引言
启动是用户对 App 的第一印象,对于用户体验尤为重要,所以我们花了很多时间在启动时间的优化上。本文将分享 Trip.com App 的启动优化实践,从分析 App 启动的过程开始,在了解启动流程的基础上制定大的优化原则和小的具体方案,希望能对大家有所帮助。
一、App 启动的流程分析
想做启动优化,首先要了解清楚启动的各个流程,然后才能对各个环节去做针对性措施。
借用 WWDC 对启动阶段的定义图:
1.1 System Interface
加载 App 可执行文件
Load dylibs
加载动态链接器dyld
,dyld
会递归加载 App 依赖的动态库,然后执行符号绑定Rebase
, Bind
。一般应用会加载 100 到 400 个 dylib 文件,幸运是大部分是系统库,且系统会在操作系统启动时计算和缓存系统动态库。
Apple 为了解决安全问题,引入ASLR
和Code Sign
,如果不作符号修正,程序将没法正常运行,所以会有 Rebase 和 Bind 过程。
Rebase
在镜像内部调整指针的指向,其实就是将内部指针都加上偏移量(Slide=实际新地址-旧地址)
Bind
修正指外部的指针,比如上图中 malloc,这个符号不存在于我们 App 的 Mach-O 中,需要从外部的镜像中获取,这时候就需要 Bind 操作把这个关联起来。
libSystem init
调用系统的一些初始化方法,这部分一般时间比较固定,可以不用太关注。
1.2 Runtime Init
Objc 和 Swift 的初始化
通过_dyld_objc_notify_register
注册回调,在 image 加载完时初始化语言相关。
加载 category
在上面语言初始化完之后,会加载所有 category,处理 category 的所有方法,协议和属性等。
调用所有+load
也是通过向 dyld 注册回调,在 image 加载完时,通过load_images
触发,处理该 image 相关的所有+load 方法,按照继承层级依次调用:父类+load→子类+load→category +load,注意 category 的+load 不会覆盖原类。
调用 C++的构造函数属性函数
attribute((constructor))
1.3 UIKit Init
实例化 UIApplication 和 UIApplicationDelegate
开始事件处理和系统集成
1.4 Application Init
这部分是我们熟悉的 UIApplicationDelegate 的几个生命周期调用:
application:willFinishLaunchingWithOptions:
application:didFinishLaunchingWithOptions:
applicationDidBecomeActive:
scene:willConnectToSession:options:
sceneWillEnterForeground:
sceneDidBecomeActive:
1.5 Initial Frame Render
这里是 App 渲染第一帧,主要做了创建、布局和绘制视图的工作,并把准备好的第一帧提交给渲染层渲染。这里面布局计算,图片解码,图层树的递归 commit 到 Render Server 等都是可能影响耗时的点,所以要特别注意。
1.6 Extended
这里按照苹果的定义,是异步获取数据展示界面的逻辑。比如我们首页要从网络请求数据然后展示最新数据在页面上。
二、针对启动的各个流程我们能做什么
2.1 总体原则
不管哪个流程,我们都想尽量遵循下面两个原则:
删
删的原则是指,对 App 启动和运行不是必须的任务,或者跟首页渲染第一帧无关的任务,都从启动流程中删除。对于删除的任务,可以进行懒加载的形式,需要时再调用;也可以换到其他的时机去触发,比如首页渲染完之后。
压
压的原则是指,对 App 启动和运行必须的任务,或者直接影响首页渲染第一帧的任务,都尽可能压缩其运行时间。至于做法,可以是优化方法内的实现,使其运行更快;也可以将方法执行的线程切换到子线程,以并发的形式降低其对整个启动过程的影响。
2.2 具体方案
2.2.1 减少动态库
动态库的加载在启动阶段是必须的,所以我们要尽量减少非必要的动态库。对此我们做了以下几点:
1)梳理所有动态库,将用不到的或者可以简单替代的动态库删除
可以通过otool -L xxx.app/xxx
或者打开打包后的产物,从 xxx.app/Frameworks 路径中找到所有动态库,逐个筛选,将其中可以废弃和替代的动态库删除。
2)通过推进社区(第三方 SDK)将现有动态库转成静态库
因为依赖了第三方 SDK,我们是不包含源码的,所以这部分需要推进社区提供静态库的版本,或者通过 cocoapods 等工具打包 SDK 的静态库版本。
3)将我们自己的 SDK 编译成静态库
对于我们自己的 SDK,因为有源码,所以直接修改MACH_O_TYPE
为Static Library
重新打包即可。
4)App 最低支持系统版本升级到 12.2
因为 iOS 在 12.2 版本及以上才内置了 Swift 的支持,所以在此之前 Swift 的动态库都是随着 App 下发的,也在 xxx.app/Frameworks 里。
当然,这个决策是会直接应用到用户和订单的,所以是要有数据支持的,我们是根据用户占比到达某个阈值才支持 12.2 的。如果允许,甚至可以升级到 iOS 13,因为 iOS13 以上 dlyd3 做了很多加载和缓存的优化。
2.2.2 删除无用代码
如果符号越多,很显然 Rebase 和 Bind 的处理时间就会越长,Objc 的初始化也受影响,所以我们需要尽可能减少代码:
1)通过逆向二进制或者生成 linkmap,解析所有方法(TEXT.text)和引用到的方法(__DATA _objcselrefs),找出无用方法删除
2)解析所有类(DATA.objcclasslist)和引用到的类(DATA.objcclassrefs),找出无用的类删除
3)使用第三方工具或者 clang 扫描重复代码,精简去重
4)使用LLVM_LTO
和GCC_OPTIMIZATION_LEVEL
等其他编译选项优化二进制大小
2.2.3 合并 category
合并 category,可以减少 category 加载时的耗时。不过这部分收益不大,并且也会影响编程习惯,所以我们并没有投入很多时间,不再赘述。
2.2.4 删除+load
以前会有很多代码为了省事,加到了+load 中,这部分很显然占用启动时间,所以尽量要把这其中的代码转移,可以放到 initialize 中懒加载,或者放到启动任务中并发执行,尽量减少这部分的影响。
Xcode 调试时,可以通过正则添加所有+load 方法的断点br s -r "\+\[.+ load\]$"
,然后使用br list
打印出所有+load 列表,这样方便我们定位所有+load。
2.2.5 UIApplication 子类优化
为了减少 UIKit Init 的时间,可以对 UIApplication 的子类初始化工作优化。我们这部分不存在,所以没有做什么工作。
2.2.6 启动任务并发
想象一下,如果application:didFinishLaunchingWithOptions:
里面执行的所有启动任务不作任何处理,那么代码框架将会很乱,你的优化也只能单点单点去做。
所以我们将application:didFinishLaunchingWithOptions:
阶段所有方法任务化,一个任务做一种类型的事。任务拆分好之后,就可以根据任务之间的相关性,选择哪些任务是可以并发执行,哪些任务是必须有依赖关系前后执行。
以前:
现在:
当然,任务的拆分颗粒度也很重要,拆分太粗的话,很难达到最优的组合,可能一个任务里的方法之间仍然有并行的空间。拆分太细的话,也有可能导致同一时间并发数太多,造成额外的线程切换开销。
2.2.7 I/O 处理
尤其要注意启动阶段的 I/O,一般出现于读取磁盘中的文件,比如配置文件等。
使用 Instrument→App Launch 去查看启动过程就会发现,如果主线程执行出现很多灰色的块,那就是 I/O,找到这些 I/O 产生的方法,尽量在子线程并发执行,避免阻塞主线程。
2.2.8 首页数据的预加载和懒加载
首页上有很多数据要加载,比如图片、上次缓存在本地的数据等等,这些数据的加载如果在写代码时不作特殊处理,那会在主线程执行,不知不觉就会有很多耗时。
1)预加载
对首页渲染必须的数据,比如一个 icon,或者一个翻译的数据,我们通过在启动任务(之前提到的拆分的并发任务)中新增加一个预加载启动任务,专门负责在application:didFinishLaunchingWithOptions:
的过程中并发执行数据的获取。因为获取数据大多比较耗时,所以放在子线程充分利用启动阶段的空闲。同时这类任务大多数是 I/O 操作,并不会占用太多 CPU 资源。
更进一步,其实可以对首页用到的资源在运行时作个标记,记录到磁盘,下次启动的时候读取这个记录,对用到的资源进行提前预加载,这样避免 hard code 很多资源名在代码中。
2)懒加载
首页的数据往往很多,但并不是一开始要全部用到。可以对数据作区分,和第一屏展示无关的,使用懒加载,真正用到的时候再去加载。
2.2.9 二进制重排
1)page fault
由于虚拟内存的机制,应用启动时不会把所有数据加载到内存,而是以页为单位逐步从磁盘中加载,内存中的虚拟地址和磁盘中的物理地址有个映射关系。当程序执行时,如果发现要访问的东西不在内存里,就会触发一次page fault
,去磁盘中加载新的一页。
启动阶段有很多方法要调用,而这些方法在 Mach-O 中的位置又是在编译时确认的。如果有 10 个方法刚好在不同页,可能就要产生 10 次page fault
。
二进制重排要做的就是将启动阶段要用到的方法,在编译时提前确定,通过.order 文件告诉编译器,这样这些方法会排布在 Mach-O 的最前面,之前的 10 次page fault
很可能就变成一两次page fault
。
通过在 Other C Flags 中添加-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard
再通过__sanitizer_cov_trace_pc_guard
记录启动阶段所有方法的调用,再将这些写入到.order 文件中,在 Xcode 的ORDER_FILE
设置中配置即可生效。
通过测试,我们的二进制重排大概优化 100-200ms。
2.2.10 其他通用手段
针对启动任务和首页渲染阶段,通用的手段是通过 instrument,profile 出耗时长的任务,对任务针对性地做方法优化。如果有的方法是第三方库的,那就需要推进社区去更新。我们在做的过程中给 Firebase 和 Google 的一些 SDK 提了很多 issue,对方开发人员配合很积极,对我们帮助很大。
三、成果如何
通过长期的优化,以上手段全部用完之后,我们的启动时间从原来的 2 秒,优化到 1 秒以内。
总结
在优化启动时间的过程中,我们的收获不仅是对启动时间的优化,也对系统的启动机制有了更深的了解,同时优化了我们自己的代码,使其变得更加更加健壮和高性能。
作者简介
Shanks,携程移动开发专家,关注移动端基础技术。
本文转载自:携程技术中心(ID:ctriptech)
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