底层探索--性能优化的本质

CPU 和 GPU

• CPU（Central Processing Unit，中央处理器）
  • 对象的创建和销毁、对象属性的调整、布局计算、文本的计算和排版、图片的格式转换和解码、图像的绘制（Core Graphics）
• GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）
  • 纹理的渲染

性能优化的渲染顺序图.png

    在iOS中是双缓冲机制，有前帧缓存、后帧缓存
    屏幕成像原理：先发送垂直同步信号(VSync) -> 再发送水平同步信号(HSync)直至填充满屏幕。

卡顿产生的原因

• 原因：
  • 垂直信号发送(60FPS的刷帧率，每隔16ms会有一次VSync信号)时，CPU 和 GPU的时间过长，导致只显示上一帧，从而卡顿。
• 思路：
  • 尽可能减少CPU、GPU的资源消耗

卡顿优化-CPU

• 尽量用轻量级的对象，比如用不到事件处理的地方，可以考虑使用CALayer取代UIView
• 不要频繁地调用UIView的相关属性，比如frame、bounds、transform等属性，尽量减少不必要的修改
• 尽量提前计算好布局，在有需要时一次性调整对应的属性，不要多次修改属性
• Autolayout会比直接设置frame消耗更多的CPU资源
• 图片的size最好刚好跟UIImageView的size保持一致
• 控制一下线程的最大并发数量
• 尽量把耗时的操作放到子线程
  • 文本处理（尺寸计算、绘制）
  • 图片处理（解码、绘制）

卡顿优化-GPU

• 尽量避免短时间内大量图片的显示，尽可能将多张图片合成一张进行显示
• GPU能处理的最大纹理尺寸是4096x4096，一旦超过这个尺寸，就会占用CPU资源进行处理，所以纹理尽量不要超过这个尺寸
• 尽量减少视图数量和层次
• 减少透明的视图（alpha<1），不透明的就设置opaque为YES
• 尽量避免出现离屏渲染

离屏渲染

• 在OpenGL中，GPU有2种渲染方式
  • On-Screen Rendering：当前屏幕渲染，在当前用于显示的屏幕缓冲区进行渲染操作
  • Off-Screen Rendering：离屏渲染，在当前屏幕缓冲区以外新开辟一个缓冲区进行渲染操作
• 离屏渲染消耗性能的原因
  • 需要创建新的缓冲区
  • 离屏渲染的整个过程，需要多次切换上下文环境，先是从当前屏幕（On-Screen）切换到离屏（Off-Screen）；等到离屏渲染结束以后，将离屏缓冲区的渲染结果显示到屏幕上，又需要将上下文环境从离屏切换到当前屏幕
• 哪些操作会触发离屏渲染？
  • 光栅化，layer.shouldRasterize = YES
• 遮罩，layer.mask
  • 圆角，同时设置layer.masksToBounds = YES、layer.cornerRadius大于0
    • 考虑通过CoreGraphics绘制裁剪圆角，或者叫美工提供圆角图片
  • 阴影，layer.shadowXXX
    • 如果设置了layer.shadowPath就不会产生离屏渲染

耗电优化

• 尽可能降低CPU、GPU功耗

• 少用定时器

• 优化I/O操作

  • 尽量不要频繁写入小数据，最好批量一次性写入
  • 读写大量重要数据时，考虑用dispatch_io，其提供了基于GCD的异步操作文件I/O的API。用dispatch_io系统会优化磁盘访问
  • 数据量比较大的，建议使用数据库（比如SQLite、CoreData）

• 网络优化

  • 减少、压缩网络数据
  • 如果多次请求的结果是相同的，尽量使用缓存
  • 使用断点续传，否则网络不稳定时可能多次传输相同的内容
  • 网络不可用时，不要尝试执行网络请求
  • 让用户可以取消长时间运行或者速度很慢的网络操作，设置合适的超时时间
  • 批量传输，比如，下载视频流时，不要传输很小的数据包，直接下载整个文件或者一大块一大块地下载。如果下载广告，一次性多下载一些，然后再慢慢展示。如果下载电子邮件，一次下载多封，不要一封一封地下载

• 定位优化

  • 如果只是需要快速确定用户位置，最好用CLLocationManager的requestLocation方法。定位完成后，会自动让定位硬件断电
  • 如果不是导航应用，尽量不要实时更新位置，定位完毕就关掉定位服务
  • 尽量降低定位精度，比如尽量不要使用精度最高的kCLLocationAccuracyBest
  • 需要后台定位时，尽量设置pausesLocationUpdatesAutomatically为YES，如果用户不太可能移动的时候系统会自动暂停位置更新
  • 尽量不要使用startMonitoringSignificantLocationChanges，优先考虑startMonitoringForRegion:

• 硬件检测优化

  • 用户移动、摇晃、倾斜设备时，会产生动作(motion)事件，这些事件由加速度计、陀螺仪、磁力计等硬件检测。在不需要检测的场合，应该及时关闭这些硬件

启动优化

• APP的启动可以分为2种

  • 冷启动（Cold Launch）：从零开始启动APP
  • 热启动（Warm Launch）：APP已经在内存中，在后台存活着，再次点击图标启动APP

• APP启动时间的优化，主要是针对冷启动进行优化

• 通过添加环境变量可以打印出APP的启动时间分析（Edit scheme -> Run -> Arguments）

  • DYLD_PRINT_STATISTICS设置为1
  • 如果需要更详细的信息，那就将DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS设置为1

APP的冷启动可以概括为3大阶段

• dyld

  • dyld（dynamic link editor），Apple的动态链接器，可以用来装载Mach-O文件（可执行文件、动态库等）
  • 启动APP时，dyld所做的事情有
    • 装载APP的可执行文件，同时会递归加载所有依赖的动态库
    • 当dyld把可执行文件、动态库都装载完毕后，会通知Runtime进行下一步的处理

• runtime

  • 启动APP时，runtime所做的事情有
    • 调用map_images进行可执行文件内容的解析和处理
    • 在load_images中调用call_load_methods，调用所有Class和Category的+load方法
    • 进行各种objc结构的初始化（注册Objc类 、初始化类对象等等）
    • 调用C++静态初始化器和attribute((constructor))修饰的函数
  • 到此为止，可执行文件和动态库中所有的符号(Class，Protocol，Selector，IMP，…)都已经按格式成功加载到内存中，被runtime 所管理

• main

  • APP的启动由dyld主导，将可执行文件加载到内存，顺便加载所有依赖的动态库
  • 并由runtime负责加载成objc定义的结构
  • 所有初始化工作结束后，dyld就会调用main函数
  • 接下来就是UIApplicationMain函数，AppDelegate的application:didFinishLaunchingWithOptions:方法

方案

按照不同的阶段：

• dyld
  • 减少动态库、合并一些动态库（定期清理不必要的动态库）
  • 减少Objc类、分类的数量、减少Selector数量（定期清理不必要的类、分类）
  • 减少C++虚函数数量
  • Swift尽量使用struct
• runtime
  • 用+initialize方法和dispatch_once取代所有的attribute((constructor))、C++静态构造器、ObjC的+load
• main
  • 在不影响用户体验的前提下，尽可能将一些操作延迟，不要全部都放在finishLaunching方法中
  • 按需加载

安装包优化

• 安装包（IPA）主要由可执行文件、资源组成

• 资源（图片、音频、视频等）

  • 采取无损压缩
  • 去除没有用到的资源： 去除无用的资源链接

• 可执行文件瘦身

  • 编译器优化
    • Strip Linked Product、Make Strings Read-Only、Symbols Hidden by Default设置为YES
    • 去掉异常支持，Enable C++ Exceptions、Enable Objective-C Exceptions设置为NO， Other C Flags添加-fno-exceptions
  • 利用AppCode（https://www.jetbrains.com/objc/）检测未使用的代码：菜单栏 -> Code -> Inspect Code
  • 编写LLVM插件检测出重复代码、未被调用的代码

LinkMap

• 生成LinkMap文件，可以查看可执行文件的具体组成

  
  性能优化的LinkMap图解.png

• 可借助第三方工具解析LinkMap文件： LinkMap