深入理解 iOS App 的啟動(dòng)過程

前言

啟動(dòng)時(shí)間是衡量應(yīng)用品質(zhì)的重要指標(biāo)。

本文首先會(huì)從原理上出發(fā),講解iOS系統(tǒng)是如何啟動(dòng)App的,然后從main函數(shù)之前和main函數(shù)之后兩個(gè)角度去分析如何優(yōu)化啟動(dòng)時(shí)間。

準(zhǔn)備知識(shí)

Mach-O

哪些名詞指的是Mach-o

  • Executable 可執(zhí)行文件
  • Dylib 動(dòng)態(tài)庫(kù)
  • Bundle 無法被連接的動(dòng)態(tài)庫(kù),只能通過dlopen()加載
  • Image 指的是Executable,Dylib或者Bundle的一種,文中會(huì)多次使用Image這個(gè)名詞。
  • Framework 動(dòng)態(tài)庫(kù)和對(duì)應(yīng)的頭文件和資源文件的集合

Apple出品的操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件格式幾乎都是mach-o,iOS當(dāng)然也不例外。

mach-o可以大致的分為三部分:

image
  • Header 頭部,包含可以執(zhí)行的CPU架構(gòu),比如x86,arm64
  • Load commands 加載命令,包含文件的組織架構(gòu)和在虛擬內(nèi)存中的布局方式
  • Data,數(shù)據(jù),包含load commands中需要的各個(gè)段(segment)的數(shù)據(jù),每一個(gè)Segment都得大小是Page的整數(shù)倍。

我們用MachOView打開Demo工程的可以執(zhí)行文件,來驗(yàn)證下mach-o的文件布局:

image

圖中分析的mach-o文件來源于PullToRefreshKit,這是一個(gè)純Swift的編寫的工程。

那么Data部分又包含哪些segment呢?絕大多數(shù)mach-o包括以下三個(gè)段(支持用戶自定義Segment,但是很少使用)

  • __TEXT 代碼段,只讀,包括函數(shù),和只讀的字符串,上圖中類似__TEXT,__text的都是代碼段
  • __DATA 數(shù)據(jù)段,讀寫,包括可讀寫的全局變量等,上圖類似中的__DATA,__data都是數(shù)據(jù)段
  • __LINKEDIT __LINKEDIT包含了方法和變量的元數(shù)據(jù)(位置,偏移量),以及代碼簽名等信息。

關(guān)于mach-o更多細(xì)節(jié),可以看看文檔:《Mac OS X ABI Mach-O File Format Reference》。

dyld

dyld的全稱是dynamic loader,它的作用是加載一個(gè)進(jìn)程所需要的image,dyld是開源的。

Virtual Memory

虛擬內(nèi)存是在物理內(nèi)存上建立的一個(gè)邏輯地址空間,它向上(應(yīng)用)提供了一個(gè)連續(xù)的邏輯地址空間,向下隱藏了物理內(nèi)存的細(xì)節(jié)。
虛擬內(nèi)存使得邏輯地址可以沒有實(shí)際的物理地址,也可以讓多個(gè)邏輯地址對(duì)應(yīng)到一個(gè)物理地址。
虛擬內(nèi)存被劃分為一個(gè)個(gè)大小相同的Page(64位系統(tǒng)上是16KB),提高管理和讀寫的效率。 Page又分為只讀和讀寫的Page。</pre>

虛擬內(nèi)存是建立在物理內(nèi)存和進(jìn)程之間的中間層。在iOS上,當(dāng)內(nèi)存不足的時(shí)候,會(huì)嘗試釋放那些只讀的Page,因?yàn)橹蛔x的Page在下次被訪問的時(shí)候,可以再?gòu)拇疟P讀取。如果沒有可用內(nèi)存,會(huì)通知在后臺(tái)的App(也就是在這個(gè)時(shí)候收到了memory warning),如果在這之后仍然沒有可用內(nèi)存,則會(huì)殺死在后臺(tái)的App。

Page fault

在應(yīng)用執(zhí)行的時(shí)候,它被分配的邏輯地址空間都是可以訪問的,當(dāng)應(yīng)用訪問一個(gè)邏輯Page,而在對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存中并不存在的時(shí)候,這時(shí)候就發(fā)生了一次Page fault。當(dāng)Page fault發(fā)生的時(shí)候,會(huì)中斷當(dāng)前的程序,在物理內(nèi)存中尋找一個(gè)可用的Page,然后從磁盤中讀取數(shù)據(jù)到物理內(nèi)存,接著繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前程序。

Dirty Page & Clean Page

  • 如果一個(gè)Page可以從磁盤上重新生成,那么這個(gè)Page稱為Clean Page
  • 如果一個(gè)Page包含了進(jìn)程相關(guān)信息,那么這個(gè)Page稱為Dirty Page

像代碼段這種只讀的Page就是Clean Page。而像數(shù)據(jù)段(_DATA)這種讀寫的Page,當(dāng)寫數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)候,會(huì)觸發(fā)COW(Copy on write),也就是寫時(shí)復(fù)制,Page會(huì)被標(biāo)記成Dirty,同時(shí)會(huì)被復(fù)制。

想要了解更多細(xì)節(jié),可以閱讀文檔:Memory Usage Performance Guidelines

啟動(dòng)過程

使用dyld2啟動(dòng)應(yīng)用的過程如圖:

image

大致的過程如下:

加載dyld到App進(jìn)程
加載動(dòng)態(tài)庫(kù)(包括所依賴的所有動(dòng)態(tài)庫(kù))
Rebase
Bind
初始化Objective C Runtime
其它的初始化代碼

加載動(dòng)態(tài)庫(kù)

dyld會(huì)首先讀取mach-o文件的Header和load commands。
接著就知道了這個(gè)可執(zhí)行文件依賴的動(dòng)態(tài)庫(kù)。例如加載動(dòng)態(tài)庫(kù)A到內(nèi)存,接著檢查A所依賴的動(dòng)態(tài)庫(kù),就這樣的遞歸加載,直到所有的動(dòng)態(tài)庫(kù)加載完畢。通常一個(gè)App所依賴的動(dòng)態(tài)庫(kù)在100-400個(gè)左右,其中大多數(shù)都是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù),它們會(huì)被緩存到dyld shared cache,這樣讀取的效率會(huì)很高。

查看mach-o文件所依賴的動(dòng)態(tài)庫(kù),可以通過MachOView的圖形化界面(展開Load Command就能看到),也可以通過命令行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

這里先來講講為什么要Rebase?

有兩種主要的技術(shù)來保證應(yīng)用的安全:ASLR和Code Sign。

ASLR的全稱是Address space layout randomization,翻譯過來就是“地址空間布局隨機(jī)化”。App被啟動(dòng)的時(shí)候,程序會(huì)被影射到邏輯的地址空間,這個(gè)邏輯的地址空間有一個(gè)起始地址,而ASLR技術(shù)使得這個(gè)起始地址是隨機(jī)的。如果是固定的,那么黑客很容易就可以由起始地址+偏移量找到函數(shù)的地址。

Code Sign相信大多數(shù)開發(fā)者都知曉,這里要提一點(diǎn)的是,在進(jìn)行Code sign的時(shí)候,加密哈希不是針對(duì)于整個(gè)文件,而是針對(duì)于每一個(gè)Page的。這就保證了在dyld進(jìn)行加載的時(shí)候,可以對(duì)每一個(gè)page進(jìn)行獨(dú)立的驗(yàn)證。

mach-o中有很多符號(hào),有指向當(dāng)前mach-o的,也有指向其他dylib的,比如printf。那么,在運(yùn)行時(shí),代碼如何準(zhǔn)確的找到printf的地址呢?

mach-o中采用了PIC技術(shù),全稱是Position Independ code。當(dāng)你的程序要調(diào)用printf的時(shí)候,會(huì)先在__DATA段中建立一個(gè)指針指向printf,在通過這個(gè)指針實(shí)現(xiàn)間接調(diào)用。dyld這時(shí)候需要做一些fix-up工作,即幫助應(yīng)用程序找到這些符號(hào)的實(shí)際地址。主要包括兩部分

  • Rebase 修正內(nèi)部(指向當(dāng)前mach-o文件)的指針指向
  • Bind 修正外部指針指向
image

之所以需要Rebase,是因?yàn)閯倓偺岬降腁SLR使得地址隨機(jī)化,導(dǎo)致起始地址不固定,另外由于Code Sign,導(dǎo)致不能直接修改Image。Rebase的時(shí)候只需要增加對(duì)應(yīng)的偏移量即可。待Rebase的數(shù)據(jù)都存放在__LINKEDIT中。
可以通過MachOView查看:Dynamic Loader Info -> Rebase Info

也可以通過命令行:

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解決了內(nèi)部的符號(hào)引用問題,而外部的符號(hào)引用則是由Bind解決。在解決Bind的時(shí)候,是根據(jù)字符串匹配的方式查找符號(hào)表,所以這個(gè)過程相對(duì)于Rebase來說是略慢的。

同樣,也可以通過xcrun dyldinfo來查看Bind的信息,比如我們查看bind信息中,包含UITableView的部分:

192:Desktop Leoxcrun 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是動(dòng)態(tài)語(yǔ)言,所以在執(zhí)行main函數(shù)之前,需要把類的信息注冊(cè)到一個(gè)全局的Table中。同時(shí),Objective C支持Category,在初始化的時(shí)候,也會(huì)把Category中的方法注冊(cè)到對(duì)應(yīng)的類中,同時(shí)會(huì)唯一Selector,這也是為什么當(dāng)你的Cagegory實(shí)現(xiàn)了類中同名的方法后,類中的方法會(huì)被覆蓋。

另外,由于iOS開發(fā)時(shí)基于Cocoa Touch的,所以絕大多數(shù)的類起始都是系統(tǒng)類,所以大多數(shù)的Runtime初始化起始在Rebase和Bind中已經(jīng)完成。

Initializers

接下來就是必要的初始化部分了,主要包括幾部分:

  • +load方法。
  • C/C++靜態(tài)初始化對(duì)象和標(biāo)記為attribute(constructor)的方法

這里要提一點(diǎn)的就是,+load方法已經(jīng)被棄用了,如果你用Swift開發(fā),你會(huì)發(fā)現(xiàn)根本無法去寫這樣一個(gè)方法,官方的建議是實(shí)用initialize。區(qū)別就是,load是在類裝載的時(shí)候執(zhí)行,而initialize是在類第一次收到message前調(diào)用。

dylD3

上文的講解是dyld2的加載方式。而最新的是dyld3加載方式略有不同:

image

dyld2是純粹的in-process,也就是在程序進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的,也就意味著只有當(dāng)應(yīng)用程序被啟動(dòng)的時(shí)候,dyld2才能開始執(zhí)行任務(wù)。

dyld3則是部分out-of-process,部分in-process。圖中,虛線之上的部分是out-of-process的,在App下載安裝和版本更新的時(shí)候會(huì)去執(zhí)行,out-of-process會(huì)做如下事情:

  • 分析Mach-o Headers
  • 分析依賴的動(dòng)態(tài)庫(kù)
  • 查找需要Rebase & Bind之類的符號(hào)
  • 把上述結(jié)果寫入緩存

這樣,在應(yīng)用啟動(dòng)的時(shí)候,就可以直接從緩存中讀取數(shù)據(jù),加快加載速度。

啟動(dòng)時(shí)間

冷啟動(dòng) VS 熱啟動(dòng)

如果你剛剛啟動(dòng)過App,這時(shí)候App的啟動(dòng)所需要的數(shù)據(jù)仍然在緩存中,再次啟動(dòng)的時(shí)候稱為熱啟動(dòng)。如果設(shè)備剛剛重啟,然后啟動(dòng)App,這時(shí)候稱為冷啟動(dòng)。

啟動(dòng)時(shí)間在小于400ms是最佳的,因?yàn)閺狞c(diǎn)擊圖標(biāo)到顯示Launch Screen,到Launch Screen消失這段時(shí)間是400ms。啟動(dòng)時(shí)間不可以大于20s,否則會(huì)被系統(tǒng)殺掉。

在Xcode中,可以通過設(shè)置環(huán)境變量來查看App的啟動(dòng)時(shí)間,DYLD_PRINT_STATISTICS和DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS。

image

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%)

對(duì)于這個(gè)libMainThreadChecker.dylib估計(jì)很多同學(xué)會(huì)有點(diǎn)陌生,這是XCode 9新增的動(dòng)態(tài)庫(kù),用來做主線成檢查的。

優(yōu)化啟動(dòng)時(shí)間

啟動(dòng)時(shí)間這個(gè)名詞,不同的人有不同的定義。在我看來,

啟動(dòng)時(shí)間是用戶點(diǎn)擊App圖標(biāo),到第一個(gè)界面展示的時(shí)間。

以main函數(shù)作為分水嶺,啟動(dòng)時(shí)間其實(shí)包括了兩部分:main函數(shù)之前和main函數(shù)到第一個(gè)界面的viewDidAppear:。所以,優(yōu)化也是從兩個(gè)方面進(jìn)行的,個(gè)人建議優(yōu)先優(yōu)化后者,因?yàn)榻^大多數(shù)App的瓶頸在自己的代碼里。

Main函數(shù)之后

我們首先來分析下,從main函數(shù)開始執(zhí)行,到你的第一個(gè)界面顯示,這期間一般會(huì)做哪些事情。

  • 執(zhí)行AppDelegate的代理方法,主要是didFinishLaunchingWithOptions
  • 初始化Window,初始化基礎(chǔ)的ViewController結(jié)構(gòu)(一般是UINavigationController+UITabViewController)
  • 獲取數(shù)據(jù)(Local DB/Network),展示給用戶。

UIViewController

延遲初始化那些不必要的UIViewController。</pre>

比如網(wǎng)易新聞:

image

在啟動(dòng)的時(shí)候只需要初始化首頁(yè)的頭條頁(yè)面即可。像“要聞”,“我的”等頁(yè)面,則延遲加載,即啟動(dòng)的時(shí)候只是一個(gè)UIViewController作為占位符給TabController,等到用戶點(diǎn)擊了再去進(jìn)行真正的數(shù)據(jù)和視圖的初始化工作。

AppDelegate

通常我們會(huì)在AppDelegate的代理方法里進(jìn)行初始化工作,主要包括了兩個(gè)方法:

  • didFinishLaunchingWithOptions
  • applicationDidBecomeActive

優(yōu)化這些初始化的核心思想就是:

能延遲初始化的盡量延遲初始化,不能延遲初始化的盡量放到后臺(tái)初始化。

這些工作主要可以分為幾類:

  • 三方SDK初始化,比如Crash統(tǒng)計(jì); 像分享之類的,可以等到第一次調(diào)用再出初始化。
  • 初始化某些基礎(chǔ)服務(wù),比如WatchDog,遠(yuǎn)程參數(shù)。
  • 啟動(dòng)相關(guān)日志,日志往往涉及到DB操作,一定要放到后臺(tái)去做
  • 業(yè)務(wù)方初始化,這個(gè)交由每個(gè)業(yè)務(wù)自己去控制初始化時(shí)間。

對(duì)于didFinishLaunchingWithOptions的代碼,建議按照以下的方式進(jìn)行劃分:

@interface AppDelegate ()
//業(yè)務(wù)方需要的生命周期回調(diào)
@property (strong, nonatomic) NSArray<id<UIApplicationDelegate>> * eventQueues;
//主框架負(fù)責(zé)的生命周期回調(diào)
@property (strong, nonatomic) id<UIApplicationDelegate> basicDelegate;
@end

然后,你會(huì)得到一個(gè)非常干凈的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];
    }

由于對(duì)這些初始化進(jìn)行了分組,在開發(fā)期就可以很容易的控制每一個(gè)業(yè)務(wù)的初始化時(shí)間:

CFTimeInterval startTime = CACurrentMediaTime();
//執(zhí)行方法
CFTimeInterval endTime = CACurrentMediaTime();</pre>

用Time Profiler找到元兇

Time Profiler在分析時(shí)間占用上非常強(qiáng)大。實(shí)用的時(shí)候注意三點(diǎn)

  • 在打包模式下分析(一般是Release),這樣和線上環(huán)境一樣。
  • 記得開啟dsym,不然無法查看到具體的函數(shù)調(diào)用堆棧
  • 分析性能差的設(shè)備,對(duì)于支持iOS 8的,一般分析iphone 4s或者iphone 5。

一個(gè)典型的分析界面如下:

image

幾點(diǎn)要注意:

  1. 分析啟動(dòng)時(shí)間,一般只關(guān)心主線程
  2. 選擇Hide System Libraries和Invert Call Tree,這樣我們能專注于自己的代碼
  3. 右側(cè)可以看到詳細(xì)的調(diào)用堆棧信息

在某一行上雙擊,我們可以進(jìn)入到代碼預(yù)覽界面,去看看實(shí)際每一行占用了多少時(shí)間:

image

小結(jié)

不同的App在啟動(dòng)的時(shí)候做的事情往往不同,但是優(yōu)化起來的核心思想無非就兩個(gè):

  • 能延遲執(zhí)行的就延遲執(zhí)行。比如SDK的初始化,界面的創(chuàng)建。
  • 不能延遲執(zhí)行的,盡量放到后臺(tái)執(zhí)行。比如數(shù)據(jù)讀取,原始JSON數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)對(duì)象,日志發(fā)送。

Main函數(shù)之前

Main函數(shù)之前是iOS系統(tǒng)的工作,所以這部分的優(yōu)化往往更具有通用性。

dylibs

啟動(dòng)的第一步是加載動(dòng)態(tài)庫(kù),加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)使很快的,因?yàn)榭梢跃彺?,而加載內(nèi)嵌的動(dòng)態(tài)庫(kù)速度較慢。所以,提高這一步的效率的關(guān)鍵是:減少動(dòng)態(tài)庫(kù)的數(shù)量。

合并動(dòng)態(tài)庫(kù),比如公司內(nèi)部由私有Pod建立了如下動(dòng)態(tài)庫(kù):XXTableView, XXHUD, XXLabel,強(qiáng)烈建議合并成一個(gè)XXUIKit來提高加載速度。

Rebase & Bind & Objective C Runtime

Rebase和Bind都是為了解決指針引用的問題。對(duì)于Objective C開發(fā)來說,主要的時(shí)間消耗在Class/Method的符號(hào)加載上,所以常見的優(yōu)化方案是:

  • 減少__DATA段中的指針數(shù)量。
  • 合并Category和功能類似的類。比如:UIView+Frame,UIView+AutoLayout…合并為一個(gè)
  • 刪除無用的方法和類。
  • 多用Swift Structs,因?yàn)镾wfit Structs是靜態(tài)分發(fā)的。感興趣的同學(xué)可以看看我之前這篇文章:《Swift進(jìn)階之內(nèi)存模型和方法調(diào)度》
  • Initializers

通常,我們會(huì)在+load方法中進(jìn)行method-swizzling,這也是Nshipster推薦的方式。

  • 用initialize替代load。不少同學(xué)喜歡用method-swizzling來實(shí)現(xiàn)AOP去做日志統(tǒng)計(jì)等內(nèi)容,強(qiáng)烈建議改為在initialize進(jìn)行初始化。
  • 減少atribute((constructor))的使用,而是在第一次訪問的時(shí)候才用dispatch_once等方式初始化。
  • 不要?jiǎng)?chuàng)建線程
  • 使用Swfit重寫代碼。

參考資料

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請(qǐng)聯(lián)系作者
【社區(qū)內(nèi)容提示】社區(qū)部分內(nèi)容疑似由AI輔助生成,瀏覽時(shí)請(qǐng)結(jié)合常識(shí)與多方信息審慎甄別。
平臺(tái)聲明:文章內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))由作者上傳并發(fā)布,文章內(nèi)容僅代表作者本人觀點(diǎn),簡(jiǎn)書系信息發(fā)布平臺(tái),僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。

相關(guān)閱讀更多精彩內(nèi)容

友情鏈接更多精彩內(nèi)容