iOS Swift App启动优化

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说在前面

  • 网络上关于怎样做App启动优化的文章太多了，有些是对自己项目有用的，有些是对自己项目无用的。本文就是看了很多文章，经过自己的筛选和总结而成的。
  • 本文讲解在NXPlayer这款App中怎样做的启动优化，大家可以从AppStore上下载体验。
  • 启动优化，顾名思义就是缩短App启动的时间。本文从动态库转静态库和二进制重排两个方向入手，详细描述怎样做启动优化的。
  • 项目纯Swift编写，使用Cocoapods管理三方库。

启动时间

  • 那么怎样获取App启动所需要的时间呢，其实Xcode已经自带这个工具，名字就叫App Launch。
  • 把Profile调整到Debug模式。如果没有调整，在App Launch界面是不能点击Record按钮，也就没有办法分析启动时间。
  • 点击App Launch后，会自动打开App，分析完毕后，会自动关闭App，并且生成启动时间相关的数据
  • 从上图可以清楚地看到每个阶段的耗时情况，我们以最后一行的时间，也就是App运行在前台的时间，作为启动总耗时。

动态库转静态库

  • 把动态库转静态库，减少了动态库数量，除了可以减小加载动态库阶段的耗时，还能额外减少包大小。
  • 并不是所有的动态库都适合转成静态库。实践中发现，如果库中有Resources文件夹，最好不要转换。转换后Bundle发生了变化，有些资源就会访问不到。当然也有解决方案：把动态库的资源都拷贝到Main Bundle中，这样也会有其它方面的问题，不在这里叙说。
  • 项目中的动态库都是Pods管理的，选择我们使用的库，然后点击Build Settings->找到Mach-O Type修改为Static Library。
  • 目前的动态库很少，可以手动修改。如果动态库多，可以在Podfile里面添加下面的代码，然后执行pod install。
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    #填写不需要转换成静态库的动态库名字，这个需要我们手动排查。
    dynamic_frameworks = ['AMSMB2','MJRefresh','IJKMediaFramework','UnrarKit']
    post_install do |installer|
      installer.pods_project.targets.each do |target|
          if dynamic_frameworks.include?(target.name)
              next
          end
          target.build_configurations.each do |config|
            config.build_settings['MACH_O_TYPE'] = 'staticlib'
          end
      end
    end
  • 从Targets Support Files中找到Pods-NXPlayer-frameworks.sh脚本，把需要转换成静态库的行都注释掉。已经转换成静态库了，没有必要再往NXPlayer.app/Frameworks在拷贝一份。
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    if [[ "$CONFIGURATION" == "Debug" ]]; then
      install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/AMSMB2/AMSMB2.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/Alamofire/Alamofire.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/FilesProvider/FilesProvider.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/GCDWebServer/GCDWebServer.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/MBProgressHUD/MBProgressHUD.framework"
      install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/MJRefresh/MJRefresh.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/PLzmaSDK/PLzmaSDK.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/SQLite.swift/SQLite.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/SSZipArchive/SSZipArchive.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/SnapKit/SnapKit.framework"
      install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/UnrarKit/UnrarKit.framework"
    fi
    if [[ "$CONFIGURATION" == "Release" ]]; then
      install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/AMSMB2/AMSMB2.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/Alamofire/Alamofire.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/FilesProvider/FilesProvider.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/GCDWebServer/GCDWebServer.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/MBProgressHUD/MBProgressHUD.framework"
      install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/MJRefresh/MJRefresh.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/PLzmaSDK/PLzmaSDK.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/SQLite.swift/SQLite.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/SSZipArchive/SSZipArchive.framework"
    #  install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/SnapKit/SnapKit.framework"
      install_framework "${BUILT_PRODUCTS_DIR}/UnrarKit/UnrarKit.framework"
    fi
  • 网络上关于冷启动和热启动的讨论很多，App要在冷启动的情况下，测试时间才是准确的。测试不能以一次时间为准，要多几次并取平均值。具体如下：
    • 每测试完一次需要：卸载App，退出Instruments，退出Xcode。
    • 再次测试需要：打开Xcode，按快捷键command + i，会自动安装App并启动Instruments，点击App Launch进行测试。
    • 本文在转静态库之前进行了6次，总耗时12.35秒；转静态库之后进行了6次，总耗时9.112秒。时间虽然相差很少，但也算是优化了启动时间。

二进制重排

简单介绍

  • 为什么重排
    • App启动会调用很多方法或函数，这些方法或函数在内存中的表现形式是地址，姑且统称为函数地址。
    • 访问函数地址其实是从映射表中寻找物理内存中对应的内存地址，如果找到就直接访问，没有找到，系统就会立刻阻塞整个进程，触发中断异常Page Fault。当一个Page Fault被触发，操作系统会从磁盘中重新读取这页数据到物理内存上，然后将映射表中函数地址指向对应的物理地址。
    • 这些启动时的函数地址可能是放在很多页中的，那么启动时候就会产生多次的Page Fault。我们可以把函数地址放在一页或几页，减少Page Fault次数，减少阻塞次数，减少启动时间
  • 怎样查看Page Fault次数
    • 打开Instruments，找到System Trace打开。点击左上角Record(录制)按钮，等待App完全显示出来，点击停止按钮，会自动进行分析。
    • 分析完成后，按照下图所示，找到File Backed Page In，这个就是Page Fault的次数

启动函数

  • 上文也提到我们需要把启动时要调用的函数地址放在一页或几页，那么首先要知道启动时调用了哪些函数地址，才能放到页中。
  • 找到Build Settings搜索other swift，并添加-sanitize-coverage=func和-sanitize=undefined:
  • LLVM内置了一个简单的代码覆盖率工具SanitizerCoverage，需要把它集成进项目。
    • 发现是C语言实现的，而又是纯Swift项目，不能直接支持C语言，所以新建一个SanitizerCoverage.m文件，并让它参与编译。
    • 在文件SanitizerCoverage.m里面写上如下内容，用于拦截函数、方法、Block、闭包等调用。使用Dl_info可以知道当前调用的函数名，定义了一个number可以知道启动时一共调用了多少个函数。
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      #include <stdint.h>
      #include <stdio.h>
      #include <sanitizer/coverage_interface.h>
      #import <dlfcn.h>

      void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
                                                          uint32_t *stop) {
        static uint64_t N;  // Counter for the guards.
        if (start == stop || *start) return;  // Initialize only once.
      //  printf("INIT: %p %p\n", start, stop);
        for (uint32_t *x = start; x < stop; x++)
          *x = ++N;  // Guards should start from 1.
      }

      void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
          if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check.
          
          void *PC = __builtin_return_address(0);
          Dl_info info;
          dladdr(PC, &info);
          
          static int number = 0;
          number += 1;
          
          printf("方法函数名%s 当前个数--%d--\n",info.dli_sname,number);
          
          char PcDescr[1024];
      //    printf("guard: %p %x PC %s\n", guard, *guard, PcDescr);
      }
  • 经过测试，不管是静态库还是动态库里面的函数，如果在启动的时候有被调用，都会被打印。每次启动项目都会有3000多个函数被调用，并且这些函数怎么都是一些乱七八糟的符号，一脸懵逼。其实是因为Swift的名字重整机制，被重整后，就会变成这样，名字重整不在今天的讨论范围内，不再继续往下说。
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    方法函数名main 当前个数--1--
    方法函数名$s8NXPlayer11AppDelegateCMa 当前个数--2--
    方法函数名$s8NXPlayer11AppDelegateCACycfcTo 当前个数--3--
    方法函数名$s8NXPlayer11AppDelegateCACycfc 当前个数--4--
    方法函数名$s8NXPlayer11AppDelegateCMa 当前个数--5--
    ...
    方法函数名$sSo18NSComparisonResultV8rawValueSivg 当前个数--3572--
    方法函数名block_destroy_helper.9 当前个数--3573--
    方法函数名$sSS5value_Sb8isForcedSS5titleSS7messagetSgWOy 当前个数--3574--
  • 好了，到这里已经能够找到启动时要调用的函数了，下一步需要把这些函数排在一起，方便加载。

重排函数

  • 在重排函数之前，需要知道当前的函数顺序是什么，重排之后的函数顺序又是什么。这里也很简单：
    • 在Build Settings中修改Write Link Map File为YES。
    • 执行Command + Shift + K清空编译文件夹
    • 执行Command + B重新编译，编译后会生成一个Link Map符号表txt文件
    • 依次打开Products->NXPlayer.app->Show in Finder->Intermediates.noindex/NXPlayer.build/Debug-iphoneos/NXPlayer.build/NXPlayer-LinkMap-normal-arm64.txt
    • 内容很多，搜索# Symbols:，现在的顺序如下所示，符号顺序明显是按照Build Phases->Compile Sources的文件顺序来排列的，这是现在的排列顺序。如果不进行重排，文件的顺序决定了方法、函数的执行顺序。
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      # Symbols:
      # Address	Size    	File  Name
      0x100007420	0x00000074	[  1] ___sanitizer_cov_trace_pc_guard_init
      0x100007494	0x000000B0	[  1] ___sanitizer_cov_trace_pc_guard
      0x100007544	0x00000038	[  2] _$s8NXPlayer18AboutBodyViewModelC8fileNameSSvpfi
      0x10000757C	0x00000084	[  2] _$s8NXPlayer18AboutBodyViewModelC8fileNameSSvpACTK
      0x100007600	0x000000A8	[  2] _$s8NXPlayer18AboutBodyViewModelC8fileNameSSvpACTk
      0x1000076A8	0x00000080	[  2] _$s8NXPlayer18AboutBodyViewModelC8fileNameSSvg
      0x100007728	0x00000094	[  2] _$s8NXPlayer18AboutBodyViewModelC8fileNameSSvs
      0x1000077BC	0x00000064	[  2] _$s8NXPlayer18AboutBodyViewModelC8fileNameSSvM
      ...
  • 接下来就是正式重排了
    • 在项目目录下新建order.txt文件，并在Build Settings->Order File里面设置一下路径
    • 上面打印出来的启动函数都是以'$s'开头的，直接放在order.txt文件中是无法被识别的，需要在前面加上_。
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      _$s8NXPlayer11AppDelegateCMa
      _$s8NXPlayer11AppDelegateCACycfcTo
      _$s8NXPlayer11AppDelegateCACycfc
      _$s8NXPlayer11AppDelegateCMa
      _$s8NXPlayer11AppDelegateC11application_29didFinishLaunchingWithOptionsSbSo13UIApplicationC_SDySo0j6LaunchI3KeyaypGSgtFTo
      _$s8NXPlayer11AppDelegateC11application_29didFinishLaunchingWithOptionsSbSo13UIApplicationC_SDySo0j6LaunchI3KeyaypGSgtF
      _$sSo8UIWindowCMa
      _$sSo8UIWindowC5frameABSo6CGRectV_tcfC
      ...
      _$sSo18NSComparisonResultVABSYSCWl
      _$sSo18NSComparisonResultVMa
      _$sSo18NSComparisonResultVMa
      _$sSo18NSComparisonResultVSYSCSY8rawValue03RawD0QzvgTW
      _$sSo18NSComparisonResultV8rawValueSivg
      _$sSo18NSComparisonResultVSYSCSY8rawValue03RawD0QzvgTW
      _$sSo18NSComparisonResultV8rawValueSivg
      _$sSS5value_Sb8isForcedSS5titleSS7messagetSgWOy
    • 利用Xcode重新编译安装App，重复第一个步骤，查看NXPlayer-LinkMap-normal-arm64.txt内容如下，发现确实重排了函数加载顺序
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      # Symbols:
      # Address	Size    	File  Name
      0x100007380	0x0000003C	[ 19] _$s8NXPlayer11AppDelegateCACycfcTo
      0x1000073BC	0x000000AC	[ 19] _$s8NXPlayer11AppDelegateCACycfc
      0x100007468	0x00000044	[ 19] _$s8NXPlayer11AppDelegateCMa
      0x1000074AC	0x00000124	[ 19] _$s8NXPlayer11AppDelegateC11application_29didFinishLaunchingWithOptionsSbSo13UIApplicationC_SDySo0j6LaunchI3KeyaypGSgtFTo
      0x1000075D0	0x00000268	[ 19] _$s8NXPlayer11AppDelegateC11application_29didFinishLaunchingWithOptionsSbSo13UIApplicationC_SDySo0j6LaunchI3KeyaypGSgtF
      0x100007838	0x00000068	[ 19] _$sSo8UIWindowCMa
      0x1000078A0	0x00000064	[ 19] _$sSo8UIWindowC5frameABSo6CGRectV_tcfC
    • 可以看到，经过二进制重排确实减少了Page Fault的次数，总时间也有所减少。

说在最后

  • 总结
    • 把动态库转静态库，减少了动态库数量，减小加载动态库阶段的耗时。
    • 让启动函数重新排列，让排列更紧凑，减少了Page Fault的次数，减少启动耗时
  • 重排完成后需要恢复现场
    • 把Profile调整到Release模式。
    • 把Write Link Map File改为NO，
    • 把other swift的配置删除掉。
    • 把SanitizerCoverage.m从Compile sources中移除