倍洽

深入理解 iOS App 的启动过程

前言

启动时间是衡量应用品质的重要指标。

本文首先会从原理上出发,讲解iOS系统是如何启动App的,然后从main函数之前和main函数之后两个角度去分析如何优化启动时间。

准备知识

Mach-O

哪些名词指的是Mach-o

  • Executable 可执行文件
  • Dylib 动态库
  • Bundle 无法被连接的动态库,只能通过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 动态库和对应的头文件和资源文件的集合

Apple出品的操作系统的可执行文件格式几乎都是mach-o,iOS当然也不例外。

mach-o可以大致的分为三部分:

  • Header 头部,包含可以执行的CPU架构,比如x86,arm64
  • Load commands 加载命令,包含文件的组织架构和在虚拟内存中的布局方式
  • Data,数据,包含load commands中需要的各个段(segment)的数据,每一个Segment都得大小是Page的整数倍。

我们用MachOView打开Demo工程的可以执行文件,来验证下mach-o的文件布局:

图中分析的mach-o文件来源于PullToRefreshKit,这是一个纯Swift的编写的工程。

那么Data部分又包含哪些segment呢?绝大多数mach-o包括以下三个段(支持用户自定义Segment,但是很少使用)

  • __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 __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。

关于mach-o更多细节,可以看看文档:《Mac OS X ABI Mach-O File Format Reference》。

dyld

dyld的全称是dynamic loader,它的作用是加载一个进程所需要的image,dyld是开源的。

Virtual Memory

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。

Page fault

在应用执行的时候,它被分配的逻辑地址空间都是可以访问的,当应用访问一个逻辑Page,而在对应的物理内存中并不存在的时候,这时候就发生了一次Page fault。当Page fault发生的时候,会中断当前的程序,在物理内存中寻找一个可用的Page,然后从磁盘中读取数据到物理内存,接着继续执行当前程序。

Dirty Page & Clean Page

  • 如果一个Page可以从磁盘上重新生成,那么这个Page称为Clean Page
  • 如果一个Page包含了进程相关信息,那么这个Page称为Dirty Page

像代码段这种只读的Page就是Clean Page。而像数据段(_DATA)这种读写的Page,当写数据发生的时候,会触发COW(Copy on write),也就是写时复制,Page会被标记成Dirty,同时会被复制。

想要了解更多细节,可以阅读文档:Memory Usage Performance Guidelines

启动过程

使用dyld2启动应用的过程如图:

大致的过程如下:

加载dyld到App进程 
加载动态库(包括所依赖的所有动态库) 
Rebase 
Bind 
初始化Objective C Runtime 
其它的初始化代码

加载动态库

dyld会首先读取mach-o文件的Header和load commands。 
接着就知道了这个可执行文件依赖的动态库。例如加载动态库A到内存,接着检查A所依赖的动态库,就这样的递归加载,直到所有的动态库加载完毕。通常一个App所依赖的动态库在100-400个左右,其中大多数都是系统的动态库,它们会被缓存到dyld shared cache,这样读取的效率会很高。

查看mach-o文件所依赖的动态库,可以通过MachOView的图形化界面(展开Load Command就能看到),也可以通过命令行otool。

192:Desktop Leo$ otool -L demo 
demo:
    @rpath/PullToRefreshKit.framework/PullToRefreshKit (compatibility version 1.0.0, current version 1.0.0)
    /System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Foundation (compatibility version 300.0.0, current version 1444.12.0)
    /usr/lib/libobjc.A.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 228.0.0)
    @rpath/libswiftCore.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 900.0.65)
    @rpath/libswiftCoreAudio.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 900.0.65)
    //...

Rebase && Bind

这里先来讲讲为什么要Rebase?

有两种主要的技术来保证应用的安全:ASLR和Code Sign。

ASLR的全称是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。

Code Sign相信大多数开发者都知晓,这里要提一点的是,在进行Code sign的时候,加密哈希不是针对于整个文件,而是针对于每一个Page的。这就保证了在dyld进行加载的时候,可以对每一个page进行独立的验证。

mach-o中有很多符号,有指向当前mach-o的,也有指向其他dylib的,比如printf。那么,在运行时,代码如何准确的找到printf的地址呢?

mach-o中采用了PIC技术,全称是Position Independ code。当你的程序要调用printf的时候,会先在__DATA段中建立一个指针指向printf,在通过这个指针实现间接调用。dyld这时候需要做一些fix-up工作,即帮助应用程序找到这些符号的实际地址。主要包括两部分

  • Rebase 修正内部(指向当前mach-o文件)的指针指向
  • Bind 修正外部指针指向

之所以需要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。
可以通过MachOView查看:Dynamic Loader Info -> Rebase Info

也可以通过命令行:

192:Desktop Leo$ xcrun dyldinfo -bind demo 
bind information:
segment section          address        type    addend dylib            symbol
__DATA  __got            0x10003C038    pointer      0 PullToRefreshKit __T016PullToRefreshKit07DefaultC4LeftC9textLabelSo7UILabelCvWvd
__DATA  __got            0x10003C040    pointer      0 PullToRefreshKit __T016PullToRefreshKit07DefaultC5RightC9textLabelSo7UILabelCvWvd
__DATA  __got            0x10003C048    pointer      0 PullToRefreshKit __T016PullToRefreshKit07DefaultC6FooterC9textLabelSo7UILabelCvWvd
__DATA  __got            0x10003C050    pointer      0 PullToRefreshKit __T016PullToRefreshKit07DefaultC6HeaderC7spinnerSo23UIActivityIndicatorViewCvWvd
//...

Rebase解决了内部的符号引用问题,而外部的符号引用则是由Bind解决。在解决Bind的时候,是根据字符串匹配的方式查找符号表,所以这个过程相对于Rebase来说是略慢的。

同样,也可以通过xcrun dyldinfo来查看Bind的信息,比如我们查看bind信息中,包含UITableView的部分:

192:Desktop Leo$ xcrun dyldinfo -bind demo | grep UITableView
__DATA  __objc_classrefs 0x100041940    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableView
__DATA  __objc_classrefs 0x1000418B0    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewCell
__DATA  __objc_data      0x100041AC0    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewController
__DATA  __objc_data      0x100041BE8    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewController
__DATA  __objc_data      0x100042348    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewController
__DATA  __objc_data      0x100042718    pointer      0 UIKit            _OBJC_CLASS_$_UITableViewController
__DATA  __data           0x100042998    pointer      0 UIKit            _OBJC_METACLASS_$_UITableViewController
__DATA  __data           0x100042A28    pointer      0 UIKit            _OBJC_METACLASS_$_UITableViewController
__DATA  __data           0x100042F10    pointer      0 UIKit            _OBJC_METACLASS_$_UITableViewController
__DATA  __data           0x1000431A8    pointer      0 UIKit            _OBJC_METACLASS_$_UITableViewController

Objective C

Objective C是动态语言,所以在执行main函数之前,需要把类的信息注册到一个全局的Table中。同时,Objective C支持Category,在初始化的时候,也会把Category中的方法注册到对应的类中,同时会唯一Selector,这也是为什么当你的Cagegory实现了类中同名的方法后,类中的方法会被覆盖。

另外,由于iOS开发时基于Cocoa Touch的,所以绝大多数的类起始都是系统类,所以大多数的Runtime初始化起始在Rebase和Bind中已经完成。

Initializers

接下来就是必要的初始化部分了,主要包括几部分:

  • +load方法。
  • C/C++静态初始化对象和标记为__attribute__(constructor)的方法

这里要提一点的就是,+load方法已经被弃用了,如果你用Swift开发,你会发现根本无法去写这样一个方法,官方的建议是实用initialize。区别就是,load是在类装载的时候执行,而initialize是在类第一次收到message前调用。

dylD3

上文的讲解是dyld2的加载方式。而最新的是dyld3加载方式略有不同:

dyld2是纯粹的in-process,也就是在程序进程内执行的,也就意味着只有当应用程序被启动的时候,dyld2才能开始执行任务。

dyld3则是部分out-of-process,部分in-process。图中,虚线之上的部分是out-of-process的,在App下载安装和版本更新的时候会去执行,out-of-process会做如下事情:

  • 分析Mach-o Headers
  • 分析依赖的动态库
  • 查找需要Rebase & Bind之类的符号
  • 把上述结果写入缓存

这样,在应用启动的时候,就可以直接从缓存中读取数据,加快加载速度。

启动时间

冷启动 VS 热启动

如果你刚刚启动过App,这时候App的启动所需要的数据仍然在缓存中,再次启动的时候称为热启动。如果设备刚刚重启,然后启动App,这时候称为冷启动。

启动时间在小于400ms是最佳的,因为从点击图标到显示Launch Screen,到Launch Screen消失这段时间是400ms。启动时间不可以大于20s,否则会被系统杀掉。

在Xcode中,可以通过设置环境变量来查看App的启动时间,DYLD_PRINT_STATISTICS和DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS。

Total pre-main time:  43.00 milliseconds (100.0%)
         dylib loading time:  19.01 milliseconds (44.2%)
        rebase/binding time:   1.77 milliseconds (4.1%)
            ObjC setup time:   3.98 milliseconds (9.2%)
           initializer time:  18.17 milliseconds (42.2%)
           slowest intializers :
             libSystem.B.dylib :   2.56 milliseconds (5.9%)
   libBacktraceRecording.dylib :   3.00 milliseconds (6.9%)
    libMainThreadChecker.dylib :   8.26 milliseconds (19.2%)
                       ModelIO :   1.37 milliseconds (3.1%)

对于这个libMainThreadChecker.dylib估计很多同学会有点陌生,这是XCode 9新增的动态库,用来做主线成检查的。

优化启动时间

启动时间这个名词,不同的人有不同的定义。在我看来,

启动时间是用户点击App图标,到第一个界面展示的时间。

以main函数作为分水岭,启动时间其实包括了两部分:main函数之前和main函数到第一个界面的viewDidAppear:。所以,优化也是从两个方面进行的,个人建议优先优化后者,因为绝大多数App的瓶颈在自己的代码里。

Main函数之后

我们首先来分析下,从main函数开始执行,到你的第一个界面显示,这期间一般会做哪些事情。

  • 执行AppDelegate的代理方法,主要是didFinishLaunchingWithOptions
  • 初始化Window,初始化基础的ViewController结构(一般是UINavigationController+UITabViewController)
  • 获取数据(Local DB/Network),展示给用户。

UIViewController

延迟初始化那些不必要的UIViewController。

比如网易新闻:

在启动的时候只需要初始化首页的头条页面即可。像“要闻”,“我的”等页面,则延迟加载,即启动的时候只是一个UIViewController作为占位符给TabController,等到用户点击了再去进行真正的数据和视图的初始化工作。

AppDelegate

通常我们会在AppDelegate的代理方法里进行初始化工作,主要包括了两个方法:

  • didFinishLaunchingWithOptions
  • applicationDidBecomeActive

优化这些初始化的核心思想就是:

能延迟初始化的尽量延迟初始化,不能延迟初始化的尽量放到后台初始化。

这些工作主要可以分为几类:

  • 三方SDK初始化,比如Crash统计; 像分享之类的,可以等到第一次调用再出初始化。
  • 初始化某些基础服务,比如WatchDog,远程参数。
  • 启动相关日志,日志往往涉及到DB操作,一定要放到后台去做
  • 业务方初始化,这个交由每个业务自己去控制初始化时间。

对于didFinishLaunchingWithOptions的代码,建议按照以下的方式进行划分:

@interface AppDelegate ()
//业务方需要的生命周期回调
@property (strong, nonatomic) NSArray<id<UIApplicationDelegate>> * eventQueues;
//主框架负责的生命周期回调
@property (strong, nonatomic) id<UIApplicationDelegate> basicDelegate;
@end

然后,你会得到一个非常干净的AppDelegate文件:

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
for (id<UIApplicationDelegate> delegate in self.eventQueues) {
[delegate application:application didFinishLaunchingWithOptions:launchOptions];
}
return [self.basicDelegate application:application didFinishLaunchingWithOptions:launchOptions];
}

由于对这些初始化进行了分组,在开发期就可以很容易的控制每一个业务的初始化时间:

CFTimeInterval startTime = CACurrentMediaTime();
//执行方法
CFTimeInterval endTime = CACurrentMediaTime();

用Time Profiler找到元凶

Time Profiler在分析时间占用上非常强大。实用的时候注意三点

  • 在打包模式下分析(一般是Release),这样和线上环境一样。
  • 记得开启dsym,不然无法查看到具体的函数调用堆栈
  • 分析性能差的设备,对于支持iOS 8的,一般分析iphone 4s或者iphone 5。

一个典型的分析界面如下:

几点要注意:

  1. 分析启动时间,一般只关心主线程
  2. 选择Hide System Libraries和Invert Call Tree,这样我们能专注于自己的代码
  3. 右侧可以看到详细的调用堆栈信息

在某一行上双击,我们可以进入到代码预览界面,去看看实际每一行占用了多少时间:

小结

不同的App在启动的时候做的事情往往不同,但是优化起来的核心思想无非就两个:

  • 能延迟执行的就延迟执行。比如SDK的初始化,界面的创建。
  • 不能延迟执行的,尽量放到后台执行。比如数据读取,原始JSON数据转对象,日志发送。

Main函数之前

Main函数之前是iOS系统的工作,所以这部分的优化往往更具有通用性。

dylibs

启动的第一步是加载动态库,加载系统的动态库使很快的,因为可以缓存,而加载内嵌的动态库速度较慢。所以,提高这一步的效率的关键是:减少动态库的数量。

合并动态库,比如公司内部由私有Pod建立了如下动态库:XXTableView, XXHUD, XXLabel,强烈建议合并成一个XXUIKit来提高加载速度。

Rebase & Bind & Objective C Runtime

Rebase和Bind都是为了解决指针引用的问题。对于Objective C开发来说,主要的时间消耗在Class/Method的符号加载上,所以常见的优化方案是:

  • 减少__DATA段中的指针数量。
  • 合并Category和功能类似的类。比如:UIView+Frame,UIView+AutoLayout…合并为一个
  • 删除无用的方法和类。
  • 多用Swift Structs,因为Swfit Structs是静态分发的。感兴趣的同学可以看看我之前这篇文章:《Swift进阶之内存模型和方法调度》
  • Initializers

通常,我们会在+load方法中进行method-swizzling,这也是Nshipster推荐的方式。

  • 用initialize替代load。不少同学喜欢用method-swizzling来实现AOP去做日志统计等内容,强烈建议改为在initialize进行初始化。
  • 减少__atribute__((constructor))的使用,而是在第一次访问的时候才用dispatch_once等方式初始化。
  • 不要创建线程
  • 使用Swfit重写代码。

参考资料

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