抖音品质建设 - iOS启动优化之原理篇

原创

于 2020-10-26 09:58:09 发布 · 4w 阅读

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#编程语言 #python #java #大数据 #面试

本文深入探讨iOS应用启动过程，从Mach-O文件结构到虚拟内存管理，再到dyld3启动流程，全面解析启动速度影响因素及优化策略。

前言

启动是 App 给用户的第一印象，启动越慢用户流失的概率就越高，良好的启动速度是用户体验不可缺少的一环。启动优化涉及到的知识点非常多面也很广，一篇文章难以包含全部，所以拆分成两部分：原理和实战。

本文从基础知识出发，先回顾一些核心概念，为后续章节做铺垫；接下来介绍 IPA 构建的基本流程，以及这个流程里可用于启动优化的点；最后大篇幅讲解 dyld3 的启动 pipeline，因为启动优化的重点还在运行时。

基本概念

启动的定义

启动有两种定义：

广义：点击图标到首页数据加载完毕
狭义：点击图标到 Launch Image 完全消失第一帧

不同产品的业务形态不一样，对于抖音来说，首页的数据加载完成就是视频的第一帧播放；对其他首页是静态的 App 来说，Launch Image 消失就是首页数据加载完成。由于标准很难对齐，所以我们一般使用狭义的启动定义：即启动终点为启动图完全消失的第一帧。

以抖音为例，用户感受到的启动时间：

Tips：启动最佳时间是 400ms 以内，因为启动动画时长是 400ms。

这是从用户感知维度定义启动，那么代码上如何定义启动呢？Apple 在 MetricKit 中给出了官方计算方式：

起点：进程创建的时间
终点：第一个CA::Transaction::commit()

Tips：CATransaction 是 Core Animation 提供的一种事务机制，把一组 UI 上的修改打包，一起发给 Render Server 渲染。

启动的种类

根据场景的不同，启动可以分为三种：冷启动，热启动和回前台。

冷启动：系统里没有任何进程的缓存信息，典型的是重启手机后直接启动 App
热启动：如果把 App 进程杀了，然后立刻重新启动，这次启动就是热启动，因为进程缓存还在
回前台：大多数时候不会被定义为启动，因为此时 App 仍然活着，只不过处于 suspended 状态

那么，线上用户的冷启动多还是热启动多呢？

答案是和产品形态有关系，打开频次越高，热启动比例就越高。

Mach-O

Mach-O 是 iOS 可执行文件的格式，典型的 Mach-O 是主二进制和动态库。Mach-O 可以分为三部分：

Header
Load Commands
Data

Header 的最开始是 Magic Number，表示这是一个 Mach-O 文件，除此之外还包含一些 Flags，这些 flags 会影响 Mach-O 的解析。

Load Commands 存储 Mach-O 的布局信息，比如 Segment command 和 Data 中的 Segment/Section 是一一对应的。除了布局信息之外，还包含了依赖的动态库等启动 App 需要的信息。

Data 部分包含了实际的代码和数据，Data 被分割成很多个 Segment，每个 Segment 又被划分成很多个 Section，分别存放不同类型的数据。

标准的三个 Segment 是 TEXT，DATA，LINKEDIT，也支持自定义：

TEXT，代码段，只读可执行，存储函数的二进制代码(__text)，常量字符串(__cstring)，Objective C 的类/方法名等信息
DATA，数据段，读写，存储 Objective C 的字符串(__cfstring)，以及运行时的元数据：class/protocol/method…
LINKEDIT，启动 App 需要的信息，如 bind & rebase 的地址，代码签名，符号表…

dyld

dyld 是启动的辅助程序，是 in-process 的，即启动的时候会把 dyld 加载到进程的地址空间里，然后把后续的启动过程交给 dyld。dyld 主要有两个版本：dyld2 和 dyld3。

dyld2 是从 iOS 3.1 引入，一直持续到 iOS 12。dyld2 有个比较大的优化是 dyld shared cache[1]，什么是 shared cache 呢？

shared cache 就是把系统库(UIKit 等)合成一个大的文件，提高加载性能的缓存文件。

iOS 13 开始 Apple 对三方 App 启用了 dyld3，dyld3 的最重要的特性就是启动闭包，闭包里包含了启动所需要的缓存信息，从而提高启动速度。

虚拟内存

内存可以分为虚拟内存和物理内存，其中物理内存是实际占用的内存，虚拟内存是在物理内存之上建立的一层逻辑地址，保证内存访问安全的同时为应用提供了连续的地址空间。

物理内存和虚拟内存以页为单位映射，但这个映射关系不是一一对应的：一页物理内存可能对应多页虚拟内存；一页虚拟内存也可能不占用物理内存。iPhone 6s 开始，物理内存的 Page 大小是 16K，6 和之前的设备都是 4K，这是 iPhone 6 相比 6s 启动速度断崖式下降的原因之一。

mmap

mmap 的全称是 memory map，是一种内存映射技术，可以把文件映射到虚拟内存的地址空间里，这样就可以像直接操作内存那样来读写文件。当读取虚拟内存，其对应的文件内容在物理内存中不存在的时候，会触发一个事件：File Backed Page In，把对应的文件内容读入物理内存。

启动的时候，Mach-O 就是通过 mmap 映射到虚拟内存里的(如下图)。下图中部分页被标记为 zero fill，是因为全局变量的初始值往往都是 0，那么这些 0 就没必要存储在二进制里，增加文件大小。操作系统会识别出这些页，在 Page In 之后对其置为 0，这个行为叫做 zero fill。