iOS深思篇 | 启动时间的度量和优化「终于解决」

一. 简介

App的启动时间是衡量一个App性能的重要指标，或者可以说是App性能的第一印象。在这篇文章中，我们将要介绍启动时间的相关知识和打点统计。

二. 启动优化

2.1 App启动方式

首先了解一下App的启动方式分为两类：

1. 冷启动：从零开始启动App
2. 热启动：App已经存在内存当中，但是后台存活着，再次点击图标启动App

之后测试也依照这两种启动方式进行测试。一般来说启动时间（点击图标 -> 显示Launch Screen -> Launch Screen消失）在小于400ms是最佳的，并且系统限制了启动时间不可以大于20s，否则会因为watchdog(看门狗)机制被杀掉。 在不同的生命周期时，超时时间的限制会有所差别：

2.2 App启动流程

启动流程一般划分为pre-main(main函数之前)和main函数之后；

2.2.1 pre-main

该阶段各个时期的任务以及优化方法：

对于pre-main阶段，Xcode提供了各个阶段时间消耗的方法， Product -> Scheme -> Edit Scheme -> Environment Variables 中将环境变量 DYLD_PRINT_STATISTICS设为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%)
                              ...

这里额外补充一下其他的dyld环境变量参数：

这个方法确实很方便，但是我们如果想要自己度量per-main阶段的时间消耗，又如何统计呢？ 由于我们主要针对冷启动进行优化，就先介绍一下冷启动的流程：

可以将其归纳为三个阶段：

1. dyld：加载镜像，动态库
2. RunTime方法
3. main函数初始化

从图中可以看出开发者在main之前可以处理的是Run Image Initializers阶段（对应Apple展示图中的initializers阶段），load加载、__attribute__((constructor))和C++静态对象初始化;

load耗时监测

想知道load方法执行的时间，就不可避免的需要获取+load类和分类的方法。目前我了解到的也是有两种，一种是通过runtime api，去读取对应镜像下所有类及其元类，并逐个遍历元类的实例方法，如果方法名称为load，则执行hook操作，代表库是AppStartTime；一种是和 runtime一样，直接通过getsectiondata函数，读取编译时期写入mach-o文件DATA段的__objc_nlclslist和 __objc_nlcatlist节，这两节分别用来保存no lazy class列表和no lazy category列表，所谓的no lazy结构，就是定义了+load方法的类或分类，代表库是A4LoadMeasure。

先说一下两种方案对比结果：

从测试结果来看，当然我们会选择后者，还统计了分类load加载。而且从性能上看，前者会for循环调用object_getClass()方法，该方法会触发类的realize 操作，给类开辟可读写的信息存储空间、调整成员变量布局、插入分类方法属性等操作，简单来说就是让类变成可用(realized)状态，这样当有大量的类进行该操作时，会额外增加per-main时间，造成不必要的开销。

//获取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 类和分类的 +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);
}

Tip: 这里说明一个问题，A4LoadMeasure用LMAllLoadNumber定位最后一次打印有计算误差，稍微取巧了一下，改为在主线程获取，具体可查看demo;

attribute((constructor))和C++对象静态初始化

__attribute__是GNU C特色的一个编译器属性，可以通过iOS attribute了解一下；它与load,main,initialize的调用顺序如下：

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

好了，接下来，我们再次对比下这两个三方库：

统计下来，两者数据差不多，最主要的是打印了方法指针；A4LoadMeasure统计的方案我不敢苟同，只是在__attribute__((constructor))方法作用域前后打点就是C++ Static Initializers端所用时间？这波儿操作看不懂了；获取__mod_init_func（初始化的全局函数地址）段更值得认同；

简单介绍下初始化函数大致执行顺序如下：

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

最后一个函数是主要处理的逻辑，下面👇附上代码：

//该函数主要负责处理__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);
        }
    }
}

这里有一个问题说明下，原文也提到了，if ( ! this->containsAddress((void*)func) )这个判断函数地址是否在当前image的地址空间中，由于我们是在动态库中做函数地址替换，替换后的函数地址都是动态库中的了，没有在其他 image中，所以当其他image执行到这个判断时，就抛出了异常。在demo工程中这个现象还不明显，当工程架构复杂一些，这个问题就比较明显了；

三. 工程说明

目前工程已支持pod引入:

pod 'A0PreMainTime'

#******子组件单独引入***********
#pre-main阶段耗时检测
pod 'A0PreMainTime/PreMainTime'
#业务时间度量
pod 'A0PreMainTime/TimeMonitor'

具体请查看A0PreMainTime

学习：

计算 +load 方法的耗时

如何精确度量 iOS App 的启动时间

App启动时间优化

iOS启动时间优化

手淘iOS性能优化探索

美团外卖iOS App冷启动治理

扩展：

dyld详解

提交到AppStore问题：不支持的体系结构x86