iOS底层原理（六）：性能优化

前言

性能优化包括：卡顿检测和优化、耗电优化、启动优化、安装包瘦身几部分组成

一、卡顿检测和优化

1. 屏幕成像原理

• CPU计算完成后，将结果交给GPU渲染，GPU会把渲染的结果放到帧缓存中，视频控制器从帧缓存中读取，并显示到屏幕上，如下图所示：

image.png

2. 显示器的显示原理

电子枪扫描

• 显示器的电子枪按照上面方式，从上到下一行行扫描，扫描完成后显示器就呈现一帧画面，随后电子枪回到初始位置继续下一次扫描。为了把显示器的显示过程和系统的视频控制器进行同步，显示器（或者其他硬件）会用硬件时钟产生一系列的定时信号。

• 当电子枪换到新的一行，准备进行扫描时，显示器会发出一个HSync水平同步信号（horizonal synchronization） ；而当一帧画面绘制完成后，电子枪回复到原位，准备画下一帧前，显示器会发出一个VSync垂直同步信号（vertical synchronization）。

• 接收到VSync垂直同步信号后，App主线程就会在CPU中计算显示内容，例如视图的创建、布局计算、图片解码、文本绘制等等，然后将结果提交给GPU渲染，由GPU进行变换、合成、渲染，然后将渲染结果提交到帧缓冲区中，等待下一次VSync垂直同步信号到来之时，显示到屏幕上。

3. 卡顿产生的原因

• 由于垂直同步的机制，如果在一个VSync垂直同步信号时间内，CPU 或者 GPU 没有完成内容提交，则那一帧就会被丢弃，等待下一次机会再显示，而这时显示屏会保留之前的内容不变。这就是界面卡顿的原因。

• 所以无论CPU 和 GPU 哪个阻碍了显示流程，都会造成掉帧现象。开发时也需要分别对 CPU 和 GPU 压力进行评估和优化。

4. 卡顿优化

(1).CPU优化：

• 尽量使用轻量级的对象，例如用不到事件处理的地方 ，可以考虑使用CALayer代替UIView
• AutoLayout会比直接设置frame消耗更多的CPU资源
• 图片的Size最好和UImageView的size保持一致，尽量不要动态缩放(contentMode)
• 控制线程最大并发数量
• 尽量把耗时操作放到子线程中，例如：图片解码、图片绘制、文本处理等
• 不要用JPEG图片，应当使用PNG图片
• 在tableViewCell高度需要自适应时，需要缓存高度，以避免重复无意义的计算，可以使用字典或者NSCache缓存，或者UITableView-FDTemplateLayoutCell

(2).GPU优化：

• 尽量避免短时间内大量图片显示，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，不透明的就设置opaque为YES
• 尽量避免离屏渲染
• 在cellForRowAtIndexPath:回调的时候只创建实例，快速返回cell，不绑定数据。在willDisplayCell: forRowAtIndexPath:的时候绑定数据（赋值）
• 少用clearColor，maskToBounds，阴影效果等。

(3).尽量避免离屏渲染：

在OpenGL中，GPU有两种渲染方式：

• 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：先是从当前屏幕切换到离屏，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，例如：layer.shouldRasterize = YES;
• 遮罩，例如：layer.mask
• 圆角，同时设置layer.maskToBounds = YES和layer.cornerRadius大于0就会触发离屏渲染，可以考虑通过CoreGraphics绘制圆角，或者叫美工提供圆角图片
• 阴影，例如：layer.shadowXXX，可以用layer.shadowPath代替

5. 卡顿检测

• 思路：在RunLoop中增加一个Observer，通过监听RunLoop状态切换的耗时，已达到监控卡顿的目的

• 可以参考微信团队的卡顿监控方案

二、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，例如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，尽量使用缓存
  • 使用断点续传，否则网络不稳定时可能重复下载
  • 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的下载；如果下载广告，一次性多下载一些，然后在慢慢展示；

• 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点
  • 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
  • 尽量降级定位精度，尽量不要使用精度最高的
  • 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，这些事件由加速器、陀螺仪、磁力计等硬件检测，在不需要检测的场合，及时关闭这些硬件

三、启动优化

1. APP的启动

• APP的启动分为冷启动和热启动：

  • 冷启动：从零开始启动APP
  • 热启动：APP已经在内存中了，再次点击图标启动APP

• 热启动的速度已经非常快了，所以启动优化主要针对于冷启动

2. 查看APP的启动时间

• 通过添加环境变量可以打印出APP的启动时间：Product -> Scheme -> Edit Scheme -> Run -> Arguments

• 在环境变量Environment Variables中增加：DYLD_PRINT_STATISTICS为YES，然后运行APP，即可在控制台中打印出来

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

3. APP启动的三大阶段

APP启动分为三大阶段：dyld加载可执行文件和动态库、Runtime初始化OC结构、dyld调用main函数及代理方法，如下图所示

三大阶段

(1).dyld

• dyld是Apple的动态链接器，全称是dynamic link editor，可以用来装载Mach-O文件，包括可执行文件、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进行下一步处理

(2).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结果的初始化，包括注册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，可行文件和动态库中所有的符号，包括Class、Protocol、Selector、IMP等等，都已经按格式成功加载到内存中，被runtime所管理了

(3).main

• 所有初始化工作完成后，dyld就会调用main函数，然后调用UIApplicationMain函数，`然后就是``AppDelegate的application:didFinishLaunchingWithOptions:```方法

(4).总结

• APP的启动由dyld主导，将可执行文件加载到内存中，顺便加载所有依赖的动态库

• 然后runtime负责将可执行文件等加载成objc定义的结构

• 所有初始化工作结束后，dyld就是调用main函数，进而调用application:didFinishLaunchingWithOptions:方法

4. APP启动优化

根据不同的阶段，进行不同的优化：

• 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和分类
  • 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

四、安装包瘦身

安装包IPA主要由可执行文件、资源组成，所以安装包瘦身也是从这两方面考虑

(1). 对于资源的瘦身，包括图片、音频、视频等

• 采取无损压缩

• 去除没有用到的资源：https://github.com/tinymind/LSUnusedResources

(2). - 对可行性文件瘦身

• 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添加为-fno-exceptions

• 去除未使用代码：

  • 利用AppCode检测未使用代码，打开AppCode后在，在菜单栏->Code->Inspect Code

  • 或者编写LLVM插件检测出重复代码、未被调用的代码

  • 生成LinkMap文件，可以查看可执行文件的具体组成，可以借助第三方工具解析LinkMap文件，如下图所示

image.png