App启动过程

根据Apple官方的《WWDC Optimizing App Startup Time》,iOS应用的启动可分为pre-main阶段和main两个阶段,所以 App总启动时间 = pre-main耗时 + main耗时

一般说来,pre-main 阶段的定义为APP开始启动系统调用main函数这一段时间;main阶段则代表从main函数入口到主UI框架的viewDidAppear函数调用的这一段时间

App开始启动后,系统首先加载可执行文件(自身App的所有.o文件的集合),然后加载动态链接器dyld,dyld是一个专门用来加载动态链接库的库。 执行从dyld开始,dyld从可执行文件的依赖开始, 递归加载所有的依赖动态链接库。

动态链接库包括:iOS 中用到的所有系统 framework,加载OC runtime方法的libobjc,系统级别的libSystem,例如libdispatch(GCD)和libsystem_blocks (Block)。

pre-main过程

main过程

什么是dyld?

动态链接库的加载过程主要由dyld来完成,dyld是苹果的动态链接器。

系统先读取App的可执行文件(Mach-O文件),从里面获得dyld的路径,然后加载dyld,dyld去初始化运行环境,开启缓存策略,加载程序相关依赖库(其中也包含我们的可执行文件),并对这些库进行链接,最后调用每个依赖库的初始化方法,在这一步,runtime被初始化。当所有依赖库的初始化后,轮到最后一位(程序可执行文件)进行初始化,在这时runtime会对项目中所有类进行类结构初始化,然后调用所有的load方法。最后dyld返回main函数地址,main函数被调用,我们便来到了熟悉的程序入口。

当加载一个 Mach-O 文件 (一个可执行文件或者一个库) 时,动态链接器首先会检查共享缓存看看是否存在其中,如果存在,那么就直接从共享缓存中拿出来使用。每一个进程都把这个共享缓存映射到了自己的地址空间中。这个方法大大优化了 OS X 和 iOS 上程序的启动时间。

Mach-O 镜像文件

Mach-O 被划分成一些 segement,每个 segement 又被划分成一些 section。segment 的名字都是大写的,且空间大小为页的整数。页的大小跟硬件有关,在 arm64 架构一页是 16KB,其余为 4KB。

section 虽然没有整数倍页大小的限制,但是 section 之间不会有重叠。几乎所有 Mach-O 都包含这三个段(segment): __TEXT__DATA__LINKEDIT

__TEXT 包含 Mach header,被执行的代码和只读常量(如C 字符串)。只读可执行(r-x)。

__DATA 包含全局变量,静态变量等。可读写(rw-)。

__LINKEDIT 包含了加载程序的『元数据』,比如函数的名称和地址。只读(r–)。

ASLR(Address Space Layout Randomization):地址空间布局随机化,镜像会在随机的地址上加载。

系统使用动态链接有几点好处:

代码共用:很多程序都动态链接了这些 lib,但它们在内存和磁盘中中只有一份。

易于维护:由于被依赖的 lib 是程序执行时才链接的,所以这些 lib 很容易做更新,比如libSystem.dylib 是 libSystem.B.dylib 的替身,哪天想升级直接换成libSystem.C.dylib 然后再替换替身就行了。

减少可执行文件体积:相比静态链接,动态链接在编译时不需要打进去,所以可执行文件的体积要小很多。

pre-main阶段耗时的影响因素

  1. 动态库加载越多,启动越慢。
  2. ObjC类越多,函数越多,启动越慢。
  3. 可执行文件越大启动越慢。
  4. C的constructor函数越多,启动越慢。
  5. C++静态对象越多,启动越慢。
  6. ObjC的+load越多,启动越慢。

整体上pre-main阶段的优化有

  1. 减少依赖不必要的库,不管是动态库还是静态库;如果可以的话,把动态库改造成静态库; 如果必须依赖动态库,则把多个非系统的动态库合并成一个动态库;
  2. 检查下 framework应当设为optional和required, 如果该framework在当前App支持的所有iOS系统版本都存在,那么就设为required,否则就设为optional, 因为optional会有些额外的检查;
  3. 合并或者删减一些OC类和函数; 关于清理项目中没用到的类,使用工具AppCode代码检查功能,查到当前项目中没有用到的类(也可以用根据linkmap文件来分析,但是准确度不算很高); 有一个叫做FUI的开源项目能很好的分析出不再使用的类,准确率非常高,唯一的问题是它处理不了动态库和静态库里提供的类,也处理不了C++的类模板。
  4. 删减一些无用的静态变量,
  5. 删减没有被调用到或者已经废弃的方法, 方法见http://stackoverflow.com/questions/35233564/how-to-find-unused-code-in-xcode-7https://developer.Apple.com/library/ios/documentation/ToolsLanguages/Conceptual/Xcode_Overview/CheckingCodeCoverage.html。
  6. 将不必须在+load方法中做的事情延迟到+initialize中,尽量不要用C++虚函数(创建虚函数表有开销)
  7. 类和方法名不要太长:iOS每个类和方法名都在__cstring段里都存了相应的字符串值,所以类和方法名的长短也是对可执行文件大小是有影响的; 因还是object-c的动态特性,因为需要通过类/方法名反射找到这个类/方法进行调用,object-c对象模型会把类/方法名字符串都保存下来;
  8. ⑧用dispatch_once()代替所有的 attribute((constructor)) 函数、C++静态对象初始化、ObjC的+load函数;
  9. 在设计师可接受的范围内压缩图片的大小,会有意外收获。 压缩图片为什么能加快启动速度呢?因为启动的时候大大小小的图片加载个十来二十个是很正常的, 图片小了,IO操作量就小了,启动当然就会快了,比较靠谱的压缩算法是TinyPNG。

main阶段

  1. 减少启动初始化的流程,能懒加载的就懒加载,能放后台初始化的就放后台,能够延时初始化的就延时,不要卡主线程的启动时间,已经下线的业务直接删掉;
  2. 优化代码逻辑,去除一些非必要的逻辑和代码,减少每个流程所消耗的时间;
  3. 启动阶段使用多线程来进行初始化,把CPU的性能尽量发挥出来;
  4. 使用纯代码而不是xib或者storyboard来进行UI框架的搭建,尤其是主UI框架比如TabBarController这种,尽量避免使用xib和storyboard,因为xib和storyboard也还是要解析成代码来渲染页面,多了一些步骤;

Note:

1

  • 静态库 常见的是 .a
  • 动态库常见的是 .dll(windows) .dylib(mac) so(linux)
  • framework(in Apple): Framework 是 Cocoa/Cocoa Touch 程序中使用的一种资源打包方式,可以将代码文件、头文件、资源文件、说明文档等集中在一起,方便开发者使用。也就是说我们的 framework ,其实是资源打包的方式,和静态库动态库的本质是没有关系的

2

  • 静态库: 链接时会被完整的复制到可执行文件中,所以如果两个程序都用了某个静态库,那么每个二进制可执行文件里面其实都含有这份静态库的代码
  • 动态库: 链接时不复制,在程序启动后用 dyld 加载,然后再决议符号,所以理论上动态库只用存在一份,好多个程序都可以动态链接到这个动态库上面,达到了节省内存(不是磁盘是内存中只有一份动态库),还有另外一个好处,由于动态库并不绑定到可执行程序上,所以我们想升级这个动态库就很容易,windows 和 linux 上面一般插件和模块机制都是这样实现的。
  • Embedded Framework,这种动态库允许APP 和 APP Extension共享代码,但是这份动态库的生命被限定在一个 APP 进程内。简单点可以理解为 被阉割的动态库

3.

简单归纳: 1、main之前的加载过程

  • dyld 开始将程序二进制文件初始化
  • 交由ImageLoader 读取 image,其中包含了我们的类,方法等各种符号(Class、Protocol 、Selector、 IMP)
  • 由于runtime 向dyld 绑定了回调,当image加载到内存后,dyld会通知runtime进行处理
  • runtime 接手后调用map_images做解析和处理
  • 接下来load_images 中调用call_load_methods方法,遍历所有加载进来的Class,按继承层次依次调用Class的+load和其他Category的+load方法
  • 至此 所有的信息都被加载到内存中
  • 最后dyld调用真正的main函数

使用动态库的优点:

  1. 防止重复,iOS系统中所有App公用一套系统动态库,防止重复的内存占用.
  2. 减少包体积.因为系统动态库被内置到iOS系统中,所以打包时不需要把这部分代码打进去,可以减少包体积
  3. 动态性.因为系统动态库是动态加载的,所以可以在更新系统后,将动态库换成新的动态库.

Reference

  1. iOS启动时间优化
  2. iOS启动时间

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