參考鏈接： 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%

一、原理

1痪伦、虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存

早期計(jì)算機(jī)沒(méi)有虛擬地址，一旦加載都會(huì)全部加載到內(nèi)存中，而且進(jìn)程都是按順序排列的谦屑，這樣別的進(jìn)程只需要把自己的地址加一些就能訪問(wèn)到別的進(jìn)程這樣就很不安全。

現(xiàn)在軟件發(fā)展的比硬件快篇梭，軟件占用的內(nèi)存越來(lái)越大氢橙，這就導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的內(nèi)存不夠用，當(dāng)開(kāi)啟多個(gè)軟件時(shí)候恬偷，如果內(nèi)存不夠用就只能等待悍手，只有等前面的軟件關(guān)掉后才能加載打開(kāi)，這就是早期計(jì)算機(jī)有時(shí)候?yàn)樯吨挥邪亚懊娴能浖P(guān)掉才能打開(kāi)新軟件的原因袍患。用戶使用軟件時(shí)候并不是使用到全部?jī)?nèi)存坦康，只會(huì)使用到一部分，如果軟件一打開(kāi)就把軟件全部加載到內(nèi)存中诡延，這樣會(huì)很浪費(fèi)內(nèi)存空間滞欠。

基于上面原因虛擬內(nèi)存技術(shù)出現(xiàn)了，軟件打開(kāi)后肆良，軟件自己以為有一大片內(nèi)存空間筛璧，但實(shí)際上是虛擬的，而虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存是通過(guò)一張表來(lái)關(guān)聯(lián)的惹恃，可以看下下面兩張表：

image.png

進(jìn)程1運(yùn)行時(shí)候會(huì)開(kāi)辟一塊內(nèi)存空間夭谤，但訪問(wèn)到內(nèi)存條的時(shí)候并不是這塊內(nèi)存空間，而且通過(guò)訪問(wèn)地址通過(guò)進(jìn)程1的映射表映射到不同的物理內(nèi)存空間巫糙，這個(gè)叫地址翻譯朗儒，這個(gè)過(guò)程需要CPU和操作系統(tǒng)配合，因?yàn)檫@個(gè)映射表是操作系統(tǒng)來(lái)管理的参淹，當(dāng)我們調(diào)試時(shí)候發(fā)現(xiàn)訪問(wèn)數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址都是連續(xù)的醉锄，其實(shí)這是一個(gè)假象，在這個(gè)進(jìn)程內(nèi)部可以訪問(wèn)浙值，是因?yàn)樵L問(wèn)時(shí)候會(huì)通過(guò)該進(jìn)程的內(nèi)存映射表去拿到真正的物理內(nèi)存地址恳不，假如其他進(jìn)程訪問(wèn)的話，其他進(jìn)程沒(méi)有相應(yīng)的映射表亥鸠，自然就訪問(wèn)不到真正的物理內(nèi)存地址妆够，這樣就解決了內(nèi)存安全問(wèn)題识啦。

內(nèi)存使用率問(wèn)題：
內(nèi)存分頁(yè)管理，映射表不能以字節(jié)為單位神妹，是以頁(yè)為單位颓哮，Linux是以4K為一頁(yè)，iOS是以16K位一頁(yè)鸵荠，但是mac系統(tǒng)是4K一頁(yè)冕茅，可以在mac終端輸入pageSize，發(fā)現(xiàn)返回的是4096蛹找。
為啥分頁(yè)后內(nèi)存就夠用呢姨伤，因?yàn)閼?yīng)用內(nèi)存是虛擬的，所以當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)候程序會(huì)認(rèn)為自己有很多的內(nèi)存：

image.png

但是這時(shí)候有個(gè)問(wèn)題，虛擬內(nèi)存解決了安全和效率問(wèn)題饱普，但是出現(xiàn)了另個(gè)安全問(wèn)題运挫，因?yàn)樘摂M內(nèi)存在編譯鏈接時(shí)候就確定了，那么黑客很容易通過(guò)分析拿到對(duì)應(yīng)的虛擬內(nèi)存去操作 套耕，這樣就造成所有的代碼都很好hook谁帕，代碼注入，這個(gè)時(shí)候就出現(xiàn)了新技術(shù)ASLR（Address space layout randomization 地址空間隨機(jī)化）冯袍，就是進(jìn)程每次加載的時(shí)候都會(huì)給一個(gè)隨機(jī)的偏移量匈挖，這樣就保證每次加載進(jìn)程時(shí)候虛擬內(nèi)存也在變化碾牌，iOS從iOS4就開(kāi)始了。

二進(jìn)制重拍：
因?yàn)樘摂M內(nèi)存中有個(gè)很大問(wèn)題就是缺頁(yè)中斷儡循，這個(gè)操作很耗時(shí)間舶吗，并且iOS不僅僅是將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，還要對(duì)這頁(yè)做簽名認(rèn)證择膝，所以iOS耗時(shí)比較長(zhǎng)誓琼，并且每頁(yè)耗時(shí)有很大差距，0.1ms到0.8毫秒肴捉，使用過(guò)程中可能時(shí)間段感覺(jué)不到腹侣，但是啟動(dòng)時(shí)候會(huì)有很多數(shù)據(jù)要加載，這樣就會(huì)導(dǎo)致耗時(shí)很長(zhǎng)齿穗，假如我們啟動(dòng)時(shí)候在不同頁(yè)面傲隶，因?yàn)榇a在machO的位置不是根據(jù)調(diào)用瞬間，而是通過(guò)文件編譯的位置來(lái)的窃页，有可能啟動(dòng)時(shí)候在運(yùn)行時(shí)候會(huì)調(diào)用很多次page Fault伦籍，那么如果把所有啟動(dòng)時(shí)候的代碼都放在一頁(yè)或者兩頁(yè)，這樣就很大程度上優(yōu)化啟動(dòng)速度腮出，這種方法就叫做二進(jìn)制重拍帖鸦。

進(jìn)程如果能直接訪問(wèn)物理內(nèi)存無(wú)疑是很不安全的，所以操作系統(tǒng)在物理內(nèi)存的上又建立了一層虛擬內(nèi)存胚嘲。為了提高效率和方便管理作儿，又對(duì)虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存又進(jìn)行分頁(yè)（Page）。當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)一個(gè)虛擬內(nèi)存Page而對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存卻不存在時(shí)馋劈，會(huì)觸發(fā)一次缺頁(yè)中斷（Page Fault）攻锰，分配物理內(nèi)存，有需要的話會(huì)從磁盤(pán)mmap讀人數(shù)據(jù)妓雾。
通過(guò)App Store渠道分發(fā)的App娶吞，Page Fault還會(huì)進(jìn)行簽名驗(yàn)證，所以一次Page Fault的耗時(shí)比想象的要多械姻！

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默認(rèn)布局：

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簡(jiǎn)化問(wèn)題：假設(shè)我們只有兩個(gè)page：page1/page2欢揖，其中綠色的method1和method3啟動(dòng)時(shí)候需要調(diào)用陶耍，為了執(zhí)行對(duì)應(yīng)的代碼，系統(tǒng)必須進(jìn)行兩個(gè)Page Fault她混。
但如果我們把method1和method3排布到一起烈钞，那么只需要一個(gè)Page Fault即可泊碑，這就是二進(jìn)制文件重排的核心原理。

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重排之后毯欣，我們的經(jīng)驗(yàn)是優(yōu)化一個(gè)Page Fault蛾狗，啟動(dòng)速度提升0.6~0.8ms。

二仪媒、實(shí)現(xiàn)

1沉桌、System Trace調(diào)試

首先優(yōu)化，要先學(xué)會(huì)調(diào)試算吩，只有調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)需要優(yōu)化的地方留凭，我們知道內(nèi)存分虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存，而內(nèi)存是通過(guò)分頁(yè)管理的偎巢，當(dāng)我們啟動(dòng)的時(shí)候調(diào)用很多方法蔼夜，假如這些方法不在同一個(gè)page上面，就會(huì)造成缺頁(yè)中斷（page fault）,而這個(gè)操作是要消耗時(shí)間的压昼，所以假如啟動(dòng)的方法都在一頁(yè)上面求冷，就會(huì)很大程度上減少啟動(dòng)時(shí)間的消耗，這個(gè)就需要用到二進(jìn)制重拍來(lái)將啟動(dòng)時(shí)候調(diào)用的方法放在同一個(gè)page上

• 首先我們打開(kāi)項(xiàng)目command + i打開(kāi)Instruments調(diào)試工具
  

  image.png

• 選擇System Trace窍霞，這個(gè)軟件可以看到我們項(xiàng)目中每個(gè)線程的數(shù)據(jù):

  
  
  image.png

• 點(diǎn)擊開(kāi)始后這里我們搜索Main thread匠题，選擇我們的app，然后點(diǎn)擊Main thread ,再到下面選擇Main Thread --> Virtual Memory（虛擬內(nèi)存）

  
  
  image.png

• 這里面File Backed Page In就是page fault的次數(shù)但金。

• 當(dāng)我們把APP殺死后里面再啟動(dòng)韭山，結(jié)果發(fā)現(xiàn)File Backed Page In這個(gè)值變得很小，說(shuō)明APP就算殺死后冷溃，在啟動(dòng)不是冷啟動(dòng)钱磅，還是有一部數(shù)據(jù)在系統(tǒng)的緩存中。

• 要做到真正的冷啟動(dòng)似枕，我們可以把APP殺掉后啟動(dòng)多個(gè)手機(jī)里面的APP盖淡，然后再啟動(dòng)APP，發(fā)現(xiàn)File Backed Page In又變得很大凿歼。

• 說(shuō)明虛擬內(nèi)存是在系統(tǒng)中的褪迟，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不夠的時(shí)候，其他APP會(huì)覆蓋老的APP的虛擬內(nèi)存毅往。

• 二進(jìn)制重拍是在鏈接階段生成的牵咙，重排之后生成可執(zhí)行文件，所以我們只能在編譯階段來(lái)優(yōu)化攀唯，而無(wú)法對(duì)已生成的ipa進(jìn)行優(yōu)化。

2渴丸、二進(jìn)制重排

可以在XCode配置二進(jìn)制重拍侯嘀，首先要確定符號(hào)的順序另凌，才能知道怎么重拍。XCode使用的鏈接器叫做ld戒幔，ld有個(gè)參數(shù)叫order_file吠谢，只要有這個(gè)文件，我們可以將文件的路徑告訴XCode诗茎，在order_file文件中把符號(hào)的順序?qū)戇M(jìn)去工坊，XCode編譯的時(shí)候就會(huì)按照文件中的符號(hào)順序打包成二進(jìn)制可執(zhí)行文件。

• 在蘋(píng)果的objc4-750源碼中找到這種文件

  
  
  image.png

• 打開(kāi)后是下面這種格式：

  
  
  image.png

• 里面全是函數(shù)符號(hào)敢订，打開(kāi)項(xiàng)目王污，在build setting 里面搜索order file

  
  
  image.png

• 這里面指定了order的文件路徑，因?yàn)橐坏┰谶@里指定了order file的路徑楚午，XCode就會(huì)在編譯的時(shí)候按照文件里面寫(xiě)進(jìn)去的順序昭齐。
  現(xiàn)在寫(xiě)一個(gè)Demo，然后編譯矾柜，我們知道XCode編譯的時(shí)候文件會(huì)有一個(gè)鏈接阱驾，鏈接是按照Build Phases的Compile SourceL里面的文件順序?qū)?m文件轉(zhuǎn)換成.o文件，然后將這些.o文件鏈接在一起生成可執(zhí)行文件：

  
  
  image.png

• 做一個(gè)實(shí)驗(yàn)怪蔑，在ViewController和AppDelegate里面都寫(xiě)一個(gè)load方法里覆，然后運(yùn)行

+(void)load
{
   NSLog(@"ViewController");
}
+(void)load
{
   NSLog(@"AppDelegate");
}

• Build Phases的Compile Source順序：

  
  
  image.png

• 運(yùn)行，看下打永掳辍：

  
  
  image.png

• 把Compile Source順序改一下:

  
  
  image.png

• 運(yùn)行后看打印結(jié)果：

  
  
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• 打印順序跟Compile Source文件順序一樣租谈，驗(yàn)證了上面的結(jié)論

• 如何查看整個(gè)項(xiàng)目的符號(hào)順序呢，到Build Settings搜索link map
  

  image.png

• Link Map就是我們鏈接的符號(hào)表捆愁，我們把它改成YES割去，這樣編譯的時(shí)候就會(huì)把鏈接的符號(hào)表給我們寫(xiě)出來(lái)，command + R我們運(yùn)行下昼丑，然后在Products里面的.app文件呻逆，在我們Intermediates.noindex-->項(xiàng)目名.build--->Debug-iphoneos-->項(xiàng)目名.build--->項(xiàng)目名-LinkMap-normal-arm64.txt，這個(gè)文件里面就有鏈接的符號(hào)順序表
  

  image.png

• 其中 Object files:就是鏈接了哪些.o文件

Sections:中
Address：
Size：
Segment：__TEXT代碼代碼段菩帝，只可讀咖城；__DATA是數(shù)據(jù)段，可讀可寫(xiě)
Section：

再下面就是我們關(guān)心的符號(hào)：
Symbols：
Address：方法代碼的地址
Size：方法占用的空間
File：文件的編號(hào)
Name：.o文件里面的方法符號(hào)
對(duì)于Address呼奢，我們從.app中拿到項(xiàng)目的可執(zhí)行文件宜雀，然后用MachOView打開(kāi)，然后在Section中看下Assembly

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• 符號(hào)表里的0x100004B70在MachOView對(duì)應(yīng)的value是匯編代碼握础，也就是我們寫(xiě)的代碼轉(zhuǎn)換成的匯編辐董，所以這個(gè)地址就是代碼地址，所以二進(jìn)制重拍就是把所有的代碼順序重新排一下禀综，把啟動(dòng)時(shí)候調(diào)用的代碼排到前面去简烘，減少啟動(dòng)時(shí)候加載page的數(shù)量（沒(méi)一個(gè)page大小是16K）

• 添加order file,我們創(chuàng)建一個(gè)hank.order文件苔严，在文件中寫(xiě)入：

  
  
  image.png

• 放到工程的根目錄中，然后在Build setting里面搜下order file孤澎，然后在后面將該文件地址添加進(jìn)去：

  
  
  image.png

• Xcode在編譯時(shí)候就會(huì)按照order文件中的符號(hào)順序鏈接代碼了届氢，我們編譯一下，再看一下LinkMap-normal-arm64.txt文件

  
  
  image.png

• 結(jié)果是按照order的符號(hào)順序來(lái)的覆旭，而且如果order里面寫(xiě)了項(xiàng)目中不存在的方法符號(hào)退子，XCode會(huì)自動(dòng)過(guò)濾掉，不存在影響型将。還有一種查看符號(hào)表的方法是在終端cd到項(xiàng)目可執(zhí)行文件的目錄寂祥，然后輸入。

nm 可執(zhí)行文件名

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查看全部的符號(hào)茶敏，還有查看自定義方法的符號(hào)

nm -Up TraceDemo

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查看系統(tǒng)的符號(hào)

nm -up TraceDemo

3壤靶、獲取APP啟動(dòng)時(shí)候調(diào)用的所有方法

以上就是二進(jìn)制重拍的步驟，但是如何知道APP啟動(dòng)時(shí)候的調(diào)用了哪些方法呢惊搏？

• 第一個(gè)方式：是用fishHook去hook 系統(tǒng)的objc_msgSend這個(gè)函數(shù)贮乳，因?yàn)閛c的方法都是通過(guò)發(fā)送消息的形式，但是這個(gè)函數(shù)參數(shù)是可變的參數(shù)恬惯，所以只能通過(guò)匯編形式hook向拆，但是這種情況initialize和block以及直接調(diào)用函數(shù)方式hook不到。

• 第二種方式：clang插裝形式： 官方文檔：clang

OC方法酪耳、函數(shù)浓恳、block都能hook到！

1碗暗、首先在Build Setting里面搜索Other C Flags 在里面添加參數(shù)：-fsanitize-coverage=trace-pc-guard

-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard

2颈将、然后編譯，發(fā)現(xiàn)會(huì)報(bào)錯(cuò)：提示報(bào)錯(cuò)

Showing Recent Messages
Undefined symbol: ___sanitizer_cov_trace_pc_guard_init

image.png

提示找不到__sanitizer_cov_trace_pc_guard和__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init方法言疗。
看一下文檔晴圾，發(fā)現(xiàn)有測(cè)試代碼：

image.png

分析一下__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init函數(shù)死姚，這里面有個(gè)start和stop，打個(gè)斷點(diǎn)勤篮，看一下start和stop內(nèi)存里面的值:

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start里每4個(gè)字節(jié)里面都有一個(gè)數(shù)組都毒，而且是按照1、2碰缔、3账劲、4的順序排列的，再看一下stop，按照start的規(guī)則涤垫，減4個(gè)字節(jié)看一下姑尺，發(fā)現(xiàn)是13竟终，這里面存的是我們項(xiàng)目自定義文件中符號(hào)的數(shù)量蝠猬，無(wú)論是方法、函數(shù)還是block统捶，都會(huì)統(tǒng)計(jì)進(jìn)來(lái)榆芦，我們可以多加幾個(gè)方法或者函數(shù)、block試一下坡慌，就可以驗(yàn)證:
__sanitizer_cov_trace_pc_guard
我們?cè)俜治鲆幌?code>__sanitizer_cov_trace_pc_guard
我們運(yùn)行時(shí)候發(fā)現(xiàn)打印了好多guard

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-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
 
}

點(diǎn)擊一下屏幕芋绸，發(fā)現(xiàn)

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點(diǎn)擊一下打印一下榜跌，猜測(cè)每執(zhí)行一個(gè)函數(shù)都會(huì)調(diào)用一次，說(shuō)明該函數(shù)hook了所有的方法崎淳，為了進(jìn)一步驗(yàn)證，定義一個(gè)函數(shù)和一個(gè)block愕把，在點(diǎn)擊屏幕時(shí)候調(diào)用一個(gè)函：

void(^block1)(void) = ^(void) {
 
};
 
void test(){
    block1();
 
}
 
guard: 0x100d8381c a PC ?
guard: 0x100d83814 8 PC ?
guard: 0x100d83810 7 PC

發(fā)現(xiàn)點(diǎn)擊一次拣凹，該函數(shù)調(diào)用了三次

通過(guò)匯編驗(yàn)證一下，在toubegain恨豁、函數(shù)嚣镜、block出都加上斷點(diǎn)，然后打開(kāi)匯編橘蜜，運(yùn)行

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調(diào)用棧的左邊是上一個(gè)函數(shù)的開(kāi)始地址，最后面有個(gè)+64缭召，最后面那個(gè)數(shù)字是偏移量栈顷，也就是說(shuō)函數(shù)的開(kāi)始位置+偏移量才是函數(shù)的真正的位置，這個(gè)時(shí)候touchesBegan的偏移量是44嵌巷，我們測(cè)試一下：

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#import <dlfcn.h>
dladdr(<#const void *#>, <#Dl_info *#>)

• 第一個(gè)參數(shù)是函數(shù)的地址栅屏。
  第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針。
  我們看看這個(gè)結(jié)構(gòu)體格式

typedef struct dl_info {
        const char      *dli_fname;     /* Pathname of shared object  */
        void            *dli_fbase;     /* Base address of shared object  */
        const char      *dli_sname;     /* Name of nearest symbol  */
        void            *dli_saddr;     /* Address of nearest symbol  */
} Dl_info;

void *PC = __builtin_return_address(0);
 
    Dl_info info;
    dladdr(PC, &info);
    printf("fname:%s \nfbase:%p \nsname:%s \nsaddr:%p\n",
           info.dli_fname,
           info.dli_fbase,
           info.dli_sname,
           info.dli_saddr);
 
打犹孟省：
 
fname:/private/var/containers/Bundle/Application/38C6E838-7D51-4546-9882-BF5858D08C16/TraceDemo.app/TraceDemo
fbase:0x1000e0000
sname:-[ViewController touchesBegan:withEvent:]
saddr:0x1000e5a0c
 

• fname：文件路徑
• fbase：文件地址
• sname：函數(shù)符號(hào)名稱
• saddr：函數(shù)符號(hào)地址栈雳，也就是函數(shù)的起始地址

當(dāng)我們能拿到項(xiàng)目所有調(diào)用函數(shù)的符號(hào)時(shí)候，我們就能通過(guò)這種方法來(lái)拿到APP啟動(dòng)時(shí)候調(diào)用的所有的函數(shù)缔莲、方法哥纫、block符號(hào)，然后創(chuàng)建order文件進(jìn)行自動(dòng)二進(jìn)制重拍上代碼：

//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;
}SYNode;
 
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
//    if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check.
    /*  精確定位 哪里開(kāi)始 到哪里結(jié)束!  在這里面做判斷寫(xiě)條件!*/
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    SYNode *node = malloc(sizeof(SYNode));
    *node = (SYNode){PC,NULL};
    //進(jìn)入,因?yàn)樵摵瘮?shù)可能在子線程中操作痴奏，所以用原子性操作蛀骇，保證線程安全
    OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SYNode, next));
//
}
 
-(void)createOrderFile{
 
    NSMutableArray <NSString *> * symbolNames = [NSMutableArray array];
 
    while (YES) {
        SYNode * node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(SYNode, next));
        if (node == NULL) {
            break;
        }
        Dl_info info;
        dladdr(node->pc, &info);
        NSString * name = @(info.dli_sname);
        BOOL  isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
        NSString * symbolName = isObjc ? name: [@"_" stringByAppendingString:name];
        [symbolNames addObject:symbolName];
    }
    //取反
    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];
        }
    }
    //干掉自己!
    [funcs removeObject:[NSString stringWithFormat:@"%s",__FUNCTION__]];
    //將數(shù)組變成字符串
    NSString * funcStr = [funcs  componentsJoinedByString:@"\n"];
 
    NSString * filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"hank.order"];
    NSData * fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
    NSLog(@"%@",funcStr);
}