APP生成与运行(二)

APP启动过程

Posted by Ted on March 31, 2018

一、启动过程

iOS开发中，main函数是我们熟知的程序启动入口，但实际上并非真正意义上的入口，因为在我们运行程序，再到main方法被调用之间，程序已经做了许许多多的事情，比如我们熟知的runtime的初始化就发生在main函数调用前，还有程序动态库的加载链接也发生在这阶段。

整个过程为：

  1. 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
  2. 加载dyld（the dynamic link editor，Apple 的动态链接器，系统 kernel 做好启动程序的初始准备后，交给 dyld 负责），dyld去初始化运行环境，开启缓存策略，
  3. dyld加载程序相关动态库，并对这些库进行链接,调用每个依赖库的初始化方法
  4. runtime被初始化
  5. ImageLoader:dyld把Image（包含我们的类、方法等）load进来
  6. runtime对加载进来的Image所有类进行类结构初始化，调用所有的load方法，Category方法也在此时被调用
  7. dyld返回main函数地址，main函数被调用
  8. main函数调用
  9. 执行AppDelegate的代理方法，主要是didFinishLaunchingWithOptions
  10. 初始化Window，初始化基础的ViewController结构
  11. 获取数据(Local DB／Network)，展示给用户

总体可以分为main函数调用之前和main函数调用之后。

img

二、main函数启动之前

Mach-O可执行文件

Mach-O文件格式是 OS X 与 iOS 系统上的可执行文件格式，像我们编译过程产生的.O文件，以及程序的可执行文件，动态库等都是Mach-O文件。有以下几种Mach-O

  • Executable 可执行文件
  • Dylib 动态库
  • Bundle 库：无法被连接的动态库，只能通过dlopen()加载
  • Image ：指的是Executable，Dylib或者Bundle的一种，文中会多次使用Image这个名词。
  • Framework 库：动态库和对应的头文件和资源文件的集合

Mach-O的结构如下：

img

  • Header 头部，包含可以执行的CPU架构，比如x86,arm64
  • Load commands 加载命令，包含文件的组织架构和在虚拟内存中的布局方式
  • Data，数据，包含load commands中需要的各个段(segment)的数据，每一个Segment都得大小是Page的整数倍。

更多Mach-O可查看《Mac OS X ABI Mach-O File Format Reference》

有两种方式可以查看一个APP动态调用的系统可执行文件

1、通过machoview,选择APP的可执行文件，可以看到

img

2、通过otool -L命令行查看

img

dyld

全程the dynamic loade，Apple 的动态链接器，系统 kernel 做好启动程序的初始准备后，交给 dyld 负责。

2017年，苹果引入了Dyld 3.0，但是只有系统APP采用这个，第三方APP都是采用Dyld 2.0。

Dyld 2.0的加载过程是：

img

  1. 解析 mach-o 文件，找到其依赖的库，并且递归的找到所有依赖的库，形成一张动态库的依赖图。iOS 上的大部分 app 都依赖 300 到 600 个动态链接库，所以这个步骤包含了较大的工作量。
  2. 匹配 mach-o 文件到自身的地址空间；
  3. 进行符号查找：比如 app 中调用了 printf 方法，就需要去系统库中查找到 printf 的地址，然后将地址拷贝到 app 中的函数指针中；
  4. 绑定和变基：由于 app 需要让地址空间配置随机加载，所以所有的指针都需要加上一个基地址；
  5. 运行初始化程序（Runtime、+load、+initialize），之后运行 main() 函数。

三、优化启动时间

main函数之后

这部分是主要的优化部分

Appdelegate

能延迟初始化的尽量延迟初始化，不能延迟初始化的尽量放到后台初始化。

  • 三方SDK初始化，比如Crash统计; 像分享之类的，可以等到第一次调用再出初始化。
  • 初始化某些基础服务，比如WatchDog，远程参数。
  • 启动相关日志，日志往往涉及到DB操作，一定要放到后台去做
  • 业务方初始化，这个交由每个业务自己去控制初始化时间。

启动业务的优化

建一个类来管理初始化，所有需要初始化的代码都在这里进行，分类初始化：

1)、日志 / 统计等需要第一时间启动的, 仍然伴随 didFinishLaunchingWithOptions 启动.

2)、用户数据需要在广告显示完成以后使用, 所以需要伴随广告页启动。

3)、比如分享业务, 肯定是用户能看到真正的主界面以后才需要启动, 所以推迟到主界面加载完成以后启动, 只需要将代码放到方法里。

ViewController

延迟初始化那些不必要的UIViewController。

用Time Profiler找到元凶

Time Profiler在分析时间占用上非常强大。实用的时候注意三点

  • 在打包模式下分析（一般是Release）,这样和线上环境一样。
  • 记得开启dsym，不然无法查看到具体的函数调用堆栈
  • 分析性能差的设备，对于支持iOS 8的，一般分析iphone 4s或者iphone 5。

img

Main函数之前

Main函数之前是iOS系统的工作，所以这部分的优化往往更具有通用性。

dylibs

启动的第一步是加载动态库，加载系统的动态库使很快的，因为可以缓存，而加载内嵌的动态库速度较慢。所以，提高这一步的效率的关键是：减少动态库的数量。

  • 合并动态库，比如公司内部由私有Pod建立了如下动态库：XXTableView, XXHUD, XXLabel，强烈建议合并成一个XXUIKit来提高加载速度。

Rebase & Bind & Objective C Runtime

Rebase和Bind都是为了解决指针引用的问题。对于Objective C开发来说，主要的时间消耗在Class/Method的符号加载上，所以常见的优化方案是：

  • 减少__DATA段中的指针数量。
  • 合并Category和功能类似的类。比如：UIView+Frame,UIView+AutoLayout…合并为一个
  • 删除无用的方法和类。
  • 多用Swift Structs，因为Swfit Structs是静态分发的。感兴趣的同学可以看看我之前这篇文章：《Swift进阶之内存模型和方法调度》

Initializers

通常，我们会在+load方法中进行method-swizzling，这也是Nshipster推荐的方式。

  • 用initialize替代load。不少同学喜欢用method-swizzling来实现AOP去做日志统计等内容，强烈建议改为在initialize进行初始化。
  • 减少__atribute__((constructor))的使用，而是在第一次访问的时候才用dispatch_once等方式初始化。
  • 不要创建线程
  • 使用Swfit重写代码。

四、Category

category实际上是个结构体，与Class结构体类似

struct _category_t {
	const char *name; // 类的名字，用于寻找类
	struct _class_t *cls; // 编译期为空，在runtime通过name找到类后获得
	const struct _method_list_t *instance_methods; // 实例方法
	const struct _method_list_t *class_methods; // 类方法
	const struct _protocol_list_t *protocols; // 协议
	const struct _prop_list_t *properties; // 关联属性
};
  1. runtime的入口_objc_init方法里调用_getObjc2CategoryList获取category_t 的列表，然后再一一将category添加进去
  2. category是在runtime在把类的结构已经初始化之后，加载进去的，因为内存布局已经确定，所以不能添加实例变量，只能通过添加关联属性的方式来添加“变量”。
  3. runtime添加方法的时候会放在方法列表的前面，也就是说如果之前有相同名字的方法，根据运行时的特性，调用方法时将会调用category的方法，从而达到了“覆盖”的效果

五、iOS 静态库，动态库与 Framework

静态库与动态库的区别

首先来看什么是库，库(Library)说白了就是一段编译好的二进制代码，加上头文件就可以供别人使用。

什么时候我们会用到库呢？一种情况是某些代码需要给别人使用，但是我们不希望别人看到源码，就需要以库的形式进行封装，只暴露出头文件。另外一种情况是，对于某些不会进行大的改动的代码，我们想减少编译的时间，就可以把它打包成库，因为库是已经编译好的二进制了，编译的时候只需要 Link 一下，不会浪费编译时间。

上面提到库在使用的时候需要 Link，Link 的方式有两种，静态和动态，于是便产生了静态库和动态库。

静态库

静态库即静态链接库（Windows 下的 .lib，Linux 和 Mac 下的 .a）。之所以叫做静态，是因为静态库在编译的时候会被直接拷贝一份，复制到目标程序里，这段代码在目标程序里就不会再改变了。

静态库的好处很明显，编译完成之后，库文件实际上就没有作用了。目标程序没有外部依赖，直接就可以运行。当然其缺点也很明显，就是会使用目标程序的体积增大。

动态库

动态库即动态链接库（Windows 下的 .dll，Linux 下的 .so，Mac 下的 .dylib/.tbd）。与静态库相反，动态库在编译时并不会被拷贝到目标程序中，目标程序中只会存储指向动态库的引用。等到程序运行时，动态库才会被真正加载进来。

动态库的优点是，不需要拷贝到目标程序中，不会影响目标程序的体积，而且同一份库可以被多个程序使用（因为这个原因，动态库也被称作共享库）。同时，编译时才载入的特性，也可以让我们随时对库进行替换，而不需要重新编译代码。动态库带来的问题主要是，动态载入会带来一部分性能损失，使用动态库也会使得程序依赖于外部环境。如果环境缺少动态库或者库的版本不正确，就会导致程序无法运行（Linux 下喜闻乐见的 lib not found 错误）。

iOS Framework

除了上面提到的 .a 和 .dylib/.tbd 之外，Mac OS/iOS 平台还可以使用 Framework。Framework 实际上是一种打包方式，将库的二进制文件，头文件和有关的资源文件打包到一起，方便管理和分发。

在 iOS 8 之前，iOS 平台不支持使用动态 Framework，开发者可以使用的 Framework 只有苹果自家的 UIKit.Framework，Foundation.Framework 等。这种限制可能是出于安全的考虑（见这里的讨论)。换一个角度讲，因为 iOS 应用都是运行在沙盒当中，不同的程序之间不能共享代码，同时动态下载代码又是被苹果明令禁止的，没办法发挥出动态库的优势，实际上动态库也就没有存在的必要了。

由于上面提到的限制，开发者想要在 iOS 平台共享代码，唯一的选择就是打包成静态库 .a 文件，同时附上头文件（例如微信的SDK）。但是这样的打包方式不够方便，使用时也比较麻烦，大家还是希望共享代码都能能像 Framework 一样，直接扔到工程里就可以用。于是人们想出了各种奇技淫巧去让 Xcode Build 出 iOS 可以使用的 Framework，具体做法参考这里和这里，这种方法产生的 Framework 还有 “伪”(Fake) Framework 和 “真”(Real) Framework 的区别。

iOS 8/Xcode 6 推出之后，iOS 平台添加了动态库的支持，同时 Xcode 6 也原生自带了 Framework 支持（动态和静态都可以），上面提到的的奇技淫巧也就没有必要了（新的做法参考这里）。为什么 iOS 8 要添加动态库的支持？唯一的理由大概就是 Extension 的出现。Extension 和 App 是两个分开的可执行文件，同时需要共享代码，这种情况下动态库的支持就是必不可少的了。但是这种动态 Framework 和系统的 UIKit.Framework 还是有很大区别。系统的 Framework 不需要拷贝到目标程序中，我们自己做出来的 Framework 哪怕是动态的，最后也还是要拷贝到 App 中（App 和 Extension 的 Bundle 是共享的），因此苹果又把这种 Framework 称为 Embedded Framework。

Swift 支持

跟着 iOS8 / Xcode 6 同时发布的还有 Swift。如果要在项目中使用外部的代码，可选的方式只有两种，一种是把代码拷贝到工程中，另一种是用动态 Framework。使用静态库是不支持的。

造成这个问题的原因主要是 Swift 的运行库没有被包含在 iOS 系统中，而是会打包进 App 中（这也是造成 Swift App 体积大的原因），静态库会导致最终的目标程序中包含重复的运行库（这是苹果自家的解释）。同时拷贝 Runtime 这种做法也会导致在纯 ObjC 的项目中使用 Swift 库出现问题。苹果声称等到 Swift 的 Runtime 稳定之后会被加入到系统当中，到时候这个限制就会被去除了（参考这个问题 的问题描述，也是来自苹果自家文档）。

CocoaPods 的做法

在纯 ObjC 的项目中，CocoaPods 使用编译静态库 .a 方法将代码集成到项目中。在 Pods 项目中的每个 target 都对应这一个 Pod 的静态库。不过在编译过程中并不会真的产出 .a 文件。如果需要 .a 文件的话，可以参考这里，或者使用 CocoasPods-Packager 这个插件。

当不想发布代码的时候，也可以使用 Framework 发布 Pod，CocoaPods 提供了 vendored_framework 选项来使用第三方 Framework，具体的做法可以参考这里和这里。

对于 Swift 项目，CocoaPods 提供了动态 Framework 的支持。通过 use_frameworks! 选项控制。对于 Swift 写的库来说，想通过 CocoaPods 引入工程，必须加入 use_frameworks! 选项。具体原因参见上一节对于 Swift 部分的介绍。

引用：

https://blog.csdn.net/hello_hwc/article/details/78317863

WWDC 2017: App Startup Time: Past, Present, and Future