今日头条优化实践： iOS 包大小二进制优化，一行代码减少 60 MB 下载大小

摘要

苹果对 iOS App 大小有严格限制：下载大小超限会阻碍用户在蜂窝网络下载 App ，直接影响新用户转化；可执行文件超限将导致 App 审核被拒，直接影响上架。今日头条探索实践 __TEXT 段迁移技术，成功减小下载大小 32%，并且解决了可执行文件大小受限问题。

一、背景知识

1. 下载大小限制

App 大小有下载大小和安装大小的概念。

下载大小是指 App 压缩包（也就是 .ipa 文件）所占的空间，用户在下载 App 时，下载的是压缩包，这样做可以节省流量；当压缩包下载完成后，就会自动解压，解压过程也就是通常所说的安装过程；安装大小就是指压缩包解压后所占用的空间。

安装大小在 App Store 上就可以看见 ，通常它会影响用户的下载意愿：

而下载大小只有研发人员在 App Store Connect 后台才可以看，用户看不见，它影响的是下载消耗的流量和时长：

若下载大小超过限制，将无法使用蜂窝网络下载 App（ iOS 13 之前），会收到文件容量太大的提示，需通过 Wi-Fi 网络下载。如下，为苹果历年来对 App 下载大小限制的变化情况：

• 2008 年 7 月，搭载了 App Store 的 iPhone 3G 正式发售，下载限制仅为 10 MB

• 2010 年 2 月，苹果将 iPhone 3G 的下载限制从 10 MB 提升到 20 MB

• 2012 年 3 月，iOS 5.1 正式版后，下载限制从 20 MB 提升到 50 MB

• 2013 年 9 月，iOS 7 正式版后，下载限制从 50 MB 提升至 100 MB

• 2017 年 9 月，iOS 11 正式版后，下载限制从 100 MB 提升至 150 MB

• 2019 年 5 月，下载限制从 150 MB 提升至 200 MB

• 2019 年 9 月，iOS 13 正式版后，若下载大小超过 200 MB，用户可选择是否使用蜂窝网络下载

如今，App 下载大小超出 200 MB 时 ，会出现两种情况：

• iOS 13 以下的用户，无法通过蜂窝数据下载 App

• iOS 13 及以上的用户，需要手动设置才可以使用蜂窝网络下载 App

2. 可执行文件大小限制

根据最大构建版本文件大小[1]描述，苹果对可执行文件大小亦有明确限制，超过该限制会导致 App 审核被拒：

ERROR: ERROR ITMS-90122: "Invalid ExecutaBe Size. The size of your app's executaBe file 'News.app/News' is 68534272 bytes for architecture 'arm64', which exceeds the maximum allowed size of 60 MB."

具体限制如下：

• iOS 7 之前，二进制文件中所有的 __TEXT 段总和不得超过 80 MB

• iOS 7.X 至 iOS 8.X ，二进制文件中，每个特定架构中的 __TEXT 段不得超过 60 MB

• iOS 9.0 之后，二进制文件中所有的 __TEXT 段总和不得超过 500 MB

二、面临问题

随着网络普及、流量费用降低，苹果已经放宽了限制。但下载大小若超出 200 MB，可以肯定对新增仍会有一定影响。这对上亿级用户的 App 来说是巨大的损失，并且本着追求极致、在竞品中拔得头筹的理念，我们认为下载大小 200 MB 是包大小的一根红线。

今日头条 App 的下载大小已经接近 180 MB，而经过了多年的极致优化（包括但不限于代码/图片/其它资源的优化、编译/链接参数的优化、推进无用业务下线、准入卡口等），已经很难再有较大幅度的减少。为此平台和各方都投入了极大的人力、甚至牺牲了业务的迭代空间来优化/抑制下载大小。

2020 年下半年，我们另辟蹊径探索实践了 __TEXT 段迁移的方法：将可执行文件的 __TEXT 段中的部分节移动到其它的段，避开苹果的加密机制，提高了可执行文件的压缩效率，使 App 的下载大小减少了 60 MB。

该方案彻底解决了下载大小限制的问题，同时还解决了仍在支持 iOS 8.X 的 App 面临的可执行文件大小限制问题。

三、技术原理

1. Mach-O 文件格式简介

iOS 可执行文件是 Mach-O 格式，主要由 Header、Load Commands、Data 三部分。

可以简单认为：

• Header 描述了文件的大概信息。

• Load Commands 由多条 Load Command 组成，它们描述了 Data 在二进制文件和虚拟内存中的布局信息，有了这个布局信息就能够知道 Data 在二进制文件中和虚拟内存中是怎样排布的，它相当于修房子时的图纸一样。

• Data 存储了实际的内容，主要是程序的指令和数据，它们的排布完全依照 Load Commands 的描述。

Mach-O 文件中的 Data 部分主要是以 Segment（中文翻译为段）和 Section （中文翻译为节）的方式来组织内容的，好比学校中有年级和班级、公司中有部门和小组一样，把有共同特点的内容组织到一块，可以方便管理，提高效率。

使用 $ xcrun size -lm <binary-path> 指令可以查看 Mach-O 文件 Data 部分的结构和各 Segment/Section 的大小信息（该 Mach-O 文件由 Xcode 的 iOS App 模板工程构建而来）。在不需要更详细的信息时，这条命令很方便。

上图就展示了 Data 中的内容排布的基本信息。

由该图可知，在该文件中：

• Data 部分中有 5 个 Segment，依次是：

  • __PAGEZERO

  • __TEXT

  • __DATA_CONST

  • __DATA

  • __LINKEDIT

• 除 __PAGEZERO 和 __LINKEDIT外，每个段中有多个 Section。

注意：Data 与 __DATA 是不同的两个概念。Data 是 Mach-O 文件中的一部分，包含多个段。__DATA 只是 Data 中的一个段。

__PAGEZERO 的大小是 4 GB，但并不是它在 Mach-O 文件中的真实大小。这 4 GB 是 Mach-O 加载进内存后， __PAGEZERO 在内存中占中的大小，它不可读，不可写，主要用来捕捉 NULL 指针的引用。如果访问 __PAGEZERO 段，会引起 EXC_BAD_ACCESS 错误。__PAGEZERO 在 Mach-O 中实际上并不占用 Data 部分的空间。

__TEXT、__DATA_CONST、__DATA 用于保存程序的代码指令和数据。

__LINKEDIT 包含启动 App 需要的信息，比如 bind & rebase 的地址，代码签名，符号表等。

2. __TEXT 段迁移的原理

程序的构建过程包含 预处理 -> 编译 -> 汇编 -> 链接 等 4 个主要阶段，完成之后就会得到 Mach-O 可执行文件。

通过 $ man ld ，可以发现链接器有一个参数: -rename_p orgSegment orgSection newSegment newSection。使用该参数可以将orgSegment/orgSection的名称修改为newSegment/newSection。

可以在 Other Linker Flags 中传递该参数。如：

-Wl,-rename_p,__TEXT,__text,__BD_TEXT,__text
-Wl,-segprot,__BD_TEXT,rx,rx

其中 -Wl 的作用是告诉 Xcode 它后面的参数是添加给 Ld 链接器的，这些参数将在链接阶段生效。

第一行参数会新创建一个 __BD_TEXT 段，并把 __TEXT,__text 移动到 __BD_TEXT,__text。

第二行参数是给 __BD_TEXT 赋予可读和可执行权限。

构建完成后再来看一下移动 __TEXT,__text 后的 Mach-O 文件：

可以看到 __TEXT,__text 已经被移动到了 __BD_TEXT 中去了，它的地址也由起始的 0x100005e5c 变为了 0x100010000 。此时程序仍可以正常的运行，这是因为操作系统只关心段的读/写/执行权限，并不关心段或节的名称。即便是使用了 -rename_p 移动 Segment/Section，各符号的地址也会由链接器修正好，因此段移动后程序也可以正常运行。

在最低支持 iOS 8 的时代，很多大型 App 都遇到过可执行文件中 __TEXT 段超 60 MB 的问题。facebook[2] 当时采用了 -rename_p 的技术来避免该问题。他们使用的链接参数为：

-Wl,-rename_p,__TEXT,__cstring,__RODATA,__cstring
-Wl,-rename_p,__TEXT,__gcc_except_tab,__RODATA,__gcc_except_tab
-Wl,-rename_p,__TEXT,__const,__RODATA,__const
-Wl,-rename_p,__TEXT,__objc_methname,__RODATA,__objc_methname
-Wl,-rename_p,__TEXT,__objc_classname,__RODATA,__objc_classname
-Wl,-rename_p,__TEXT,__objc_methtype,__RODATA,__objc_methtype

参数的作用是将 __TEXT 中的 __cstring、__gcc_except_tab、__const、__objc_methname、__objc_classname、__objc_methtype<