iOS-底层原理：启动优化（三）二进制重排

前提，在之前的两篇文章中，大致介绍了一些基本概念以及启动优化的思路，下面来着重介绍一个pre-main阶段的优化方案，即二进制重排，这个方案最开始是由于抖音的这篇文章抖音研发实践：基于二进制文件重排的解决方案 APP启动速度提升超15%火起来的。

二进制重排原理

在虚拟内存部分，我们知道，当进程访问一个虚拟内存page，而对应的物理内存不存在时，会触发缺页中断（Page Fault），因此阻塞进程。此时就需要先加载数据到物理内存，然后再继续访问。这个对性能是有一定影响的。

基于Page Fault，我们思考，App在冷启动过程中，会有大量的类、分类、三方等需要加载和执行，此时的产生的Page Fault所带来的的耗时是很大的。以WeChat为例，我们来看下，在启动阶段的Page Fault的次数

CMD+i快捷键，选择System Trace

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点击启动（启动前需要重启手机，清除缓存数据），第一个界面出来后，停掉，按照下图中操作

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从图中可以看出WeChat发生的PageFault有2800+次，可想而知，这个是非常影响性能的。
然后我们再通过Demo查看方法在编译时期的排列顺序，在ViewController中按下列顺序定义以下几个方法

@implementation ViewController

void test1(){
    printf("1");
}

void test2(){
    printf("2");
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    test1();
}

+(void)load{
    printf("3");
    test2();
}
@end

在Build Setting -> Write Link Map File设置为YES

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CMD+B编译demo，然后在对应的路径下查找 link map文件，如下所示，可以发现类中函数的加载顺序是从上到下的，而文件的顺序是根据Build Phases -> Compile Sources中的顺序加载的

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从上面的Page Fault的次数以及加载顺序，可以发现其实导致Page Fault次数过多的根本原因是启动时刻需要调用的方法，处于不同的Page导致的。因此，我们的优化思路就是：将所有启动时刻需要调用的方法，排列在一起，即放在一个页中，这样就从多个Page Fault变成了一个Page Fault。这就是二进制重排的核心原理，如下所示

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注意：在iOS生产环境的app，在发生Page Fault进行重新加载时，iOS系统还会对其做一次签名验证，因此 iOS 生产环境的 Page Fault 比Debug环境下所产生的耗时更多。

二进制重排实践

下面，我们来进行具体的实践，首先理解几个名词

Link Map
Linkmap是iOS编译过程的中间产物，记录了二进制文件的布局，需要在Xcode的Build Settings里开启Write Link Map File,Link Map主要包含三部分：

Object Files 生成二进制用到的link单元的路径和文件编号
Sections 记录Mach-O每个Segment/section的地址范围
Symbols 按顺序记录每个符号的地址范围

ld是Xcode使用的链接器，有一个参数order_file，我们可以通过在Build Settings -> Order File配置一个后缀为order的文件路径。在这个order文件中，将所需要的符号按照顺序写在里面，在项目编译时，会按照这个文件的顺序进行加载，以此来达到我们的优化

所以二进制重排的本质就是对启动加载的符号进行重新排列。

到目前为止，原理我们基本弄清楚了，如果项目比较小，完全可以自定义一个order文件，将方法的顺序手动添加，但是如果项目较大，涉及的方法特别多，此时我们如何获取启动运行的函数呢？有以下几种思路

1、hook objc_msgSend：我们知道，函数的本质是发送消息，在底层都会来到objc_msgSend，但是由于objc_msgSend的参数是可变的，需要通过汇编获取，对开发人员要求较高。而且也只能拿到OC 和 swift中@objc 后的方法
2、静态扫描：扫描 Mach-O 特定段和节里面所存储的符号以及函数数据
3、Clang插桩：即批量hook，可以实现100%符号覆盖，即完全获取swift、OC、C、block函数

Clang 插桩

llvm内置了一个简单的代码覆盖率检测（SanitizerCoverage）。它在函数级、基本块级和边缘级插入对用户定义函数的调用。我们这里的批量hook，就需要借助于SanitizerCoverage。

关于 clang 的插桩覆盖的官方文档如下 : clang 自带代码覆盖工具文档中有详细概述，以及简短Demo演示。

【第一步：配置】开启 SanitizerCoverage
- OC项目，需要在：在 Build Settings 里的 “Other C Flags” 中添加 -fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard
- 如果是Swift项目，还需要额外在 “Other Swift Flags” 中加入-sanitize-coverage=func 和 -sanitize=undefined
- 所有链接到 App 中的二进制都需要开启 SanitizerCoverage，这样才能完全覆盖到所有调用。
- 也可以通过podfile来配置参数

post_install do |installer|
  installer.pods_project.targets.each do |target|
    target.build_configurations.each do |config|
      config.build_settings['OTHER_CFLAGS'] = '-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard'
      config.build_settings['OTHER_SWIFT_FLAGS'] = '-sanitize-coverage=func -sanitize=undefined'
    end
  end
end

【第二步：重写方法】新建一个OC文件CJLOrderFile，重写两个方法
- __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init方法
  - 参数1 start 是一个指针，指向无符号int类型，4个字节，相当于一个数组的起始位置，即符号的起始位置（是从高位往低位读）
    
    image
  - 参数2 stop，由于数据的地址是往下读的（即从高往低读，所以此时获取的地址并不是stop真正的地址，而是标记的最后的地址，读取stop时，由于stop占4个字节，stop真实地址 = stop打印的地址-0x4）
    
    image
  - stop内存地址中存储的值表示什么？在增加一个方法/块/c++/属性的方法（多3个），发现其值也会增加对应的数，例如增加一个test1方法
    
    image
- __sanitizer_cov_trace_pc_guard方法，主要是捕获所有的启动时刻的符号，将所有符号入队
  - 参数guard是一个哨兵，告诉我们是第几个被调用的
  - 符号的存储需要借助于链表，所以需要定义链表节点CJLNode，
  - 通过OSQueueHead创建原子队列，其目的是保证读写安全
  - 通过OSAtomicEnqueue方法将node入队，通过链表的next指针可以访问下一个符号

//原子队列，其目的是保证写入安全，线程安全
static  OSQueueHead queue = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定义符号结构体，以链表的形式
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}CJLNode;

/*
 - start：起始位置
 - stop：并不是最后一个符号的地址，而是整个符号表的最后一个地址，最后一个符号的地址=stop-4（因为是从高地址往低地址读取的，且stop是一个无符号int类型，占4个字节）。stop存储的值是符号的
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
                                                    uint32_t *stop) {
    static uint64_t N;
    if (start == stop || *start) return;
    printf("INIT: %p - %p\n", start, stop);
    for (uint32_t *x = start; x < stop; x++) {
        *x = ++N;
    }

}

/*
 可以全面hook方法、函数、以及block调用，用于捕捉符号，是在多线程进行的，这个方法中只存储pc，以链表的形式

 - guard 是一个哨兵，告诉我们是第几个被调用的
 */
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
//    if (!*guard) return;//将load方法过滤掉了，所以需要注释掉

    //获取PC
    /*
     - PC 当前函数返回上一个调用的地址
     - 0 当前这个函数地址，即当前函数的返回地址
     - 1 当前函数调用者的地址，即上一个函数的返回地址
    */
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    //创建node，并赋值
    CJLNode *node = malloc(sizeof(CJLNode));
    *node = (CJLNode){PC, NULL};

    //加入队列
    //符号的访问不是通过下标访问，是通过链表的next指针，所以需要借用offsetof（结构体类型，下一个的地址即next）
    OSAtomicEnqueue(&queue, node, offsetof(CJLNode, next));
}

【第三步：获取所有符号并写入文件】
-while循环从队列中取出符号，处理非OC方法的前缀，存到数组中
- 数组取反，因为入队存储的顺序是反序的
- 数组去重，并移除本身方法的符号
- 将数组中的符号转成字符串并写入到cjl.order文件中

extern void getOrderFile(void(^completion)(NSString *orderFilePath)){

    collectFinished = YES;
    __sync_synchronize();
    NSString *functionExclude = [NSString stringWithFormat:@"_%s", __FUNCTION__];
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(0.01 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        //创建符号数组
        NSMutableArray *symbolNames = [NSMutableArray array];

        //while循环取符号
        while (YES) {
            //出队
            CJLNode *node = OSAtomicDequeue(&queue, offsetof(CJLNode, next));
            if (node == NULL) break;

            //取出PC,存入info
            Dl_info info;
            dladdr(node->pc, &info);
//            printf("%s \n", info.dli_sname);

            if (info.dli_sname) {
                //判断是不是OC方法，如果不是，需要加下划线存储，反之，则直接存储
                NSString *name = @(info.dli_sname);
                BOOL isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
                NSString *symbolName = isObjc ? name : [@"_" stringByAppendingString:name];
                [symbolNames addObject:symbolName];
            }

        }

        if (symbolNames.count == 0) {
            if (completion) {
                completion(nil);
            }
            return;
        }

        //取反（队列的存储是反序的）
        NSEnumerator *emt = [symbolNames reverseObjectEnumerator];

        //去重
        NSMutableArray *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count];
        NSString *name;
        while (name = [emt nextObject]) {
            if (![funcs containsObject:name]) {
                [funcs addObject:name];
            }
        }

        //去掉自己
        [funcs removeObject:functionExclude];

        //将数组变成字符串
        NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
        NSLog(@"Order:\n%@", funcStr);

        //字符串写入文件
        NSString *filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"cjl.order"];
        NSData *fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
        BOOL success = [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
        if (completion) {
            completion(success ? filePath : nil);
        }
    });
}

【第四步：在didFinishLaunchingWithOptions方法最后调用】需要注意的是，这里的调用位置是由你决定的，一般来说，是第一个渲染的界面

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {

    [self test11];

    getOrderFile(^(NSString *orderFilePath) {
        NSLog(@"OrderFilePath:%@", orderFilePath);
    });

    return YES;
}

- (void)test11{

}

此时的cjl.order中只有这三个方法

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【第五步：拷贝文件，放入指定位置，并配置路径】一般将该文件放入主项目路径下，并在Build Settings -> Order File中配置./cjl.order，下面是配置前后的对比（上边是配置前的熟悉怒，下边是配置后符号顺序的）

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注意点：避免死循环

Build Settings -> Other C Flags的如果配置的是-fsanitize-coverage=trace-pc-guard，在while循环部分会出现死循环（我们在touchBegin方法中调试）

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我们打开汇编调试，发现有3个__sanitizer_cov_trace_pc_guard的调用

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- 第一次是bl 是 touchBegin
  
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- 第三次 bl 是 printf
- 第二次 bl 是因为while 循环。即只要是跳转，就会被hook，即有 bl、b的指令，就会被hook
  
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解决方式：将BuildSetting中的other C Flags的-fsanitize-coverage=trace-pc-guard ，改成-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard

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二进制重排实践

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