二進(jìn)制重排原理

啟動優(yōu)化-概念與建議

在上一篇啟動優(yōu)化的概念中，我們理解了虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存，在加載APP不活躍的部分時，會訪問虛擬內(nèi)存的page(映射表)，而對應(yīng)的物理內(nèi)存沒有與映射表與之關(guān)聯(lián)的話，將會觸發(fā)缺頁異常(page fault)，這個時候就必須將應(yīng)用在虛擬內(nèi)存不活躍的部分在映射表進(jìn)行與物理內(nèi)存的關(guān)聯(lián)再加載應(yīng)用到物理內(nèi)存，可以理解觸發(fā)缺頁異常會對性能有一定的影響性。
一般來說，App在冷啟動的過程中，會有很多的類，分類，第三方需要加載和執(zhí)行，也就是會觸發(fā)最多次的缺頁異常，當(dāng)許多的缺頁異常一起觸發(fā)會帶來大量的耗時，如下以WeChat為例，啟動階段觸發(fā)Page Fault的次數(shù)
打開instruments的System Trace

點擊啟動，為了表現(xiàn)冷啟動，需要重啟手機清除緩存數(shù)據(jù)，

從instruments測試結(jié)果，可以看到pagefault次數(shù)有3193次，可以看到這個是非常影響性能的

優(yōu)化思路

測試

首先我們通過以下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(shè)置為YES 。

linkmap路徑 (或是上一張圖片的path to Link Map File)。

CMD+B編譯demo,依據(jù)對應(yīng)的路徑查找link map文件，如下所示，可以發(fā)現(xiàn)類中函數(shù)的加載順序是從上到下的。

*   而文件順序是根據(jù)Build Phases -> Compile Sources中的順序加載的。

思路

由上面的測試，可以看到，文件加載以及函數(shù)的調(diào)用的順序會影響page fault的數(shù)量，有極大的可能，在啟動時刻調(diào)用的方法是不同的page的，所以我們可以將我們在啟動時刻調(diào)用的方法排列在同一頁中，如此一來就可以減少觸發(fā)page fault的次數(shù)，這也就是二進(jìn)制重排原理。

注意：在iOS生產(chǎn)環(huán)境的app，在發(fā)生page fault進(jìn)行重新加載時，iOS系統(tǒng)還會對其做一次簽名驗證 ，因此iOS在生產(chǎn)環(huán)境的page Fault比Debug環(huán)境下所產(chǎn)生的耗時更多時間。

實現(xiàn)二進(jìn)制重排

名詞解釋

Link Map

Linkmap是iOS編譯過程中間的產(chǎn)物，紀(jì)錄了二進(jìn)制的文件佈局，需要再Xcode的Build Settings裡開啟Write Link Map File , Link Map 主要包含三個部分：
- Object Files生成二進(jìn)制用到的link單元的路徑和文件編號
- Sections 紀(jì)錄Mach-O每個Segment/section的地址範(fàn)圍
- Symbols按順序紀(jì)錄每個符號的地址範(fàn)圍

ld

ld是Xcode使用的鏈接器，有一個參數(shù)order_file，我們可以通過在Build Settings -> Order File 配置一個後綴為order的文件路徑。在這個order文件中，將所需要的符號按照順序?qū)懺谘e面，在項目編譯時，會按照這個文件的順序進(jìn)行加載，以此來達(dá)到我們的優(yōu)化。也就是說二進(jìn)制重排的本質(zhì)就是對啟動加載的符號進(jìn)行重新排列。
但是我們要如何獲取我們的函數(shù)呢？以下有幾個思路...
1. hook objc_msgSend:我們知道，函數(shù)的本質(zhì)是發(fā)送消息，在底層都會來到objc_msgSend，但是由於objc_msgSend的參數(shù)是可變的，需要通過彙編獲取，對開發(fā)人員要求較高，且也只能拿到OC和swift中@objc後的方法。
2. 靜態(tài)掃描：掃描Mach-O特定段ㄉ和節(jié)裡面所存儲的符號以及函數(shù)數(shù)據(jù)
3. Clang插樁：批量hook，可以實現(xiàn)１００％符號覆蓋，最完全獲取swift，OC，block函數(shù)

Clang 插樁

llvm內(nèi)置了一個簡單的代碼覆蓋率檢測(SanitizerCoverage)。他對於基本塊級邊緣級插入對用戶定義函數(shù)的調(diào)用。接下來介紹的批量hook，就需要借助於sanitizerCoverage 。
關(guān)於clang的插樁覆蓋的官方文檔如下：

Clang 12 documentation

文檔中有詳細(xì)描述即簡短的Demo演示。

第一步：開啟`SanitizerCoverage`

OC項目：Build Settings→Other C Flags 添加 fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard
Swift項目：須額外在Build Settings →Other Swift Flags 中加入sanitize-coverage=func 和 sanitize=undefined
所有鏈接到App中的二進(jìn)制都需要開啟SanitizerCoverage ，這樣才能完全覆蓋到所有調(diào)用
也可以通過podfile 來配置參數(shù)

 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`ACOrderFile`，重寫兩個方法

__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init 方法

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.
}

參數(shù)1:start是一個指針，指向無符號int類，4個字節(jié)，相當(dāng)於一個數(shù)組的起始位置 ，即符號的起始位置（是從高位往低位讀）

參數(shù)２:Stop 也是一個指針，由於取數(shù)據(jù)是從高地址往低地址讀取的，所以如果直接讀取stop的地址並不是stop真正的地址，而是讀取到最後的地址，所以讀取stop時，由於stop占4個字節(jié)，stop真實地址 = stop打印的地址-0x4

stop內(nèi)存地址中存儲的值表示什麼呢？我們可以增加一個方法/C++/屬性的方法(多３個)，發(fā)現(xiàn)其值也會增加對應(yīng)的數(shù)，例如我們增加一個test1方法?？梢钥吹綌?shù)據(jù)從1d變成了1e

__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(shù)guard是一個哨兵，告訴我們是第幾個被調(diào)用的
符號的存儲需要借助於鏈表，所以需要定義鏈表節(jié)點ACNode
通過OSQueueHead創(chuàng)建原子隊列，其目的是保證讀寫的安全
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 symbolList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
       //定義符號結(jié)構(gòu)體，以鏈表的形式
       typedef struct {
           void *pc;
           void *next;
       }ACNode;

       /*
        - start：起始位置
        - stop：並不是最後一個符號地址，而是整個符號表的最後一個地址，
        最後一個符號的地址=stop-4
       （因為讀取數(shù)據(jù)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(jié)）。
        stop存儲的值是符號
        */
       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(shù)、以及block調(diào)用，用於捕捉符號，是多線程進(jìn)行的，
        這個方式只儲存pc，以鏈表的形式

        - guard 是一個哨兵，告訴我們是第幾個被調(diào)用的
        */
       void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
           //將load方法過濾掉了，所以需要注釋掉
           //    if (!*guard) return;

           //獲取PC
           /*
            - PC 當(dāng)前函數(shù)返回上一個調(diào)用的地址
            - 0 當(dāng)前這個函數(shù)地址，即當(dāng)前函數(shù)的返回地址
            - 1 當(dāng)前函數(shù)調(diào)用者的地址，即上一個函數(shù)的返回地址
           */
           void *PC = __builtin_return_address(0);
           //創(chuàng)建node，並賦值
           ACNode *node = malloc(sizeof(ACNode));
           *node = (ACNode){PC, NULL};

           //加入隊列
           //符號的訪問不是通過下標(biāo)訪問，是通過鏈表的next指針，
           //所以需要借用offsetof（結(jié)構(gòu)體類型，下一個的地址即next）
           OSAtomicEnqueue(&queue, node, offsetof(ACNode, next));
       }

第三步：獲取所有符號並寫入文件

while循環(huán)從隊列中取出符號，處理非OC方法的前綴，存入數(shù)組中
數(shù)組取反，因為入隊儲存的順序是反序的。
數(shù)組去重，並移除本身方法的符號
將數(shù)組中的符號轉(zhuǎn)成字符串並寫入到AC.oder文件中
另外也可以在第一個didFinishLaunchingWithOptions根視圖，獲取符號(這部分可以由自己決定，以下範(fàn)例是在touchesBegan方法調(diào)用時獲取)

    -(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
    {
        NSMutableArray <NSString *> * symbolNames = [NSMutableArray array];
        //while 循環(huán)取符號
        while (YES) {
            //出隊
            ACNode * node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(ACNode, next));
            if (node == NULL) {
                break;
            }
            //取出PC存入info
            Dl_info info;
            dladdr(node->pc, &info);
            //printf("%s \\n", info.dli_sname);
            NSString * name = @(info.dli_sname);
            //判斷是不是OC方法，如果不是需要加下滑線，反之，則直接存儲
            BOOL  isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
            NSString * symbolName = isObjc ? name: [@"_" stringByAppendingString:name];
            [symbolNames addObject:symbolName];
        }
        //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:[NSString stringWithFormat:@"%s",__FUNCTION__]];
        //將數(shù)組變成字符串
        NSString * funcStr = [funcs  componentsJoinedByString:@"\\n"];
        //字符串寫入文件
        NSString * filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"AC.order"];
        NSData * fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
        [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
        NSLog(@"%@",funcStr);
    }

注意點：避免死循環(huán)

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

我們透過彙編查看，發(fā)現(xiàn)有三個地方調(diào)用__sanitizer_cov_trace_pc_guard 的調(diào)用
第一次 touchBegin調(diào)用__sanitizer_cov_trace_pc_guard

第二次bl跳轉(zhuǎn)跳轉(zhuǎn)因為while循環(huán)，只要跳轉(zhuǎn)就會被hook，即有b，bl指令，就會被hook
第三次bl是printf

解決方式是將BuildSetting中的other C Flags改成-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard

第四步拷貝文件，放入指定位置並配置路徑

一般將該文件放入主項目的路徑下，並在Build Settings -> Order File 中配置./AC.order，下面是配置前後的對比
沒有配置，照序加載

有配置，依照啟動時時刻所需（自己配置的.oder文件）加載

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啟動優(yōu)化－二進(jìn)制重排與clang插樁

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二進(jìn)制重排原理

優(yōu)化思路

測試

思路

實現(xiàn)二進(jìn)制重排

名詞解釋

Link Map

ld

Clang 插樁

第一步：開啟`SanitizerCoverage`

第二步：重寫方法，新建一個OC文件`ACOrderFile`，重寫兩個方法

第三步：獲取所有符號並寫入文件

注意點：避免死循環(huán)

第四步拷貝文件，放入指定位置並配置路徑

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優(yōu)化思路

測試

思路

實現(xiàn)二進(jìn)制重排

名詞解釋

Link Map

ld

Clang 插樁

第一步：開啟SanitizerCoverage

第二步：重寫方法，新建一個OC文件ACOrderFile，重寫兩個方法

第三步：獲取所有符號並寫入文件

注意點：避免死循環(huán)

第四步 拷貝文件，放入指定位置 並配置路徑

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第一步：開啟`SanitizerCoverage`

第二步：重寫方法，新建一個OC文件`ACOrderFile`，重寫兩個方法

第四步拷貝文件，放入指定位置並配置路徑