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阿里数据iOS端启动速度优化的一些经验

简介:
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背景

7月26号我们阿里数据iOS端发布了4.4.0版本,这次版本主要是优化了性能,其中main()阶段的启动耗时优化成果比较明显,从之前的0.5-0.7秒,降低为目前的0.1-0.2秒(main()第一行代码到didFinishLaunchingWithOptions最后一行代码的耗时),用户体验提升明显。在这里梳理一下优化的一些经验,欢迎大家一起交流。

应用启动流程

iOS应用的启动可分为pre-main阶段和main()阶段,其中系统做的事情依次是:

1. pre-main阶段

1.1. 加载应用的可执行文件
1.2. 加载动态链接库加载器dyld(dynamic loader)
1.3. dyld递归加载应用所有依赖的dylib(dynamic library 动态链接库)

2. main()阶段

2.1. dyld调用main()
2.2. 调用UIApplicationMain()
2.3. 调用applicationWillFinishLaunching
2.4. 调用didFinishLaunchingWithOptions

启动耗时的测量

在进行优化之前,我们首先应该能测量各阶段的耗时。

1. pre-main阶段

对于pre-main阶段,Apple提供了一种测量方法,在 Xcode 中 Edit scheme -> Run -> Auguments 将环境变量DYLD_PRINT_STATISTICS 设为1 :

pre-main阶段启动耗时测量.png

设置好后把程序跑起来,控制台会有如下输出,pre-main阶段各过程的耗时一览无余(Apple这个Demo有点过于夸张...)

pre-main阶段启动耗时测量.png

2. main()阶段

对于main()阶段,主要是测量main()函数开始执行到didFinishLaunchingWithOptions执行结束的耗时,就需要自己插入代码到工程中了。先在main()函数里用变量StartTime记录当前时间:


CFAbsoluteTime StartTime;
int main(int argc, char * argv[]) {
      StartTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();

再在AppDelegate.m文件中用extern声明全局变量StartTime


extern CFAbsoluteTime StartTime;

最后在didFinishLaunchingWithOptions里,再获取一下当前时间,与StartTime的差值即是main()阶段运行耗时。


double launchTime = (CFAbsoluteTimeGetCurrent() - StartTime);

pre-main阶段的优化

要对pre-main阶段的耗时做优化,需要再学习下dyld加载的过程,根据Apple在WWDC上的介绍,dyld的加载主要分为4步:

1. Load dylibs

这一阶段dyld会分析应用依赖的dylib,找到其mach-o文件,打开和读取这些文件并验证其有效性,接着会找到代码签名注册到内核,最后对dylib的每一个segment调用mmap()
一般情况下,iOS应用会加载100-400个dylibs,其中大部分是系统库,这部分dylib的加载系统已经做了优化。

所以,依赖的dylib越少越好。在这一步,我们可以做的优化有:

  1. 尽量不使用内嵌(embedded)的dylib,加载内嵌dylib性能开销较大
  2. 合并已有的dylib和使用静态库(static archives),减少dylib的使用个数
  3. 懒加载dylib,但是要注意dlopen()可能造成一些问题,且实际上懒加载做的工作会更多
2. Rebase/Bind

在dylib的加载过程中,系统为了安全考虑,引入了ASLR(Address Space Layout Randomization)技术和代码签名。由于ASLR的存在,镜像(Image,包括可执行文件、dylib和bundle)会在随机的地址上加载,和之前指针指向的地址(preferred_address)会有一个偏差(slide),dyld需要修正这个偏差,来指向正确的地址。
Rebase在前,Bind在后,Rebase做的是将镜像读入内存,修正镜像内部的指针,性能消耗主要在IO。Bind做的是查询符号表,设置指向镜像外部的指针,性能消耗主要在CPU计算。

所以,指针数量越少越好。在这一步,我们可以做的优化有:

  1. 减少ObjC类(class)、方法(selector)、分类(category)的数量
  2. 减少C++虚函数的的数量(创建虚函数表有开销)
  3. 使用Swift structs(内部做了优化,符号数量更少)
3. Objc setup

大部分ObjC初始化工作已经在Rebase/Bind阶段做完了,这一步dyld会注册所有声明过的ObjC类,将分类插入到类的方法列表里,再检查每个selector的唯一性。

在这一步倒没什么优化可做的,Rebase/Bind阶段优化好了,这一步的耗时也会减少。

4. Initializers

到了这一阶段,dyld开始运行程序的初始化函数,调用每个Objc类和分类的+load方法,调用C/C++ 中的构造器函数(用__attribute__((constructor))修饰的函数),和创建非基本类型的C++静态全局变量。Initializers阶段执行完后,dyld开始调用main()函数。

在这一步,我们可以做的优化有:

  1. 少在类的+load方法里做事情,尽量把这些事情推迟到+initiailize
  2. 减少构造器函数个数,在构造器函数里少做些事情
  3. 减少C++静态全局变量的个数

main()阶段的优化

这一阶段的优化主要是减少didFinishLaunchingWithOptions方法里的工作,在didFinishLaunchingWithOptions方法里,我们会创建应用的window,指定其rootViewController,调用window的makeKeyAndVisible方法让其可见。由于业务需要,我们会初始化各个二方/三方库,设置系统UI风格,检查是否需要显示引导页、是否需要登录、是否有新版本等,由于历史原因,这里的代码容易变得比较庞大,启动耗时难以控制。

所以,满足业务需要的前提下,didFinishLaunchingWithOptions在主线程里做的事情越少越好。在这一步,我们可以做的优化有:

  1. 梳理各个二方/三方库,找到可以延迟加载的库,做延迟加载处理,比如放到首页控制器的viewDidAppear方法里。
  2. 梳理业务逻辑,把可以延迟执行的逻辑,做延迟执行处理。比如检查新版本、注册推送通知等逻辑。
  3. 避免复杂/多余的计算。
  4. 避免在首页控制器的viewDidLoadviewWillAppear做太多事情,这2个方法执行完,首页控制器才能显示,部分可以延迟创建的视图应做延迟创建/懒加载处理。
  5. 采用性能更好的API。
  6. 首页控制器用纯代码方式来构建。

阿里数据iOS端优化实践

在以上的认知指导下,阿里数据iOS端开始着手优化,在pre-main阶段和main()阶段分别做了一系列优化,取得了一定的成果。

1. pre-main阶段的优化

1.1. 排查无用的dylib,移除不再使用的libicucore.tbd
1.2. 删除无用文件&库,合并重复文件(多个重复的分类)。移除不再使用的库UMSocial、PSTCollectionView、MCSwipeTableViewCell,移除功能重复的库Mantle。
1.3. 梳理各个类的+load方法,将多个类中+load方法做的事延迟到+initiailize里去做。

优化前pre-main阶段耗时:

优化前pre-main阶段耗时.png

优化后pre-main阶段耗时:

优化后pre-main阶段耗时.png

测试环境:Xcode8.3.3 iOS10.2的模拟器,热启动。
备注:测试发现,pre-main阶段耗时有一定波动,冷启动时波动更大,这里截图贴的是一个中位数水平。
可以看到热启动下,pre-main阶段耗时有一定下降。

2. main()阶段的优化

2.1. 去掉其中100ms的dispatch_after...检查代码发现之前会故意让启动图多显示100ms,不知道是什么逻辑...
2.2. 将多个二方/三方库延迟加载。包括TBCrashReporter、TBAccsSDK、UT、TRemoteDebugger、ATSDK等。
2.3. 将若干系统UI配置、业务逻辑延迟执行。包括注册推送、检查新版本、更新Orange配置等。
2.4. 避免多余的计算。之前会前后两次获取是否要显示广告图,每次获取都需要反序列化Orange中的配置信息,再比较配置中的开始/结束时间,大约耗时20ms。目前的解决方案是第一次计算后,用一个BOOL属性缓存起来,下次直接取用。
2.5. 延迟加载&懒加载部分视图。快捷密码验证页是启动图消失后用户看到的第一个页面,这个页面由于涉及到图片的解码、多个视图的创建&布局,viewDidLoad阶段会耗时100ms左右。目前的解决方案是把其中密码输入框视图延迟到viewDidAppear里加载,对密码错误提示视图做成懒加载,耗时降低到30m左右。

通过instruments的Time Profiler分析,优化后启动速度有明显提升,didFinishLaunchingWithOptions耗时在75ms左右(iPhone6s iOS10.3.3)

启动耗时..png

其中目前耗时最多的是快捷密码验证页(PAPasscodeViewController)的创建&布局,其次是DTLaunchViewControlle里对是否要显示广告页的判断代码。可以看到PAPasscodeViewControllerviewDidAppear耗时了78ms,但已经没有太大关系,此时用户已经看到了页面,准备去验证指纹/密码了。

总结&后续规划

1. 总结

总结起来,好像启动速度优化就一句话:让系统在启动期间少做一些事。当然我们得先清楚工程里做的哪些事是在启动期间做的、对启动速度的影响有多大,然后case by case地分析工程代码,通过放到子线程、延迟加载、懒加载等方式让系统在启动期间更轻松些。

2. 后续规划

2.1. 替代部分庞大的库,采用更轻量级的解决方案。
2.2. 整理代码,去除重复的实现,避免出现功能重复的类&分类&方法。
2.3. 梳理和移除已经下线的业务涉及的类&分类&方法。
2.4. 监控好灰度版本启动速度的变化趋势,尽早发现&解决拖慢启动速度的问题。

参考资料

WWDC Optimizing App Startup Time
attribute 总结
dyld 加载 Mach-O
优化 App 的启动时间
今日头条iOS客户端启动速度优化

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