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启动时间的一些分析

前言

最近在做一些App品质提升,启动时间优化是其中很重要的一项,本文围绕启动时间做一个深入了解。

正文

什么是启动时间?

启动时间可以理解为从用户点击App的Icon到用户看到App真正画面并且可以进行交互的时间。这段时间还可以为两部分:iOS系统启动App的时间 和 App初始化应用内部逻辑和界面的时间。

一、App产生

在探究iOS系统如何处理App启动之前,我们需要先了解下一个App是如何产生的: 1、编译:我们打开一个xcode工程,会看到若干个.h/.m组成;当我们进行编译时,编译器会分别对每个.m文件进行编译,得到对应的.o文件;

2、链接:将编译产生的多个.o文件结合静态库、动态库进行链接,得到一个可执行文件,也叫Mach-O文件;​

Mach-O里的部分信息会被行裁剪(strip),比如说调试符号、行号等信息;为了方便调试,会把这些信息放到一个dsym文件;

3、签名&打包&上传:将裁剪后的Mach-O与资源文件(storyboard、asset)等一起打包成.app文件,再进行签名,最后上传到AppStore后台;

二、iOS如何启动App

WWDC视频中对启动过程做了一些介绍,先看iOS 13以前用dyld2是如何启动App:

1、解析Mach-O文件的头部,找到​LC_LOAD_DYLINKER,定位到dyld的路径,将dyld加载到内存中;

2、解析动态库的依赖,比如说我们工程中这部分依赖;

3、分别将动态库mmap到内存中,一个App运行过程中会依赖很多动态库;​

4、符号查找定位,下图是我们工程依赖的GLKit.framework,但是点开framework的所在文件夹,会发现只有头文件和一个tbd文件;tbd是text-based stub library的简称,为xcode链接过程提供符号;App真正运行的时候,还需要加载动态库,进行真正的链接;(动态链接的了解可以看前文)

5、符号绑定和重定向,动态链接与静态链接一样,符号最终都需要转换为运行时的内存地址;动态库的符号需要运行时,才能确定所有符号的具体位置;还有另外一个影响的因素是iOS的ASLR(进程地址空间布局随机化)也需要在运行时加上偏移;

6、静态初始化,包括我们常用​+load方法,以及其他静态初始化的方法;

dyld3如何进行优化? iOS 13之后,系统提供的dyld3将启动过程的解析Mach-O文件的头部解析动态库的依赖符号查找定位的结果做了一个缓存,写到是disk中。在启动时候,就直接读取缓存并校验是否有效,再进行后续的动态库加载符号绑定和重定向以及静态初始化。 ​ 这个缓存存储在沙盒的tmp/com.apple.dyld目录(tmp目录不能再整个清除),缓存会在手机系统升级或者更新App时重新创建。

三、开发时如何对这些时间进行分析

开发阶段,可以在环境变量中设置DYLD_PRINT_STATISTICS值为1;

启动的时候,就可以看到控制台打出了具体的时间。

Total pre-main time: 622.64 milliseconds (100.0%)
         dylib loading time:  33.89 milliseconds (5.4%)
        rebase/binding time: 279.52 milliseconds (44.8%)
            ObjC setup time: 270.59 milliseconds (43.4%)
           initializer time:  38.63 milliseconds (6.2%)
           slowest intializers :
             libSystem.B.dylib :   7.08 milliseconds (1.1%)
    libMainThreadChecker.dylib :  19.92 milliseconds (3.2%)

同样,还可以设置DYLD_PRINT_LIBRARIES值为1,就会打印出来装载了哪些动态库。

dyld: loaded: /Library/Developer/CoreSimulator/Profiles/Runtimes/iOS 12.2.simruntime/Contents/Resources/RuntimeRoot/usr/lib/libMobileGestaltExtensions.dylib
dyld: loaded: /Library/Developer/CoreSimulator/Profiles/Runtimes/iOS 12.2.simruntime/Contents/Resources/RuntimeRoot/usr/lib/libobjc-trampolines.dylib
dyld: loaded: /Library/Developer/CoreSimulator/Profiles/Runtimes/iOS 12.2.simruntime/Contents/Resources/RuntimeRoot/System/Library/PrivateFrameworks/FontServices.framework/libTrueTypeScaler.dylib
dyld: loaded: /Library/Developer/CoreSimulator/Profiles/Runtimes/iOS 12.2.simruntime/Contents/Resources/RuntimeRoot/System/Library/Frameworks/Accelerate.framework/Frameworks/vImage.framework/Libraries/libCGInterfaces.dylib
...

Instrucment也有工具进行这些时间的分析,比如说大家最常用的Time Profiler,以及更复杂的System Trace。 Time Profiler​基于采样的方式进行运行时间统计,大概每毫秒会采样一次,可以通过​勾选Recording Options的​High Frequency来提高采样频率;Time Profiler​的使用比较简单,能直接反馈出来瓶颈的问题。 ​System Trace可以更细致的分析锁、线程状态、内存变化、系统调用等,比如说下图的​Zero Fill、File Backed Page In、Page Cache Hit、Copy On Write的分布。

File Backed Page In 就是PageFault,内存缺页中断,访问一个虚拟内存地址而内存中还不存在时触发,操作系统会分配物理内存并拷贝内容到对应物理内存;

Page Cache Hit 如果操作系统的PageCache里有对应缓存,则会触发一个Page Cache Hit;(参考资料

Copy On Write 操作系统中的内存页存在共享的情况,如果某些页是只读,则一直是可以共享的;但是如果对一个可写的共享内存页进行写操作时,需要先复制一份再尝试写入,这个过程就是Copy On Write;

Zero Fill 部分内存页的值都是0,在读入后需要出发一次填充0的操作,这个过程就是Zero Fill;

四、如何对线上用户进行启动时间统计

最实用的方式就是打点统计: +load方法开始打点:+load方法的调用顺序是按照链接顺序执行,如果使用CocoaPod来管理集成库,可以新建一个A开头的Pod库(CocoaPod是按照字母升序),让该Pod库的+load方法第一个被执行; main函数开始打点attribute可以设置函数、变量和类型属性,可以设置一个constructor属性,让函数在main()函数执行之前被自动的执行。

static void __attribute__((constructor)) _mainConstructor() {
    NSLog(@"main constructor");
}

didFinishLaunchingWithOptions开始打点:直接在APPDelegate的didFinishLaunchingWithOptions方法开始时打点; didFinishLaunchingWithOptions结束打点:直接在APPDelegate的didFinishLaunchingWithOptions方法结束时打点; RootViewControllerDidAppear打点:在viewDidAppear:方法开始时打点;

总结

了解更多关于启动相关的知识,才能更好去分析问题,设计良好的解决方案。 最后介绍了两个工具:MachOView 和 Hopper Disassembler。 前者开源免费(直接搜索下载),后者收费软件(也可以30分钟试用)。

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