi)存地址直接調(diào)用。那我們可以反過(guò)來(lái)使用。

與 dlopen.h 相同 , 在 dlfcn.h 中有一個(gè)方法如下 :

typedef struct dl_info {
        const char      *dli_fname;     /* 所在文件 */
        void            *dli_fbase;     /* 文件地址 */
        const char      *dli_sname;     /* 符號(hào)名稱 */
        void            *dli_saddr;     /* 函數(shù)起始地址 */
} Dl_info;

//這個(gè)函數(shù)能通過(guò)函數(shù)內(nèi)部地址找到函數(shù)符號(hào)
int dladdr(const void *, Dl_info *);

我們?cè)陧?xiàng)目中實(shí)踐一下，先導(dǎo)入頭文件 #import <dlfcn.h>，然后修改代碼如下 :

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
    if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check.

    void *PC = __builtin_return_address(0);

    Dl_info info;
    dladdr(PC, &info);

    printf("\nfname：%s \nfbase：%p \nsname：%s\nsaddr：%p \n",info.dli_fname,info.dli_fbase,info.dli_sname,info.dli_saddr);

    char PcDescr[1024];
    //__sanitizer_symbolize_pc(PC, "%p %F %L", PcDescr, sizeof(PcDescr));
    printf("guard: %p %x PC %s\n", guard, *guard, PcDescr);
}

打印結(jié)果：

fname：/Users/00393998/Library/Developer/CoreSimulator/Devices/23342248-4844-41AB-9851-2023D815FAA2/data/Containers/Bundle/Application/9A86A08B-5411-4909-B62B-B27097CA2EC9/Binary.app/Binary 
fbase：0x10beee000 
sname：-[ViewController touchesBegan:withEvent:]
saddr：0x10beef9d0 
guard: 0x10bef468c 6 PC ?

fname：/Users/00393998/Library/Developer/CoreSimulator/Devices/23342248-4844-41AB-9851-2023D815FAA2/data/Containers/Bundle/Application/9A86A08B-5411-4909-B62B-B27097CA2EC9/Binary.app/Binary 
fbase：0x10beee000 
sname：testFunc
saddr：0x10beef9b0 
guard: 0x10bef4688 5 PC \367\371\356??

4.3 寫(xiě)入order文件

寫(xiě)入文件時(shí)有許多需要注意的地方，即坑點(diǎn)

1、多線程

考慮到這個(gè)方法會(huì)來(lái)特別多次，使用鎖會(huì)影響性能，這里使用蘋(píng)果底層的原子隊(duì)列 ( 底層實(shí)際上是個(gè)棧結(jié)構(gòu)，利用隊(duì)列結(jié)構(gòu) + 原子性來(lái)保證順序 ) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    //遍歷出隊(duì)
    while (true) {
        //offset 通過(guò)next指針在結(jié)構(gòu)體的偏移量，進(jìn)而知道next的指向
        //offsetof 就是針對(duì)某個(gè)結(jié)構(gòu)體找到某個(gè)屬性相對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)體的偏移量
       // offsetof(SymbolNode, next) 可以替換為 8
        SymbolNode * node = OSAtomicDequeue(&symboList, offsetof(SymbolNode, next));
        if (node == NULL) break;
        Dl_info info;
        dladdr(node->pc, &info);
        
        printf("%s \n",info.dli_sname);
    }
}
//原子隊(duì)列
static OSQueueHead symboList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定義符號(hào)結(jié)構(gòu)體
typedef struct{
    void * pc;
    void * next;
}SymbolNode;

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
    if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check.
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    SymbolNode * node = malloc(sizeof(SymbolNode));
    *node = (SymbolNode){PC,NULL};
    
    //入隊(duì)
    // offsetof 用在這里是為了入隊(duì)添加下一個(gè)節(jié)點(diǎn)找到 前一個(gè)節(jié)點(diǎn)next指針的位置
    OSAtomicEnqueue(&symboList, node, offsetof(SymbolNode, next));
}

2、死循環(huán)

上述這種 clang 插樁的方式，會(huì)在while循環(huán)中同樣插入 hook 代碼。
通過(guò)匯編會(huì)查看到 while 循環(huán)，會(huì)被多次靜態(tài)加入 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 調(diào)用，導(dǎo)致死循環(huán)。
解決方式：Other C Flags 修改為如下：-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard。func：表示僅 hook函數(shù)時(shí)調(diào)用。

cbnz：匯編執(zhí)行，while循環(huán)。

3、load方法

有load 方法時(shí)，__sanitizer_cov_trace_pc_guard 函數(shù)的參數(shù) guard 是 0，所以打印并沒(méi)有發(fā)現(xiàn) load。屏蔽掉 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 函數(shù)中的：if (!*guard) return;

拓展：如果我們希望從某個(gè)函數(shù)之后/之前開(kāi)始優(yōu)化，那么我們可以通過(guò)一個(gè)全局靜態(tài)變量，在特定的時(shí)機(jī)修改其值，在 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 這個(gè)函數(shù)中做好對(duì)應(yīng)的處理即可。

4、其他處理

1. 由于用的先進(jìn)后出原因 , 我們要 倒敘 一下
2. 去重
3. order 文件格式要求：c函數(shù)、block 前面還需要加 _下劃線。
   核心代碼(不要忘記編譯配置哦)：

//引入頭文件
#import <dlfcn.h>
#import <libkern/OSAtomic.h>


//核心代碼
#pragma mark - 獲取order文件

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    NSMutableArray<NSString *> * symbolNames = [NSMutableArray array];
    while (YES) {
        //offsetof 就是針對(duì)某個(gè)結(jié)構(gòu)體找到某個(gè)屬性相對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)體的偏移量
        SymbolNode * node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(SymbolNode, next));
        if (node == NULL) break;
        Dl_info info;
        dladdr(node->pc, &info);
        
        NSString * name = @(info.dli_sname);
        
        // 添加 _
        BOOL isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
        NSString * symbolName = isObjc ? name : [@"_" stringByAppendingString:name];
        
        //去重
        if (![symbolNames containsObject:symbolName]) {
            [symbolNames addObject:symbolName];
        }
    }

    //取反
    NSArray * symbolAry = [[symbolNames reverseObjectEnumerator] allObjects];
    NSLog(@"%@",symbolAry);
    
    //將結(jié)果寫(xiě)入到文件
    NSString * funcString = [symbolAry componentsJoinedByString:@"\n"];
    NSString * filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"binary.order"];
    NSData * fileContents = [funcString dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    BOOL result = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
    if (result) {
        NSLog(@"%@",filePath);
    }else{
        NSLog(@"文件寫(xiě)入出錯(cuò)");
    }
    
}
//原子隊(duì)列
static OSQueueHead symbolList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定義符號(hào)結(jié)構(gòu)體
typedef struct{
    void * pc;
    void * next;
}SymbolNode;


#pragma mark - 靜態(tài)插樁代碼

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
                                         uint32_t *stop) {
    static uint64_t N;  // Counter for the guards.
    if (start == stop || *start) return;  // Initialize only once.
    printf("INIT: %p %p\n", start, stop);
    for (uint32_t *x = start; x < stop; x++)
        *x = ++N;  // Guards should start from 1.
}

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
    //if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check.
    
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    
    SymbolNode * node = malloc(sizeof(SymbolNode));
    *node = (SymbolNode){PC,NULL};
    
    //入隊(duì)
    // offsetof 用在這里是為了入隊(duì)添加下一個(gè)節(jié)點(diǎn)找到 前一個(gè)節(jié)點(diǎn)next指針的位置
    OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SymbolNode, next));
}

最后運(yùn)行，下載.order文件到本地，就可以愉快的玩耍了。

五、補(bǔ)充

5.1 swift / OC 混編工程問(wèn)題

通過(guò)如上方式適合純 OC 工程獲取符號(hào)。由于 swift 的編譯器前端是自己的 swift 編譯前端程序，因此配置稍有不同。搜索 Other Swift Flags，添加兩條配置即可：-sanitize-coverage=func、 -sanitize=undefined。swift類同樣可以通過(guò)這個(gè)方式獲取。

5.2 cocoapod 工程問(wèn)題

cocoapod 工程引入的庫(kù)，會(huì)產(chǎn)生多 target，我們?cè)谥?code>target添加的配置是不會(huì)生效的，我們需要針對(duì)需要的target做對(duì)應(yīng)的設(shè)置。
對(duì)于直接手動(dòng)導(dǎo)入到工程里的 sdk，不管是 靜態(tài)庫(kù) .a 還是 動(dòng)態(tài)庫(kù)，會(huì)默認(rèn)使用主工程的設(shè)置，也就是可以拿到符號(hào)的。

參考：
抖音研發(fā)實(shí)踐：基于二進(jìn)制文件重排的解決方案 APP啟動(dòng)速度提升超15%