通過前面的探討赁豆，我們知道內(nèi)存分頁觸發(fā)中斷異常 Page Fault 后椎镣，會阻塞進程杂曲，這個問題是會對性能產(chǎn)生影響庶艾。
實際上在 iOS 系統(tǒng)中，生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用擎勘，在發(fā)生缺頁中斷進行重新加載時 咱揍，iOS 系統(tǒng)還會對其做一次簽名驗證，因此 iOS 生產(chǎn)環(huán)境的 Page Fault 所產(chǎn)生的耗時要更多棚饵。
對用戶而言煤裙，使用App時第一個直接體驗就是啟動 App 時間，而啟動時期會有大量的類噪漾、分類硼砰、三方等等需要加載和執(zhí)行，此時多個 Page Fault 所產(chǎn)生的的耗時往往是不能小覷的欣硼，下面我們就通過二進制重排來優(yōu)化啟動耗時题翰。

抖音團隊分享的一個 Page Fault，開銷在 0.6 ~ 0.8ms诈胜。實際測試發(fā)現(xiàn)不同頁會有所不同 , 也跟 cpu 負荷狀態(tài)有關(guān) , 在 0.1 ~ 1.0 ms 之間 豹障。
二進制重排這個方案最早也是 抖音團隊 分享的，不過他們的解決方案有瑕疵耘斩，下面我們會針對性的解決沼填。

一、原理

假設(shè)在啟動時期我們需要調(diào)用兩個函數(shù) method1 與 method4括授，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)用順序來的坞笙，因此很可能這兩個函數(shù)分布在不同的內(nèi)存頁上。

原理.png

二咆疗、調(diào)試 Page Fault

最好是卸載App漓帚，重新安裝，調(diào)試第一次啟動的效果午磁。

1. 打開 Instruments尝抖，選擇 System Trace肾请。
2. 選擇真機秉颗，選擇工程，選擇啟動嫉你，當(dāng)頁面加載出來的時候登颓，停止搅荞。
3. 查看 Page Fault，如圖標(biāo)注挺据。
   
   Page Fault.png

File Backed Page In：即為 Page Fault取具，對應(yīng)的有count，一頁Page Fault最大耗時扁耐，最小耗時等參數(shù)暇检。

如果多次啟動調(diào)試，你會發(fā)現(xiàn)count的波動范圍很大婉称。所以如果想獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)块仆，最好重新安裝App或者打開多個App之后，再來調(diào)試王暗。
這是因為內(nèi)存管理機制悔据，殺掉進程時，他所占用的物理內(nèi)存空間俗壹，如果沒有被覆蓋使用科汗，那么這部分內(nèi)存有很大可能一直存在。重新打開绷雏，內(nèi)存就不需要全部初始化头滔。所以 冷熱啟動的界定不能以是否后臺殺死來簡單判斷。

三涎显、二進制重排

3.1 Order File

前面說了這么多坤检，那么具體該怎么操作呢？蘋果其實已經(jīng)給我們提供了這個機制期吓。

Order File.png

libobjc.order.png

1亿驾、order 文件里符號寫錯了或不存在會不會有問題：ld 會忽略這些符號嘹黔，如果提供了 link 選項 -order_file_statistics，他們會以 warning 的形式把這些沒找到的符號打印在日志里莫瞬。

2儡蔓、會不會影響上架：不會，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)表與符號表的順序疼邀。

3.2 如何查看項目符合順序

1. 可以設(shè)置 Write Link Map File 來設(shè)置是否輸出喂江，默認(rèn)是 no。Link Map 是編譯期間產(chǎn)生的 旁振，( ld 的讀取二進制文件順序默認(rèn)是按照 Compile Sources 里的順序 )获询，它記錄了二進制文件的布局。
2. 修改 Write Link Map File 為 YES拐袜，然后clean項目并重新編譯
3. Products -> show in finder吉嚣，上上層文件夾，然后找到一個xxxxx-LinkMap-normal-arm64.txt 的txt文件蹬铺。
   
   Link map.png
   
   這個文件的# Symbols: 部分存儲了所有符號的順序尝哆，前面的 .o 等內(nèi)容忽略 。
   
   Symbols.png
   
   我們發(fā)現(xiàn)符號順序明顯是按照 Compile Sources 的文件順序來排列的甜攀。
   文件中最左側(cè)地址就是 方法真實實現(xiàn)地址(實際代碼地址)而并非符號地址 , 因此我們二進制重排并非只是修改符號地址 , 而是利用符號順序 , 重新排列整個代碼在文件的偏移地址 , 將啟動需要加載的方法地址放到前面內(nèi)存頁中 , 以此達到減少 page fault 的次數(shù)從而實現(xiàn)時間上的優(yōu)化秋泄。

終端查看符號表命令(不準(zhǔn)確，僅供參考)赴邻。找到可執(zhí)行文件：
nm (file)：查看符號表
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實戰(zhàn)

1印衔、 新建一個項目，添加方法：

binary.png

截圖.png

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

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

order file.png

截圖.png

3.4 獲取啟動執(zhí)行的函數(shù)

到這里玻蝌，離啟動優(yōu)化就只差一步了，如何獲取啟動運行的函數(shù)词疼？大致有三種方案俯树，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)個數(shù)贰盗，需要用匯編來獲取參數(shù) 许饿。
2. 靜態(tài)掃描 machO 特定段和節(jié)里面所存儲的符號以及函數(shù)數(shù)據(jù)。
3. clang 插樁：完全拿到 swift舵盈、oc米辐、c、block 全部函數(shù)书释。

四翘贮、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 文檔中有詳細概述，以及簡短Demo演示爆惧。
思路：一是自己編寫 clang 插件狸页，另外一個就是利用 clang 本身已經(jīng)提供的一個工具來實現(xiàn)我們獲取所有符號的需求。

4.1 靜態(tài)插樁代碼

下面我們來探索一下這個靜態(tài)插樁代碼覆蓋工具的機制和原理扯再。
1芍耘、添加編譯設(shè)置：直接搜索 Other C Flags 來到 Apple Clang - Custom Compiler Flags 中 , 添加配置：-fsanitize-coverage=trace-pc-guard。
2熄阻、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斋竞、運行（最好是一個空工程，注釋我們前面手動添加的方法）秃殉，查看打影映酢：

trace-pc-guard.png

89dfb9d8a201.png

此時查看匯編纳令，你會發(fā)現(xiàn)：在每個函數(shù)調(diào)用的第一句實際代碼挽荠，會被添加進去了一個 bl 指令， 調(diào)用到 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 這個函數(shù)中來 平绩。
bl圈匆，匯編跳轉(zhuǎn)指令，即調(diào)用方法捏雌。bl之前是棧平衡與寄存器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備跃赚，不用關(guān)心。

這就是靜態(tài)插樁：靜態(tài)插樁實際上是在編譯期性湿，在每一個函數(shù)內(nèi)部第一行代碼處纬傲，添加 hook 代碼 ( 即我們添加的 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 函數(shù) ) ，實現(xiàn)全局的方法 hook肤频，即AOP效果叹括。

4.2 獲取函數(shù)符號

通過上面的分析我們知道，所有函數(shù)的第一步都會調(diào)用__sanitizer_cov_trace_pc_guard宵荒，那我們是不是可以通過這個函數(shù)獲取函數(shù)符號呢汁雷？
熟悉匯編的應(yīng)該知道：函數(shù)嵌套時 , 在跳轉(zhuǎn)子函數(shù)時净嘀，都會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)摔竿，在 arm 匯編中即 bl + 0x**** 指令面粮，該指令會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)行继低。
bl 能實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到某個地址的匯編指令熬苍，其原理就是修改 pc 寄存器的值來指向到要跳轉(zhuǎn)的地址，而且實際上 B 函數(shù)中也會對 x29 / x30 寄存器的值做保護袁翁，防止子函數(shù)又跳轉(zhuǎn)其他函數(shù)會覆蓋掉 x30 的值 , 當(dāng)然葉子函數(shù)除外柴底。
當(dāng) B 函數(shù)執(zhí)行 ret 也就是返回指令時，就會去讀取 x30 寄存器的地址粱胜，跳轉(zhuǎn)過去柄驻，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); 

它的作用其實就是去讀取 x30 中所存儲的要返回時下一條指令的地址焙压。所以他名稱叫做 __builtin_return_address鸿脓。換句話說，這個地址就是我當(dāng)前這個函數(shù)執(zhí)行完畢后涯曲，要返回到哪里去野哭。
bt 函數(shù)調(diào)用棧也是這種思路來實現(xiàn)的。也就是說 , 我們可以在 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 這個函數(shù)中 , 通過 __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幻件。

c5eaed5e0295.png

那么問題又來了，如果通過函數(shù)內(nèi)部內(nèi)存地址徽曲，獲取函數(shù)名稱呢零截？

熟悉安全攻防，逆向的同學(xué)可能會清楚秃臣。我們?yōu)榱朔乐鼓承┨囟ǖ姆椒ū粍e人使用 fishhook hook 掉瞻润，會利用 dlopen 打開動態(tài)庫，拿到一個句柄甜刻，進而拿到函數(shù)的內(nèi)存地址直接調(diào)用绍撞。那我們可以反過來使用。

與 dlopen.h 相同 , 在 dlfcn.h 中有一個方法如下 :

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

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

我們在項目中實踐一下得院，先導(dǎo)入頭文件 #import <dlfcn.h>傻铣，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 寫入order文件

寫入文件時有許多需要注意的地方，即坑點

1祥绞、多線程

考慮到這個方法會來特別多次非洲，使用鎖會影響性能鸭限，這里使用蘋果底層的原子隊列 ( 底層實際上是個棧結(jié)構(gòu)，利用隊列結(jié)構(gòu) + 原子性來保證順序 ) 來實現(xiàn)两踏。

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    //遍歷出隊
    while (true) {
        //offset 通過next指針在結(jié)構(gòu)體的偏移量败京，進而知道next的指向
        //offsetof 就是針對某個結(jié)構(gòu)體找到某個屬性相對這個結(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);
    }
}
//原子隊列
static OSQueueHead symboList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定義符號結(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
    // offsetof 用在這里是為了入隊添加下一個節(jié)點找到 前一個節(jié)點next指針的位置
    OSAtomicEnqueue(&symboList, node, offsetof(SymbolNode, next));
}

2、死循環(huán)

上述這種 clang 插樁的方式梦染，會在while循環(huán)中同樣插入 hook 代碼赡麦。
通過匯編會查看到 while 循環(huán)，會被多次靜態(tài)加入 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 調(diào)用帕识，導(dǎo)致死循環(huán)泛粹。
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)時調(diào)用肮疗。

cbnz：匯編執(zhí)行晶姊，while循環(huán)。

3伪货、load方法

有load 方法時们衙，__sanitizer_cov_trace_pc_guard 函數(shù)的參數(shù) guard 是 0，所以打印并沒有發(fā)現(xiàn) load碱呼。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函數(shù)之后/之前開始優(yōu)化蒙挑，那么我們可以通過一個全局靜態(tài)變量，在特定的時機修改其值巍举，在 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 這個函數(shù)中做好對應(yīng)的處理即可。

4凝垛、其他處理

1. 由于用的先進后出原因 , 我們要 倒敘 一下
2. 去重
3. order 文件格式要求：c函數(shù)懊悯、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 就是針對某個結(jié)構(gòu)體找到某個屬性相對這個結(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(@"文件寫入出錯");
    }
    
}
//原子隊列
static OSQueueHead symbolList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定義符號結(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
    // offsetof 用在這里是為了入隊添加下一個節(jié)點找到 前一個節(jié)點next指針的位置
    OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SymbolNode, next));
}

最后運行梦皮，下載.order文件到本地炭分，就可以愉快的玩耍了。

五剑肯、補充

5.1 swift / OC 混編工程問題

通過如上方式適合純 OC 工程獲取符號捧毛。由于 swift 的編譯器前端是自己的 swift 編譯前端程序，因此配置稍有不同让网。搜索 Other Swift Flags呀忧，添加兩條配置即可：-sanitize-coverage=func、 -sanitize=undefined溃睹。swift類同樣可以通過這個方式獲取而账。

5.2 cocoapod 工程問題

cocoapod 工程引入的庫，會產(chǎn)生多 target因篇，我們在主target添加的配置是不會生效的泞辐，我們需要針對需要的target做對應(yīng)的設(shè)置笔横。
對于直接手動導(dǎo)入到工程里的 sdk，不管是 靜態(tài)庫 .a 還是 動態(tài)庫咐吼，會默認(rèn)使用主工程的設(shè)置吹缔，也就是可以拿到符號的。

參考：
抖音研發(fā)實踐：基于二進制文件重排的解決方案 APP啟動速度提升超15%