1.冷啟動

1.1 什么是冷啟動？

冷啟動是指內(nèi)存中不包含該應(yīng)用程序相關(guān)的數(shù)據(jù)，必須要從磁盤載入到內(nèi)存中的啟動過程。

注意：重新打開 APP但指， 不一定就是冷啟動。

1. 當(dāng)內(nèi)存不足抗楔，APP被系統(tǒng)自動殺死后棋凳，再啟動就是冷啟動。
2. 如果在重新打開 APP 之前连躏，APP 的相關(guān)數(shù)據(jù)還存儲在內(nèi)存中剩岳，這時再打開 APP，就是熱啟動
3. 冷啟動與熱啟動是由系統(tǒng)決定的入热，我們無法決定拍棕。
4. 當(dāng)然設(shè)備重啟以后，第一次打開 APP 的過程勺良，一定是冷啟動绰播。

1.2 如何統(tǒng)計冷啟動耗時？

一般來講尚困，統(tǒng)計 APP 啟動時長蠢箩，以 main 函數(shù)為節(jié)點 ,分兩個大階段：

• main 函數(shù)之后的代碼，是我們自己寫的事甜，我們可以自行統(tǒng)計進入 main 函數(shù)到第一個界面顯示的耗時谬泌。

• • 在 main 函數(shù)里打印一下當(dāng)前的時間，
  • 在第一個要顯示的控制器的 viewDidLoad 方法中打印一下當(dāng)前時間
  • 兩個時間的差值逻谦，即為main函數(shù)后的加載時長掌实。

• main 函數(shù)之前，為 pre-main 階段邦马，由于是系統(tǒng)在做事情贱鼻，這段時間的 耗時，我們沒辦法直接統(tǒng)計勇婴，需要查 看系統(tǒng)給我們的反饋忱嘹。

1.2.1 pre-main階段都做了什么？

接下來看一下項目中的 pre-main 階段的耗時耕渴。

• 查看系統(tǒng)給的反饋需要 增加一個環(huán)境變量，
• 增加路徑：在 Xcode -> Edit Scheme -> Run -> Arguments -> Environment Variables 中齿兔，
• 增加一個環(huán)境變量 DYLD_PRINT_STATISTICS:1橱脸。

下圖是我項目的加載耗時：

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耗時過程分為以下4部分：

1. dylib loading time : 是指動態(tài)庫加載的耗時础米，系統(tǒng)的動態(tài)庫做過優(yōu)化，耗時較少添诉。 蘋果官方推薦最多不要超過6個外部動態(tài)庫屁桑，多余6個，需要考慮合并動態(tài)庫栏赴，合并動態(tài)庫對于啟動時期的優(yōu)化蘑斧，非常有效。 像微信的動態(tài)庫早期有八九個须眷，現(xiàn)在也優(yōu)化成6個了竖瘾。
2. rebase/binding

• rebase：是指地址的 偏移修正耗時。

• • 在編譯生成二進制文件的時候花颗，每個函數(shù)都有一個地址捕传，這個地址是相對于二進制文件的偏移地址。
  • 在啟動時扩劝，也就是在二進制文件在加載到虛擬內(nèi)存的時候庸论，為了安全起見，蘋果有個安全機制（ASLR）棒呛，會在整個二進制文件的最前面聂示，隨機加一個偏移值。
  • 比如 A 函數(shù)簇秒，相對于二進制文件的偏移值是 0x003催什。 啟動時，整個二進制文件被分配了一個隨機值0x100宰睡。 那么 A 函數(shù)在內(nèi)存中的實際地址是 0x003 + 0x100 = 0x103蒲凶。
  • 偏移修正指的就是計算方法在虛擬內(nèi)存中的地址的過程！

• binding: 動態(tài)庫的方法綁定拆内，是指將方法名字與方法的實現(xiàn)進行綁定過程的耗時旋圆。

• • 比如 NSLog 方法，在加載的時候需要先找到Foundation庫麸恍，再找到庫里的NSLog的方法的實現(xiàn)灵巧，將方法名字和方法實現(xiàn)綁定在一起。

3. Objc setup time: 注冊所有 OC類 耗時抹沪， 類越多耗時越多刻肄，有人統(tǒng)計過2萬個自定義的OC的類，大概耗時800毫秒融欧。刪除不用的類敏弃，可以減少耗時。
4. initializer time: load方法 和 C++構(gòu)造函數(shù)的耗時. 減少重寫load方法噪馏，盡量將事情延遲到 main 方法以后麦到，可以減少耗時绿饵。
5. slowest intializers : 指出了最耗時的幾個庫是下面的6個庫（最后一個是我的項目）。

1.2.2 pre-main階段耗時優(yōu)化方法總結(jié)：

• 減少外部動態(tài)庫的數(shù)量
• 不用的類和方法瓶颠，刪除
• 類盡量使用懶加載拟赊，也就是盡量不要重寫load方法。
• 啟動時加載的數(shù)據(jù)使用多線程
• 使用純代碼粹淋。不用xib storyboard(要額外進行代碼解析轉(zhuǎn)換和頁面的渲染)

以上方法吸祟，都是和自己的項目代碼息息相關(guān)的優(yōu)化方案。不同項目具體是實施動作不一樣桃移。

還有一個優(yōu)化方法屋匕，不管是什么項目，實施動作都一樣 谴轮，對什么項目都有效炒瘟，那就是二進制重排！

2. 二進制重排

學(xué)習(xí)二進制重排第步，首先要知道數(shù)據(jù)是如何加載到內(nèi)存中的 疮装。

我們已經(jīng)知道數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存的過程，當(dāng)虛擬內(nèi)存頁還沒有對應(yīng)的物理內(nèi)存頁時粘都，會出現(xiàn)缺頁異常（PageFault）廓推。

當(dāng)冷啟動時，物理內(nèi)存中是沒有數(shù)據(jù)的翩隧，這時會出現(xiàn)大量的缺頁異常樊展，在iOS生產(chǎn)環(huán)境的app，在發(fā)生Page Fault進行重新加載時堆生，iOS系統(tǒng)還會對其做一次簽名驗證专缠，因此 iOS 生產(chǎn)環(huán)境的 Page Fault 比Debug環(huán)境下所產(chǎn)生的耗時更多

這里有沒有優(yōu)化空間呢？接下來就是優(yōu)化方案：二進制重排淑仆！

在了解二進制重排之前涝婉，再了解下在項目編譯生成二進制文件的時候，類及其內(nèi)部方法實現(xiàn)的排列順序是什么樣的呢蔗怠？

2.2.1 二進制文件中方法實現(xiàn)排序是什么樣的墩弯？

1. 在 viewController 中，先隨便寫幾個方法寞射。

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2. 再看下源文件的編譯順序

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接下來查看 Link Map文件查看符號順序渔工， 查看方式：

1. 打開link map

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2. 編譯生成link map 文件
3. 找到link map 文件

• 項目目錄中，生成的 app 右鍵桥温，show in Finder

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• 找到 app 的上上級目錄

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• 進入Intermediates.noindex -> TraceDemo.build -> Debug-iphonesimulator -> TraceDemo.build -> TraceDemo-LinkMap-normal-x86_64.txt

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4. 打開link map 文件引矩，找到自己的類及方法的名字

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5.我們可以直觀的看出 link map中符號的順序，類是以源文件的編譯順序，從上到下按序排列脓魏。方法名是以類中方法的書寫順序兰吟，由上到下排序通惫。

2.2.2 為什么需要二進制重排茂翔？

從源碼的執(zhí)行順序上看，應(yīng)該是 load -> test2 -> viewDidLoad -> test1.

但是二進制文件中符號的順序是方法從上到下的書寫順序履腋，沒有按照調(diào)用順序去排列珊燎。

在冷啟動分頁加載二進制文件時，發(fā)現(xiàn)很多頁中都有啟動時需要用到的方法遵湖，那么即使頁里面也存在啟動時不需要的方法悔政，但是由于內(nèi)存是分頁管理的，要加載就要整頁加載延旧。這樣就導(dǎo)致了大量不需要在 pre-main 階段執(zhí)行的方法谋国，也會被加載到內(nèi)存中，增加了啟動的耗時迁沫。

例如芦瘾，啟動需要加載100個頁，每個頁可以包含20個方法集畅。但是每個頁里只有2個方法是啟動時后用到的近弟。這樣實際上啟動時必須要的方法是2 * 100 = 200個，如果將這200個方法緊挨著放在一起挺智，那么只需要2頁祷愉。比100個頁，減少了98頁赦颇。這樣耗時就會大大降低二鳄。

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2.2.3 如何進行二進制重排？

1. 二進制重排的方法

在項目編譯生成二進制文件的時候媒怯，找到啟動時需要的方法，并且將它們放在一起 重新排序沪摄，這就是二進制重排躯嫉。

兩個關(guān)鍵點： 找到啟動時需要方法 & 方法 的重排序

2.方法的重排序：

重排序其實很簡單。xcode已經(jīng)為我們提供了這個機制杨拐，它使用的鏈接器叫做 ld, ld有一個參數(shù)叫做Order File, 我們可以通過配置order文件祈餐，來使編譯時生成的二進制的文件的Link Map種的符號順序，按照我們指定的順序排列生成哄陶。而且 libobjc 實際上也做了二進制重排 帆阳。

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【第一步】在項目根目錄下建一個xxx.order的文件，里面寫上按照自己想排列的順序，寫上方法或者函數(shù)的名字蜒谤。（如果寫了一個不存在的符號山宾，也不會報錯，會被自動過濾掉~）

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【第二步】在 Build Settings 搜索order file 的文件鳍徽。將項目根目錄創(chuàng)建的文件资锰，設(shè)置上去。

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【第三步】重新編譯阶祭，查看 Link Map 文件的順序绷杜，果然，按照我們指定的順序排列啦濒募！

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3. 靜態(tài)插樁 - 找到冷啟動時的所有方法

接下來鞭盟，需要做的就是寫入 order 文件里的符號了，我們不可能手寫上所有的啟動時需要的執(zhí)行的符號瑰剃，這里的所有符號包括齿诉，調(diào)用的方法、函數(shù)晌姚、C++構(gòu)造方法粤剧、swift方法、block舀凛。

這里使用 LLVM 內(nèi)置的簡單代碼覆蓋率檢測工具（SanitizerCoverage）俊扳。它在邊緣、 函數(shù)猛遍、基本塊 級別上插入對用戶定義函數(shù)的調(diào)用馋记。

• edge （默認(rèn)）：檢測邊緣（所有的指令跳轉(zhuǎn)都會被插入對用戶定義函數(shù)的調(diào)用, 如循環(huán)、分支判斷懊烤、方法函數(shù)等）梯醒。
• bb：檢測基本塊。
• func：僅將檢測每個 功能的輸入塊(這個就是我們要重排序的符號)腌紧。

按照文檔茸习，

• 【第1步】搜索并設(shè)置 Other C Flags/ Other C++ Flags 為 ******-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard** （這里要用func, 不能用默認(rèn)的edge, 不然會造成死循環(huán)）。
• 如果有swift 壁肋，需要設(shè)置 Other Swift Flags 設(shè)置為 **** -sanitize-coverage=func -sanitize=undefined

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• 【第2步】編譯器將插入對模塊構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用号胚，所以我們要實現(xiàn)這個方法：

__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop);

通過打印start, stop 地址的內(nèi)容，從 start 地址開始浸遗，到 stop 地址的前4位猫胁，存儲的是 uint32 的 1-19的數(shù)字。

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我們可以從這個函數(shù)中知道, 當(dāng)前項目中自定義的功能輸入塊的數(shù)量跛锌。

• 【第3步】編譯器會在生成二進制文件的時候弃秆，在每個func調(diào)用之初，插入以下代碼：

__sanitizer_cov_trace_pc_guard(&guard_variable)

也就是說，每個方法在執(zhí)行的時候菠赚，都會調(diào)用上面這個方法脑豹。 接下來：

• • 1. 我們要實現(xiàn)這個方法，并在這個方法里衡查，獲取到本方法結(jié)束后要返回的地址

// 獲取到本方法結(jié)束后签餐，要返回的地址去姻采，這個地址包含在被hook的方法內(nèi)部裤纹，但不是被hook 的方法的首地址
void *PC = __builtin_return_address(0);

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• • 2. 并將地址保存一個系統(tǒng)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 )）中逢捺，使用原子隊列筑悴，是為了防止多線程資源搶奪们拙。原子隊列的存值方法如下:

// 將結(jié)構(gòu)體存入到原子隊列中。
// offsetof(type,member) 返回結(jié)構(gòu)體中成員的偏移值阁吝，由于指針PC是8字節(jié)砚婆，所以這里返回8字節(jié)。
// 詳見下圖
OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SYNode, next));

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每個 SYNode 首地址都距離上一個偏移 PC 所占的字節(jié)數(shù)突勇。這樣做的妙處就是装盯，每個 SYNode 的 next 的地址，恰巧就是下一個結(jié)構(gòu)體的地址甲馋。這樣方便獲取隊列里面的所有數(shù)據(jù)埂奈。

• 【第4步】我們在點擊屏幕的事件中

• • 把存儲到原子隊列中的地址遍歷出來，
  • 根據(jù)地址獲取當(dāng)前地址所在的方法的名稱并存入數(shù)組中定躏，

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 *);

• • 由于原子隊列是棧結(jié)構(gòu)账磺，先進后出，所以我們需要將數(shù)組倒序排列
  • 由于方法可能會被多次調(diào)用痊远，我們需要去重
  • 再將最后我們當(dāng)前點擊屏幕的方法刪除掉
  • 將方法名字的數(shù)組垮抗，轉(zhuǎn)成字符串，寫到沙盒文件中

完整代碼如下：

//
//  ViewController.m
//  TraceDemo
//
//  Created by hank on 2020/3/16.
//  Copyright ? 2020 hank. All rights reserved.
//

#import "ViewController.h"
#import <dlfcn.h>
#import <libkern/OSAtomic.h>
#import "TraceDemo-Swift.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

+(void)initialize
{

}

void(^block1)(void) = ^(void) {

};

void test(){
    block1();

}

+(void)load
{

}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [SwiftTest swiftTestLoad];
    test();
}

-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    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];
        }
    }
    //移除本方法
    [funcs removeObject:[NSString stringWithFormat:@"%s",__FUNCTION__]];
    //將數(shù)組變成字符串
    NSString * funcStr = [funcs  componentsJoinedByString:@"\n"];
    
    NSString * filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"demo.order"];
    NSData * fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
    NSLog(@"%@",funcStr);
}

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.
}

//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;
}SYNode;

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
    // 會導(dǎo)致load 方法被return
//    if (!*guard) return; 
    // 獲取到本方法結(jié)束后碧聪，要返回的地址去冒版，這個地址包含在被hook的方法內(nèi)部，但不是被hook 的方法的首地址
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    SYNode *node = malloc(sizeof(SYNode));
    *node = (SYNode){PC,NULL};
    //進入
    OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SYNode, next));
}


@end

2.2.4 如何驗證二進制重排的效果逞姿？

1.查看缺頁異常數(shù)量Page Fualt：

1. 查看一下項目的缺頁異常數(shù)量辞嗡。注意需要卸載 APP 或者重啟手機，來保證這個APP完全沒有被加載到內(nèi)存中滞造，因為如果物理內(nèi)存中有該APP的數(shù)據(jù)续室，
2. 打開 Instrument -> System Trace

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3.選擇真機、項目断部、點擊啟動猎贴，當(dāng)?shù)谝粋€頁面顯示出來后，點擊停止。

4. xcode 12搜索main thread, 選擇Virtual Memory她渴，File Backed Page in 就是缺頁異常的數(shù)量

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優(yōu)化前：項目的缺頁遺產(chǎn)數(shù)量是427

優(yōu)化后：

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優(yōu)化前：項目的缺頁遺產(chǎn)數(shù)量是286

減少了啟動時大概40%的缺頁異常~

3.自動更新order 文件

隨著代碼迭代达址，order文件需要更新，每次手動更新很麻煩趁耗，所以需要自動更新沉唠。

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brew install ios-deploy
APP_ORDER_DIR=appOrderDir
APP_ORDER=./$APP_ORDER_DIR/Documents/app.order
mkdir $APP_ORDER_DIR
ios-deploy --download=/Documents --bundle_id $PRODUCT_BUNDLE_IDENTIFIER --to ./$APP_ORDER_DIR

if [ -e $APP_ORDER ] ;then
cp -f $APP_ORDER ./Resource/app.order
fi
rm -r $APP_ORDER_DIR

【補充xcode13】查看缺頁異常的方式

選擇真機、項目苛败、點擊啟動满葛，當(dāng)?shù)谝粋€頁面顯示出來后，點擊停止罢屈。

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青山不改嘀韧，綠水常流。謝謝大家缠捌！