1.冷啟動

1.1 什么是冷啟動？

冷啟動是指記憶體中不包含該應用程式相關的資料，必須要從磁盤載入到記憶體中的啟動程序，

注意：重新打開 APP，不一定就是冷啟動，

當記憶體不足，APP被系統自動殺死后，再啟動就是冷啟動，
如果在重新打開 APP 之前，APP 的相關資料還存盤在記憶體中，這時再打開 APP，就是熱啟動
冷啟動與熱啟動是由系統決定的，我們無法決定，
當然設備重啟以后，第一次打開 APP 的程序，一定是冷啟動，

1.2 如何統計冷啟動耗時？

一般來講，統計 APP 啟動時長，以 main 函式為節點 ,分兩個大階段：

main 函式之后的代碼，是我們自己寫的，我們可以自行統計進入 main 函式到第一個界面顯示的耗時，

- 在 main 函式里列印一下當前的時間，
- 在第一個要顯示的控制器的 viewDidLoad 方法中列印一下當前時間
- 兩個時間的差值，即為main函式后的加載時長，

main 函式之前，為 pre-main 階段，由于是系統在做事情，這段時間的耗時，我們沒辦法直接統計，需要查 看系統給我們的反饋，

1.2.1 pre-main階段都做了什么？

接下來看一下專案中的 pre-main 階段的耗時，

查看系統給的反饋需要 增加一個環境變數，
增加路徑：在 Xcode -> Edit Scheme -> Run -> Arguments -> Environment Variables 中，
增加一個環境變數 DYLD_PRINT_STATISTICS:1，

下圖是我專案的加載耗時：

耗時程序分為以下4部分：

dylib loading time : 是指動態庫加載的耗時，系統的動態庫做過優化，耗時較少， 蘋果官方推薦最多不要超過6個外部動態庫，多余6個，需要考慮合并動態庫，合并動態庫對于啟動時期的優化，非常有效， 像微信的動態庫早期有八九個，現在也優化成6個了，
rebase/binding

rebase：是指地址的 偏移修正耗時，

- 在編譯生成二進制檔案的時候，每個函式都有一個地址，這個地址是相對于二進制檔案的偏移地址，
- 在啟動時，也就是在二進制檔案在加載到虛擬記憶體的時候，為了安全起見，蘋果有個安全機制（ASLR），會在整個二進制檔案的最前面，隨機加一個偏移值，
- 比如 A 函式，相對于二進制檔案的偏移值是 0x003，啟動時，整個二進制檔案被分配了一個隨機值0x100，那么 A 函式在記憶體中的實際地址是 0x003 + 0x100 = 0x103，
- 偏移修正指的就是計算方法在虛擬記憶體中的地址的程序！

binding: 動態庫的方法系結，是指將方法名字與方法的實作進行系結程序的耗時，

- 比如 NSLog 方法，在加載的時候需要先找到Foundation庫，再找到庫里的NSLog的方法的實作，將方法名字和方法實作系結在一起，

Objc setup time: 注冊所有 OC類 耗時， 類越多耗時越多，有人統計過2萬個自定義的OC的類，大概耗時800毫秒，洗掉不用的類，可以減少耗時，
initializer time: load方法和 C++建構式的耗時. 減少重寫load方法，盡量將事情延遲到 main 方法以后，可以減少耗時，
slowest intializers : 指出了最耗時的幾個庫是下面的6個庫（最后一個是我的專案），

1.2.2 pre-main階段耗時優化方法總結：

減少外部動態庫的數量
不用的類和方法，洗掉
類盡量使用懶加載，也就是盡量不要重寫load方法，
啟動時加載的資料使用多執行緒
使用純代碼，不用xib storyboard(要額外進行代碼決議轉換和頁面的渲染)

以上方法，都是和自己的專案代碼息息相關的優化方案，不同專案具體是實施動作不一樣，

還有一個優化方法，不管是什么專案，實施動作都一樣 ，對什么專案都有效，那就是二進制重排！

2. 二進制重排

學習二進制重排，首先要知道資料是如何加載到記憶體中的 ，

?記憶體加載機制：資料是如何加載到記憶體中的

我們已經知道資料加載到記憶體的程序，當虛擬記憶體頁還沒有對應的物理記憶體頁時，會出現缺頁例外（PageFault），

當冷啟動時，物理記憶體中是沒有資料的，這時會出現大量的缺頁例外，在iOS生產環境的app，在發生Page Fault進行重新加載時，iOS系統還會對其做一次簽名驗證，因此 iOS 生產環境的 Page Fault 比Debug環境下所產生的耗時更多

這里有沒有優化空間呢？接下來就是優化方案：二進制重排！

在了解二進制重排之前，再了解下在專案編譯生成二進制檔案的時候，類及其內部方法實作的排列順序是什么樣的呢？

2.2.1 二進制檔案中方法實作排序是什么樣的？

在 viewController 中，先隨便寫幾個方法，

再看下源檔案的編譯順序

接下來查看 Link Map檔案查看符號順序， 查看方式：

打開link map

****

編譯生成link map 檔案
找到link map 檔案

專案目錄中，生成的 app 右鍵，show in Finder

進入Intermediates.noindex -> TraceDemo.build -> Debug-iphonesimulator -> TraceDemo.build -> TraceDemo-LinkMap-normal-x86_64.txt

打開link map 檔案，找到自己的類及方法的名字

5.我們可以直觀的看出 link map中符號的順序，類是以源檔案的編譯順序，從上到下按序排列，方法名是以類中方法的書寫順序，由上到下排序，

2.2.2 為什么需要二進制重排？

從原始碼的執行順序上看，應該是 load -> test2 -> viewDidLoad -> test1.

但是二進制檔案中符號的順序是方法從上到下的書寫順序，沒有按照呼叫順序去排列，

在冷啟動分頁加載二進制檔案時，發現很多頁中都有啟動時需要用到的方法，那么即使頁里面也存在啟動時不需要的方法，但是由于記憶體是分頁管理的，要加載就要整頁加載，這樣就導致了大量不需要在 pre-main 階段執行的方法，也會被加載到記憶體中，增加了啟動的耗時，

例如，啟動需要加載100個頁，每個頁可以包含20個方法，但是每個頁里只有2個方法是啟動時后用到的，這樣實際上啟動時必須要的方法是2 * 100 = 200個，如果將這200個方法緊挨著放在一起，那么只需要2頁，比100個頁，減少了98頁，這樣耗時就會大大降低，

2.2.3 如何進行二進制重排？

1. 二進制重排的方法

在專案編譯生成二進制檔案的時候，找到啟動時需要的方法，并且將它們放在一起 重新排序，這就是二進制重排，

兩個關鍵點：找到啟動時需要方法 & 方法 的重排序

2.方法的重排序：

重排序其實很簡單，xcode已經為我們提供了這個機制，它使用的聯結器叫做 ld, ld有一個引數叫做Order File, 我們可以通過配置order檔案，來使編譯時生成的二進制的檔案的Link Map種的符號順序，按照我們指定的順序排列生成，而且 libobjc 實際上也做了二進制重排 ，

【第一步】在專案根目錄下建一個xxx.order的檔案，里面寫上按照自己想排列的順序，寫上方法或者函式的名字，（如果寫了一個不存在的符號，也不會報錯，會被自動過濾掉~）

【第二步】在 Build Settings 搜索order file 的檔案，將專案根目錄創建的檔案，設定上去，

【第三步】重新編譯，查看 Link Map 檔案的順序，果然，按照我們指定的順序排列啦！

3. 靜態插樁 - 找到冷啟動時的所有方法

接下來，需要做的就是寫入 order 檔案里的符號了，我們不可能手寫上所有的啟動時需要的執行的符號，這里的所有符號包括，呼叫的方法、函式、C++構造方法、swift方法、block，

這里使用 LLVM 內置的簡單代碼覆寫率檢測工具（SanitizerCoverage），它在邊緣、 函式、基本塊 級別上插入對用戶定義函式的呼叫，

edge （默認）：檢測邊緣（所有的指令跳轉都會被插入對用戶定義函式的呼叫, 如回圈、分支判斷、方法函式等），
bb：檢測基本塊，
func：僅將檢測每個 功能的輸入塊(這個就是我們要重排序的符號)，

按照檔案，

【第1步】搜索并設定 Other C Flags/ Other C++ Flags 為 -fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard （這里要用func, 不能用默認的edge, 不然會造成死回圈），
如果有swift ，需要設定 Other Swift Flags 設定為 **** -sanitize-coverage=func -sanitize=undefined

【第2步】編譯器將插入對模塊建構式的呼叫，所以我們要實作這個方法：

__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop);

通過列印start, stop 地址的內容，從 start 地址開始，到 stop 地址的前4位，存盤的是 uint32 的 1-19的數字，

我們可以從這個函式中知道, 當前專案中自定義的功能輸入塊的數量，

【第3步】編譯器會在生成二進制檔案的時候，在每個func呼叫之初，插入以下代碼：

__sanitizer_cov_trace_pc_guard(&guard_variable)

也就是說，每個方法在執行的時候，都會呼叫上面這個方法， 接下來：

- 1. 我們要實作這個方法，并在這個方法里，獲取到本方法結束后要回傳的地址

// 獲取到本方法結束后，要回傳的地址去，這個地址包含在被hook的方法內部，但不是被hook 的方法的首地址
void *PC = __builtin_return_address(0);

- 1. 并將地址保存一個系統的原子佇列（ ( 底層實際上是個堆疊結構 , 利用佇列結構 + 原子性來保證順序 )）中，使用原子佇列，是為了防止多執行緒資源搶奪，原子佇列的存值方法如下:

// 將結構體存入到原子佇列中，
// offsetof(type,member) 回傳結構體中成員的偏移值，由于指標PC是8位元組，所以這里回傳8位元組，
// 詳見下圖
OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SYNode, next));

每個 SYNode 首地址都距離上一個偏移 PC 所占的位元組數，這樣做的妙處就是，每個 SYNode 的 next 的地址，恰巧就是下一個結構體的地址，這樣方便獲取佇列里面的所有資料，

【第4步】我們在點擊螢屏的事件中

- 把存盤到原子佇列中的地址遍歷出來，
- 根據地址獲取當前地址所在的方法的名稱并存入陣列中，

typedef struct dl_info {
        const char      *dli_fname;     /* 所在檔案 */
        void            *dli_fbase;     /* 檔案地址 */
        const char      *dli_sname;     /* 符號名稱 */
        void            *dli_saddr;     /* 函式起始地址 */
} Dl_info;
 
//這個函式能通過函式內部地址找到函式符號
int dladdr(const void *, Dl_info *);

- 由于原子佇列是堆疊結構，先進后出，所以我們需要將陣列倒序排列
- 由于方法可能會被多次呼叫，我們需要去重
- 再將最后我們當前點擊螢屏的方法洗掉掉
- 將方法名字的陣列，轉成字串，寫到沙盒檔案中

完整代碼如下：

//
//  ViewController.m
//  TraceDemo
//
//  Created by hank on 2020/3/16.
//  Copyright ? 2020 hank. All rights reserved.
//

#import "ViewController.h"
#import <dlfcn.h>
#import <libkern/OSAtomic.h>
#import "TraceDemo-Swift.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

+(void)initialize
{

}

void(^block1)(void) = ^(void) {

};

void test(){
    block1();

}

+(void)load
{

}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [SwiftTest swiftTestLoad];
    test();
}

-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    NSMutableArray <NSString *> * symbolNames = [NSMutableArray array];
    
    while (YES) {
        SYNode * node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(SYNode, next));
        if (node == NULL) {
            break;
        }
        Dl_info info;
        dladdr(node->pc, &info);
        NSString * name = @(info.dli_sname);
        BOOL  isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
        NSString * symbolName = isObjc ? name: [@"_" stringByAppendingString:name];
        [symbolNames addObject:symbolName];
    }
    //取反
    NSEnumerator * emt = [symbolNames reverseObjectEnumerator];
    //去重
    NSMutableArray<NSString *> *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count];
    NSString * name;
    while (name = [emt nextObject]) {
        if (![funcs containsObject:name]) {
            [funcs addObject:name];
        }
    }
    //移除本方法
    [funcs removeObject:[NSString stringWithFormat:@"%s",__FUNCTION__]];
    //將陣列變成字串
    NSString * funcStr = [funcs  componentsJoinedByString:@"\n"];
    
    NSString * filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"demo.order"];
    NSData * fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
    NSLog(@"%@",funcStr);
}

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.
}

//原子佇列
static  OSQueueHead symbolList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
//定義符號結構體
typedef struct {
    void *pc;
    void *next;
}SYNode;

void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
    // 會導致load 方法被return
//    if (!*guard) return; 
    // 獲取到本方法結束后，要回傳的地址去，這個地址包含在被hook的方法內部，但不是被hook 的方法的首地址
    void *PC = __builtin_return_address(0);
    SYNode *node = malloc(sizeof(SYNode));
    *node = (SYNode){PC,NULL};
    //進入
    OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(SYNode, next));
}


@end

2.2.4 如何驗證二進制重排的效果？

1.查看缺頁例外數量Page Fualt：

查看一下專案的缺頁例外數量，注意需要卸載 APP 或者重啟手機，來保證這個APP完全沒有被加載到記憶體中，因為如果物理記憶體中有該APP的資料，
打開 Instrument -> System Trace

3.選擇真機、專案、點擊啟動，當第一個頁面顯示出來后，點擊停止，

xcode 12搜索main thread, 選擇Virtual Memory，File Backed Page in 就是缺頁例外的數量

優化前：專案的缺頁遺產數量是427

優化后：

優化前：專案的缺頁遺產數量是286

減少了啟動時大概40%的缺頁例外~

3.自動更新order 檔案

隨著代碼迭代，order檔案需要更新，每次手動更新很麻煩，所以需要自動更新，

brew install ios-deploy
APP_ORDER_DIR=appOrderDir
APP_ORDER=./$APP_ORDER_DIR/Documents/app.order
mkdir $APP_ORDER_DIR
ios-deploy --download=/Documents --bundle_id $PRODUCT_BUNDLE_IDENTIFIER --to ./$APP_ORDER_DIR

if [ -e $APP_ORDER ] ;then
cp -f $APP_ORDER ./Resource/app.order
fi
rm -r $APP_ORDER_DIR

【補充xcode13】查看缺頁例外的方式

選擇真機、專案、點擊啟動，當第一個頁面顯示出來后，點擊停止，

青山不改，綠水常流，謝謝大家！

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使用二進制重排 & Clang插樁技術點來進行iOS冷啟動進行優化