iOS面试题：如何优化 App 的启动耗时？

iOS 的 App 启动主要分为以下步骤：

• 打开 App，系统内核进行初始化跳转到 dyld 执行。这个过程包括这些步骤：1）分配虚拟内存空间；2）fork 进程；3）加载 MachO （自身所有的可执行 MachO 文件的集合）到进程空间；4）加载动态链接器 dyld 并将控制权交给 dyld 处理。在这个过程中内核会产生 ASLR(Address space layout randomization) 随机数值，这个值用于加载的 MachO 起始地址在内存中的偏移，随机的地址可防止 MachO 代码扫描并被 hack，提升安全性。通过 ASLR 虽然可随机化各内存区基地址，但无法将程序内的代码段和数据段随机化，如果绕过（bypass） ASLR 依然可进行篡改，就需要结合 PIE(Position Independent Executable) 共同使用。与之相似的还有 PIC(Position Independent Code)，位置无关代码，作用于共享库代码。PIE/PIC 技术需要在编译阶段开启。顾名思义，PIC 可将程序代码装载到任意地址，这样就内部的指针不能靠固定的绝对地址访问，而通过相对地址指令如 adrp 来获取代码和数据。

• 进入 dyld 动态链接器，它负责将一个 App 处理为一个可运行的状态，包含：

• 加载 MachO 的依赖库（这些依赖库也是 MachO 格式的文件）。dyld 从可执行 MachO 文件的依赖开始, 递归加载所有依赖的动态库。 动态库包括：iOS 中用到的所有系统动态库：加载 OC runtime 方法的 libobjc，系统级别的 libSystem（例如 libdispatch(GCD) 和 libsystem_blocks(Block)）；其他 App 自己的动态库。根据 Apple 的描述，大部分 App 所加载的库在 100~400 个。不过 iOS 系统库已经被特殊优化过，如提前加入共享缓存，提前做好地址修正等。

• Fix-ups（地址修正），包括 rebasing 和 binding 等。ASLR + PIE 技术增强了程序的安全性，使得依赖固定地址进行攻击的方法失效，但也增加了程序自身的复杂度，MachO 文件的 rebase 和 bind info 等部分以及启动时的 fix-ups 地址修正阶段就是配合它而产生的。

• ObjC 环境配置。经过了 MachO 程序和依赖库的加载以及地址修正之后，dyld 所做的大部分事情已经完成了。在这一阶段，dyld 开始对主程序的依赖库进行初始化工作，而初始化的执行部分会回调到依赖库内部执行，如 ObjC 的运行时环境所在的 libobjc.A.dylib 以及 libdispatch.dylib 等。ObjC Setup 的过程，主要是对 ObjC 数据进行关联注册：1）dyld 将主程序 MachO 基址指针和包含的 ObjC 相关类信息传递到 libobjc；2）ObjC Runtime 从 __DATA 段中获取 ObjC 类信息，由于 ObjC 是动态语言，可以通过类名获取其实例，所以 Runtime 维护了一个映射所有类的全局类名表。当加载的数据包含了类的定义，类的名字就需要注册到全局表中；3）获取 protocol、category 等类相关属性并与对应类进行关联；4）ObjC 的调用都是基于 selector 的，所以需要对 selector 全局唯一性进行处理。以上步骤由 dyld 启动 libSystem.dylib 统一对基础库进行调用执行，这里面就包含了 libobjc 的 Runtime，同时 Runtime 会在 dyld 绑定回调，当 dyld 处理完相关数据后就会调用 ObjC Runtime 执行 Setup 工作。

• 执行各模块初始化器。从这一步就开始接近上（业务）层：1）通过 ObjC Runtime 在 dyld 注册的通知，当 MachO 镜像准备完毕后，dyld 会回调到 ObjC 中执行 +load() 方法，包括以下步骤：a）获取所有 non-lazy class 列表；b)按继承以及 category 的顺序将类排入待加载列表；c）对待加载列表中的类进行方法判断并调用 +load() 方法。2）执行 C/C++ 初始化构造器，如通过 attribute((constructor)) 注解的函数。3）如果包含 C++，则 dyld 同样会回调到 libc++ 库中对全局静态变量、隐式初始化等进行调用。

• 查找并跳转到 main() 函数入口。到了最后，dyld 回到 Load command，找到 LC_MAIN，拿到 entryoff 再加上 MachO 在内存的加载首地址（首地址就是内核传来的 slide 偏移）就得到了 main() 的入口地址，从而进入我们显式的程序逻辑。

进入 main() -> UIApplicationMain -> 初始化回调 -> 显示UI。

iOS 的 App 启动时长大概可以这样计算：

t(App 总启动时间) = t1(main 调用之前的加载时间) + t2(main 调用之后的加载时间)。

t1 = 系统 dylib(动态链接库)和自身 App 可执行文件的加载。

t2 = main 方法执行之后到 AppDelegate 类中的 application:didFinishLaunchingWithOptions:方法执行结束前这段时间，主要是构建第一个界面，并完成渲染展示。

在 t1 阶段加快 App 启动的建议：

• 尽量使用静态库，减少动态库的使用，动态链接比较耗时。
• 如果要用动态库，尽量将多个 dylib 动态库合并成一个。
• 尽量避免对系统库使用 optional linking，如果 App 用到的系统库在你所有支持的系统版本上都有，就设置为 required，因为 optional 会有些额外的检查。
• 减少 Objective-C Class、Selector、Category 的数量。可以合并或者删减一些 OC 类。
• 删减一些无用的静态变量，删减没有被调用到或者已经废弃的方法。
• 将不必须在 +load 中做的事情尽量挪到+initialize中，+initialize 是在第一次初始化这个类之前被调用，+load 在加载类的时候就被调用。尽量将+load里的代码延后调用。
• 尽量不要用 C++ 虚函数，创建虚函数表有开销。
• 不要使用 __atribute__((constructor))将方法显式标记为初始化器，而是让初始化方法调用时才执行。比如使用 dispatch_once()，pthread_once()或 std::once()。
• 在初始化方法中不调用 dlopen()，dlopen()有性能和死锁的可能性。
• 在初始化方法中不创建线程。

在 t2 阶段加快 App 启动的建议：

• 尽量不要使用 xib/storyboard，而是用纯代码作为首页 UI。
• 如果要用 xib/storyboard，不要在 xib/storyboard 中存放太多的视图。
• 对application:didFinishLaunchingWithOptions:里的任务尽量延迟加载或懒加载。
• 不要在 NSUserDefaults 中存放太多的数据，NSUserDefaults 是一个 plist 文件，plist 文件被反序列化一次。
• 避免在启动时打印过多的 log。
• 少用 NSLog，因为每一次 NSLog 的调用都会创建一个新的 NSCalendar 实例。
• 每一段 SQLite 语句都是一个段被编译的程序，调用 sqlite3_prepare 将编译 SQLite 查询到字节码，使用 sqlite_bind_int 绑定参数到 SQLite 语句。
• 为了防止使用 GCD 创建过多的线程，解决方法是创建串行队列, 或者使用带有最大并发数限制的 NSOperationQueue。
• 线程安全：UIKit只能在主线程执行，除了 UIGraphics、UIBezierPath 之外，UIImage、CG、CA、Foundation 都不能从两个线程同时访问。
• 不要在主线程执行磁盘、网络、Lock 或者 dispatch_sync、发送消息给其他线程等操作。

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