iOS 优化App启动时间-启动详解（上篇）

看了一下2016年的WWDC关于优化启动时间的PPT，有些感悟和总结，记录一下。

这篇文章你能学到什么

理论:

• 我们在进入mian()函数之前发生了什么事情
• Mach -O的格式
• 虚拟内存基础知识
• 二进制Mach -O怎么被加载和准备

实用部分：

• 怎么去计算启动时间
• 优化启动时间

Mach -O、虚拟内存速成课

主要简单的介绍了Mach -O和虚拟内存的知识，下文在app启动的时会有很多相关的术语，不知道会懵逼。

Mach-O为Mach Object文件格式的缩写，它是一种用于可执行文件，目标代码，动态库，内核转储的文件格式。作为a.out格式的替代，Mach-O提供了更强的扩展性，并提升了符号表中信息的访问速度。 Mach-O曾经为大部分基于Mach核心的操作系统所使用。NeXTSTEP，Darwin和Mac OS X等系统使用这种格式作为其原生可执行文件，库和目标代码的格式。而同样使用GNU Mach作为其微内核的GNU Hurd系统则使用ELF而非Mach-O作为其标准的二进制文件格式。

深度了解可以看下这篇文章：探秘 Mach-O 文件

Mach-O术语

文件类型：

• Executable：应用的主要二进制文件（比如.o文件）
• Dylib：动态库（又称 DSO 或 DLL）
• Bundle： 资源文件，不能被链接的 Dylib，只能在运行时使用 dlopen() 加载

Image：指的是Executable，Dylib或者Bundle的一种，文中会多次使用Image这个名词。 Framework：动态库和对应头文件和资源的集合

Mach-O文件

介绍了 Mach-O内部结构，每个分区和如何支持不同架构等。

1、 Mach-O被分为下图的几个segment：

在这里插入图片描述

• __TEXT ： 代码段 ，只读，包括函数，和只读的字符串，上图中类似__TEXT,__text的都是代码段
• __DATA： 数据段，读写，包括可读写的全局变量等，上图类似中的__DATA,__data都是数据段
• __LINKEDIT ：包含了方法和变量的元数据（位置，偏移量），以及代码签名等信息。

2、每个segment又划分为不同的Sections

在这里插入图片描述

不同section区域存放内容：

• Text.__text： 主程序代码
• Text.__cstring：c 字符串
• Text.__stubs：桩代码(桩代码就是用来代替某些代码的代码)
• Text.__stub_helper
• Data.__data :初始化可变的数据
• Data.__objc_imageinfo： 镜像信息 ，在运行时初始化时 objc_init，调用 load_images 加载新的镜像到 infolist 中
• Data.__la_symbol_ptr
• Data.__nl_symbol_ptr
• Data.__objc_classlist ：类列表
• Data.__objc_classrefs ：引用的类

3、Mach-O的通用文件

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在不同的架构内存的分配是不同的，那么怎么做一个兼容架构的Mach-O文件？

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Fat Header来解决这个问题，在运行时根据架构来判断选择Mach-O文件。

虚拟内存

虚拟内存是在物理内存上建立的一个逻辑地址空间，它向上（应用）提供了一个连续的逻辑地址空间，向下隐藏了物理内存的细节。虚拟内存使得逻辑地址可以没有实际的物理地址，也可以让多个逻辑地址对应到一个物理地址。虚拟内存被划分为一个个大小相同的Page（64位系统上是16KB），提高管理和读写的效率。 Page又分为只读和读写的Page。

虚拟内存是建立在物理内存和进程之间的中间层。在iOS上，当内存不足的时候，会尝试释放那些只读的Page，因为只读的Page在下次被访问的时候，可以再从磁盘读取。如果没有可用内存，会通知在后台的App（也就是在这个时候收到了memory warning），如果在这之后仍然没有可用内存，则会杀死在后台的App。

APP启动

app启动的时候，内核会把app映射到一个新的内存空间，开始地址是随机的。

在这里插入图片描述

然后内核通过Dyld来加载动态库。

dyld（the dynamic link editor）是苹果的动态链接器，是苹果操作系统一个重要组成部分，在系统内核做好程序准备工作之后，交由dyld负责余下的工作。而且它是开源的，任何人可以通过苹果官网下载它的源码来阅读理解它的运作方式，了解系统加载动态库的细节。

详解传送门

Dyld 链接过程

1. 递归映射所有的动态库
2. Rebase所有的镜像
3. Bind镜像
4. objc runtime 准备
5. 初始化

在这里插入图片描述

1、加载动态库步骤

• 解析依赖所有的动态库
• 找到请求的mach-o 文件
• 打开读取文件
• 验证mach-o 文件
• 签名
• 调用每个segmentmmap()函数

等到所有直接依赖的动态库加载完成，加载动态库依赖的其他动态库，这样重复进行。 一个app通常会加载400多个动态库，大多数是系统库，系统库大多数都被优化加载过程 ，所以优化的关注点在于内嵌动态库。

为了保证加载完之后，保证Rebase、Bind、Objc过程动态库相关不变，所以要加签名。

2、Rebase

ASLR：全称是Address space layout randomization，翻译过来就是“地址空间布局随机化”。App被启动的时候，程序会被影射到逻辑的地址空间，这个逻辑的地址空间有一个起始地址，而ASLR技术使得这个起始地址是随机的。如果是固定的，那么黑客很容易就可以由起始地址+偏移量找到函数的地址。

为什么需要Rebase？ 是因为刚刚提到的ASLR使得地址随机化，导致起始地址不固定，另外由于Code Sign，导致不能直接修改Image。Rebase的时候只需要增加对应的偏移量即可。待Rebase的数据都存放在__LINKEDIT中。

Rebasing：调整镜像内部指针

在这里插入图片描述

我们可以使用命令行查看Rebase和Bind信息：

在这里插入图片描述

2、Binding

Binding：调整指向镜像外部的指针

问：为什么需要Binding？ 答：引用动态库其他的函数或者变量，当前mach-o文件会指向其他dylib。这时候就需要Binding操作完成这些活,Dyld会根据符号表去找到相应函数和变量地址。

在这里插入图片描述

Bind相对于Rebase有更复杂的计算，更少的page fault

3、Notify ObjC Runtime

完成Rebase和Bind之后，通知Runtime去做一些代码运行时需要做的事情。

需要做哪些事情：

• 大多数的Objc初始化在rebasing和binding之后完成
• 所有的objc 类的定义在这时候被注册
• non-fragile 属性偏移量调整更新（non-fragile ivar 是在modern runtime新增特性，为了不需要重新编译调整变量内存分布）
• 类别被插入方法列表
• 方法器的独特性

4、Initializers

完成objc的相关工作之后，需要完成动态库一些初始化工作：

• c++为静态分配的对象生成初始化器
• ObjC +load 方法
• 运行“自下而上”，这样每个初始化器都可以调用它下面的dylibs
• 最后，Dyld在可执行文件中调用main()

Pre-main() 总结

pre-mian 阶段主要是Dyld做的工作：

• 深度加载依赖的动态库
• 修正DATA pages的指针
• 运行初始化工作

篇幅有限，这边总结了原理，下篇总结启动时间优化相关。

参考：WWDC 2016: Optimizing App Startup Time https://juejin.im/post/5ab47ca1518825611a406a39 https://blog.csdn.net/hello_hwc/article/details/78317863