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iOS二进制重排对缺页和启动时间的优化实践

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抖音团队去年针对系统虚拟内存缺页的情况，基于二进制重排的方案，给App启动速度提升了15%，各路大神也随后分享了几篇优质的二进制重排的文章，这里基于自己的项目做一下实践

基本原理

  1. 进程运行时使用的内存是操作系统提供的虚拟内存，而不是直接操作物理内存
  2. 从虚拟内存到物理内存有一个映射表(页表)
  3. 进程的内存会进行分页管理，以页为单位
  4. 程序启动的时候，并不会把所有内存都加载到物理内存中，而是用到的时候才加载，没有用到的内存，可能并没有加载到物理内存中
  5. 当程序访问到的内存地址（虚拟内存），如果还没有加载到物理内存时，就会触发Page Fault，（对应System Trace的File Backed Page In），然后操作系统把数据加载到物理内存中，如果已经已经加载到物理内存了，则会触发Page Cache Hit，后者是比较快的，这也是热启动比冷启动快的原因之一
  1. 基于上面原理. 我们的目标就是在启动的时候增加Page Cache Hit，减少Page Fault，从而达到优化启动时间的目的
  2. 我们需要确定，在启动的时候，执行了哪些符号，尽可能让这些符号的内存集中在一起，减少占用的页数，就能减少Page Fault的命中次数

测试Page Fault

通过Instrument / System Trace工具，可以查看我们的App，在启动过程中的Page Fault数量(File Breaked Page In)

system trace page fault

如果App比较大，Analizing的过程会比较久，需要耐心等待

这里有个注意点，为了确保App是真正的冷启动，需要把内存清干净，不然结果会不太准，下图是我直接杀掉App，重新打开得到的结果

_

可以看到，和第一次测试差的有点多，我们可以在杀掉App后，重新打开多个其他的App（尽可能多），把原来的内存都覆盖掉，这样在重新打开App的时候，就会重新加载物理内存

确定代码执行顺序

接下来需要确定App在启动的时候，调用了哪些函数（使用了哪些符号），这里我们使用杨萧玉写的一个工具AppOrderFiles，使用Clang SanitizerCoverage，通过编译器插装的方式，获取到调用函数的符号顺序

通过pod引入

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pod 'AppOrderFiles'

并且添加编译宏OTHER_CFLAGS和OTHER_SWIFT_FLAGS（只在Debug生效即可）

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post_install do |installer|
  installer.pods_project.targets.each do |target|
    target.build_configurations.each do |config|
      case config.name
        when "Debug"
        config.build_settings['OTHER_CFLAGS'] = '-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard'
        config.build_settings['OTHER_SWIFT_FLAGS'] = '-sanitize-coverage=func -sanitize=undefined'
        end
    end
  end
end

在App启动后，到第一个页面（HomePage）的viewDidLoad方法

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import AppOrderFiles

override func viewDidLoad() {
    super.viewDidLoad()

    ...

    #if DEBUG
    // 延迟一下，让运行实践长一点，避免进入后因为PageFault造成卡顿
    DispatchQueue.main.asyncAfter(deadline: DispatchTime.now() + 0.5, execute: {
        AppOrderFiles { (filePath) in
            if let p = filePath {
                print("output order file \(p)")
            }
        }
    })
    #endif
}

输出的文件在App沙盒，用模拟器运行更方便，得到文件app.order，这里面就是排好序的符号列表，根据App的执行顺序，如果项目比较大的话，会比较久

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___swift_instantiateConcreteTypeFromMangledName
_main
_$s3jcm11AppDelegateCMa
_$s3jcm11AppDelegateCACycfcTo
_$s3jcm11AppDelegateCACycfc
_$s3jcm11AppDelegateC11application_29didFinishLaunchingWithOptionsSbSo13UIApplicationC_SDySo0j6LaunchI3KeyaypGSgtFTo
_$s3jcm11AppDelegateC11application_29didFinishLaunchingWithOptionsSbSo13UIApplicationC_SDySo0j6LaunchI3KeyaypGSgtF
_$s3jcm11AppDelegateC5setup13launchOptionsySDySo019UIApplicationLaunchF3KeyaypGSg_tF
_$s3jcm5ConstV11wechatAppIdSSvau
_globalinit_33_27D199AC10BAAE2783814C508183B809_func13
_$s3jcm5ConstV19wechatUniversalLinkSSvau
_globalinit_33_27D199AC10BAAE2783814C508183B809_func15
_$sSo12BaiduMobStatCMa
_$sSo12BaiduMobStatCs5Error_pIggzo_ABsAC_pIegnzo_TRTA
_$sSo12BaiduMobStatCs5Error_pIggzo_ABsAC_pIegnzo_TR

...

把app.order放到工程目录，配置到Xcode里面Build Setting -> Order File -> $(PROJECT_DIR)/app.order

order file setting

验证是否生效

Xcode里面Build Setting有个Write Link Map File，可以生成Link Map文件的选项，路径如下

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# Link Map文件
Intermediates.noindex/xxxx.build/Debug-iphoneos/xxx.build/xxx-LinkMap-normal-arm64.txt

# 生成app文件路径
Products/Debug-iphoneos/xxx.app

文件内容其实是描述链接器连接的详情，对应的是MachO文件的内存分布，文件如下

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# Path: /Users/bomo/Library/Developer/Xcode/DerivedData/SwiftScaffold-fdswirgebkkdidcxcpxdffxxvxye/Build/Products/Debug-iphoneos/jcm.app/jcm
# Arch: arm64
# Object files:
[  0] linker synthesized
[  1] /Users/bomo/Library/Developer/Xcode/DerivedData/SwiftScaffold-fdswirgebkkdidcxcpxdffxxvxye/Build/Intermediates.noindex/SwiftScaffold.build/Debug-iphoneos/jcm.build/Objects-normal/arm64/JHCollectionViewFlowLayout.o
[  2] /Users/bomo/Library/Developer/Xcode/DerivedData/SwiftScaffold-fdswirgebkkdidcxcpxdffxxvxye/Build/Intermediates.noindex/SwiftScaffold.build/Debug-iphoneos/jcm.build/Objects-normal/arm64/JHCollectionReusableView.o
...

# Sections:
# Address   Size        Segment Section
0x100004928 0x00ED5B08  __TEXT  __text
0x100EDA430 0x00005550  __TEXT  __stubs
0x100EDF980 0x00005190  __TEXT  __stub_helper
0x100EE4B10 0x000684D9  __TEXT  __cstring
...

# Symbols:
# Address   Size        File  Name
0x100004928 0x00000094  [  6] ___swift_instantiateConcreteTypeFromMangledName
0x1000049BC 0x00000088  [ 78] _main
0x100004A44 0x00000070  [ 78] _$s3jcm11AppDelegateCMa
0x100004AB4 0x00000044  [ 78] _$s3jcm11AppDelegateCACycfcTo
0x100004AF8 0x00000108  [ 78] _$s3jcm11AppDelegateCACycfc
0x100004C00 0x00000144  [ 78] _$s3jcm11AppDelegateC11application_29didFinishLaunchingWithOptionsSbSo13UIApplicationC_SDySo0j6LaunchI3KeyaypGSgtFTo
0x100004D44 0x00000430  [ 78] _$s3jcm11AppDelegateC11application_29didFinishLaunchingWithOptionsSbSo13UIApplicationC_SDySo0j6LaunchI3KeyaypGSgtF
...

# Dead Stripped Symbols:
#           Size        File  Name
<<dead>>    0x00000006  [  2] literal string: class
<<dead>>    0x00000014  [  2] literal string: setBackgroundColor:
<<dead>>    0x0000000B  [  2] literal string: v24@0:8@16
<<dead>>    0x00000010  [  3] literal string: backgroundColor
<<dead>>    0x00000014  [  3] literal string: setBackgroundColor:
<<dead>>    0x0000000E  [  3] literal string: .cxx_destruct
<<dead>>    0x00000008  [  3] literal string: @16@0:8
...

这里我们只关注符号表Symbols，这里的顺序就是MachO文件对应的顺序，如果与app.order的顺序一致，就表明改成功了

对比

通过System Trace工具测试修改前后对比

system trace page fault diff

page fault减少了900，速度提升225ms，这里的时间与具体的运行环境有关系，建议多次测试

引用