07 - iOS启动优化 - 二进制重排 & Clang插桩

2021-01-15  本文已影响0人  思路不美

启动的过程一般是指从用户点击app图标开始到AppDelegate 的didFinishLaunching方法执行完成为止，其中，启动也分为冷启动和热启动

冷启动：内存中不包含app相关数据的启动，一般我们可以通过重启手机来实现冷启动

其中1,2 两过程 就是 从用户点击App图标到用户能看到app主界面的过程，即需要启动优化的部分

pre-main阶段的优化

统计main函数启动时间

pre-main启动耗时

-dylib loading time（动态库耗时）：主要是加载动态库，系统的动态库做过优化，耗时较少。苹果官方推荐最多不要超过6个外部动态库，多余6个，需要考虑合并动态库，合并动态库对于启动时期的优化，非常有效
-rebase/binding time（偏移修正/符号绑定耗时）
-rebase（偏移修正）：任何一个app生成的二进制文件，在二进制文件内部所有的方法、函数调用，都有一个地址，这个地址是在当前二进制文件中的偏移地址。一旦在运行时刻（即运行到内存中），每次系统都会随机分配一个ASLR（Address Space Layout Randomization，地址空间布局随机化）地址值（是一个安全机制，会分配一个随机的数值，插入在二进制文件的开头），例如，二进制文件中有一个 test方法，偏移值是0x0001，而随机分配的ASLR是0x1f00，如果想访问test方法，其内存地址（即真实地址）变为 ASLR+偏移值 = 运行时确定的内存地址（即0x1f00+0x0001 = 0x1f01）
-binding（绑定）：，例如NSLog方法，在编译时期生成的mach-o文件中，会创建一个符号！NSLog（目前指向一个随机的地址），然后在运行时（从磁盘加载到内存中，是一个镜像文件），会将真正的地址给符号（即在内存中将地址与符号进行绑定，是dyld做的，也称为动态库符号绑定），一句话概括：绑定就是给符号赋值的过程

优化建议

二进制重排

原理

当进程访问一个虚拟内存page，而对应的物理内存不存在时，会触发缺页中断（Page Fault），因此阻塞进程。此时就需要先加载数据到物理内存，然后再继续访问

App在冷启动过程中，会有大量的类、分类、三方等需要加载和执行，此刻需要调用的方法，处于不同的Page导致的此时的产生的Page Fault所带来的的耗时是很大的

将所有启动时刻需要调用的方法，排列在一起，即放在一个页中，这样就从多个Page Fault变成了一个Page Fault,优化了启动时间

监测

查看一下项目的缺页异常数量。注意需要卸载 APP 或者重启手机，来保证这个APP完全没有被加载到内存中
打开Instrument -> System Trace

工具

从图中可以看出发生的PageFault有427次

优化后

优化后项目的缺页遗产数量是286, 减少了启动时大概40%的缺页异常~

通过linkMap也可以查看启动方法的顺序

二进制重排的方法
1.方法的重排序

xcode已经为我们提供了这个机制，它使用的链接器叫做ld, ld有一个参数叫做Order File, 我们可以通过配置order文件，来使编译时生成的二进制的文件的Link Map种的符号顺序，按照我们指定的顺序排列生成。而且libobjc 实际上也做了二进制重排。

order文件

【第一步】在项目根目录下建一个xxx.order的文件，里面写上按照自己想排列的顺序，写上方法或者函数的名字。（如果写了一个不存在的符号，也不会报错，会被自动过滤掉~）

【第三步】重新编译，查看 Link Map文件的顺序，果然，按照我们指定的顺序排列啦！

排列后启动顺序
找到启动时需要方法 -> 静态插桩

接下来，需要做的就是写入 order 文件里的符号了，我们不可能手写上所有的启动时需要的执行的符号，这里的所有符号包括，调用的方法、函数、C++构造方法、swift方法、block。

这里使用 LLVM 内置的简单代码覆盖率检测工具 [图片上传失败...(image-b6c749-1626686913498)]。它在边缘、函数、基本块``级别`上插入对用户定义函数的调用。

按照文档，

__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop);

  -  参数1 start 是一个指针，指向无符号int类型，4个字节，相当于一个数组的起始位置，即符号的起始位置（是从高位往低位读）

  - 参数2 stop，由于数据的地址是往下读的（即从高往低读，所以此时获取的地址并不是stop真正的地址，而是标记的最后的地址，读取stop时，由于stop占4个字节，stop真实地址 = stop打印的地址-0x4）

//原子队列，其目的是保证写入安全，线程安全
static  OSQueueHead queue = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定义符号结构体，以链表的形式
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}XXNode;

/*
 - start：起始位置
 - stop：并不是最后一个符号的地址，而是整个符号表的最后一个地址，最后一个符号的地址=stop-4（因为是从高地址往低地址读取的，且stop是一个无符号int类型，占4个字节）。stop存储的值是符号的
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
                                                    uint32_t *stop) {
    static uint64_t N;
    if (start == stop || *start) return;
    printf("INIT: %p - %p\n", start, stop);
    for (uint32_t *x = start; x < stop; x++) {
        *x = ++N;
    }
    
}

/*
 可以全面hook方法、函数、以及block调用，用于捕捉符号，是在多线程进行的，这个方法中只存储pc，以链表的形式
 
 - guard 是一个哨兵，告诉我们是第几个被调用的
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
//    if (!*guard) return;//将load方法过滤掉了，所以需要注释掉
    
    //获取PC
    /*
     - PC 当前函数返回上一个调用的地址
     - 0 当前这个函数地址，即当前函数的返回地址
     - 1 当前函数调用者的地址，即上一个函数的返回地址
    */
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    //创建node，并赋值
    XXNode *node = malloc(sizeof(XXNode));
    *node = (XXNode){PC, NULL};
    
    //加入队列
    //符号的访问不是通过下标访问，是通过链表的next指针，所以需要借用offsetof（结构体类型，下一个的地址即next）
    OSAtomicEnqueue(&queue, node, offsetof(XXNode, next));
}

-【第四步：获取所有符号并写入文件】

extern void getOrderFile(void(^completion)(NSString *orderFilePath)){
    
    collectFinished = YES;
    __sync_synchronize();
    NSString *functionExclude = [NSString stringWithFormat:@"_%s", __FUNCTION__];
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(0.01 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        //创建符号数组
        NSMutableArray<NSString *> *symbolNames = [NSMutableArray array];
        
        //while循环取符号
        while (YES) {
            //出队
            CJLNode *node = OSAtomicDequeue(&queue, offsetof(CJLNode, next));
            if (node == NULL) break;
            
            //取出PC,存入info
            Dl_info info;
            dladdr(node->pc, &info);
//            printf("%s \n", info.dli_sname);
            
            if (info.dli_sname) {
                //判断是不是OC方法，如果不是，需要加下划线存储，反之，则直接存储
                NSString *name = @(info.dli_sname);
                BOOL isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
                NSString *symbolName = isObjc ? name : [@"_" stringByAppendingString:name];
                [symbolNames addObject:symbolName];
            }
           
        }
        
        if (symbolNames.count == 0) {
            if (completion) {
                completion(nil);
            }
            return;
        }
        
        //取反（队列的存储是反序的）
        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];
            }
        }
        
        //去掉自己
        [funcs removeObject:functionExclude];
        
        //将数组变成字符串
        NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
        NSLog(@"Order:\n%@", funcStr);
        
        //字符串写入文件
        NSString *filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"cjl.order"];
        NSData *fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
        BOOL success = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
        if (completion) {
            completion(success ? filePath : nil);
        }
    });
}
结果对比
order文件内容
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