深入探索 iOS 启动速度优化

介绍

App 的启动时间是体现其性能优劣的一个重要指标，启动时间越快用户的等待时间就越短，提升用户体验感，大厂应用甚至会做到“ 毫秒必究 ”。

我们将 App 启动方式分为：

名称	说明
冷启动	App 启动时，应用进程不在系统中（初次打开或程序被杀死），需要系统分配新的进程来启动应用。
热启动	App 退回后台后，对应的进程还在系统中，启动则将应用返回前台展示。

本篇文章主要针对冷启动方式进行优化分析，介绍常用的检测工具及优化方法。

冷启动流程

Apple 官方的《WWDC Optimizing App Startup Time》 将 iOS 应用的启动可分为 pre-main 阶段和 main 两个阶段，最佳的启动速度是400ms以内，最慢不得大于20s，否则会被系统进程杀死（最低配置设备）。

为了更好的区分，笔者将整个启动流程分为三个阶段， App总启动流程 = pre-main + main函数代理（didFinishLaunchingWithOptions）+ 首屏渲染（viewDidAppear），后两个阶段都属于 main函数 执行阶段。

pre-main 执行内容

此时对应的 App 页面是闪屏页的展示。

• 加载可执行文件

  加载 Mach-O 格式文件，既 App 中所有类编译后生成的格式为 .o 的目标文件集合。

• 加载动态库

  dyld 加载 dylib 会完成如下步骤：

  1. 分析 App 依赖的所有 dylib。
  2. 找到 dylib 对应的 Mach-O 文件。
  3. 打开、读取这些 Mach-O 文件，并验证其有效性。
  4. 在系统内核中注册代码签名。
  5. 对 dylib 的每一个 segment 调用 mmap()。

  系统依赖的动态库由于被优化过，可以较快的加载完成，而开发者引入的动态库需要耗时较久。

• Rebase和Bind操作

  由于使用了ASLR 技术，在 dylib 加载过程中，需要计算指针偏移得到正确的资源地址。 Rebase 将镜像读入内存，修正镜像内部的指针，消耗 IO 性能；Bind 查询符号表，进行外部镜像的绑定，需要大量 CPU 计算。

• Objc setup

  进行 Objc 的初始化，包括注册 Objc 类、检测 selector 唯一性、插入分类方法等。

• Initializers

  往应用的堆栈中写入内容，包括执行 +load 方法、调用 C/C++ 中的构造器函数（用 attribute((constructor)) 修饰的函数）、创建非基本类型的 C++ 静态全局变量等。

main函数代理执行内容

从 main() 函数开始执行到 didFinishLaunchingWithOptions 方法执行结束的耗时。通常会在这个过程中进行各种工具（监控工具、推送、定位等）初始化、权限申请、判断版本、全局配置等。

首屏渲染执行内容

首屏 UI 构建阶段，需要 CPU 计算布局并由 GPU 完成渲染，如果数据来源于网络，还需进行网络请求。

优化方案

pre-main阶段

检测方法

获得 main() 方法执行前的耗时比较简单，通过 Xcode 自带的测量方法既可以。将 Xcode 中 Product -> Scheme -> Edit scheme -> Run -> Environment Variables 将环境变量 DYLD_PRINT_STATISTICS 或 DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS 设为 1 即可获得执行每项耗时：

// example 
// DYLD_PRINT_STATISTICS
Total pre-main time: 383.50 milliseconds (100.0%)
         dylib loading time: 254.02 milliseconds (66.2%)
        rebase/binding time:  20.88 milliseconds (5.4%)
            ObjC setup time:  29.33 milliseconds (7.6%)
           initializer time:  79.15 milliseconds (20.6%)
           slowest intializers :
             libSystem.B.dylib :   8.06 milliseconds (2.1%)
    libMainThreadChecker.dylib :  22.19 milliseconds (5.7%)
                  AFNetworking :  11.66 milliseconds (3.0%)
                  TestDemo :  38.19 milliseconds (9.9%)

// DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS
  total time: 614.71 milliseconds (100.0%)
  total images loaded:  401 (380 from dyld shared cache)
  total segments mapped: 77, into 1785 pages with 252 pages pre-fetched
  total images loading time: 337.21 milliseconds (54.8%)
  total load time in ObjC:  12.81 milliseconds (2.0%)
  total debugger pause time: 307.99 milliseconds (50.1%)
  total dtrace DOF registration time:   0.07 milliseconds (0.0%)
  total rebase fixups:  152,438
  total rebase fixups time:   2.23 milliseconds (0.3%)
  total binding fixups: 496,288
  total binding fixups time: 218.03 milliseconds (35.4%)
  total weak binding fixups time:   0.75 milliseconds (0.1%)
  total redo shared cached bindings time: 221.37 milliseconds (36.0%)
  total bindings lazily fixed up: 0 of 0
  total time in initializers and ObjC +load:  43.56 milliseconds (7.0%)
                         libSystem.B.dylib :   3.67 milliseconds (0.5%)
               libBacktraceRecording.dylib :   3.41 milliseconds (0.5%)
                libMainThreadChecker.dylib :  21.19 milliseconds (3.4%)
                              AFNetworking :  10.89 milliseconds (1.7%)
                              TestDemo :   2.37 milliseconds (0.3%)
total symbol trie searches:    1267474
total symbol table binary searches:    0
total images defining weak symbols:  34
total images using weak symbols:  97

优化点

• 合并动态库，并减少使用 Embedded Framework，即非系统创建的动态 Framework，如果对包体积要求不严格还可以使用静态库代替。

• 删除无用代码（未使用的静态变量、类和方法等）并抽取重复代码。

• 避免在 +load 执行方法，使用 +initialize 代替。

• 避免使用 attribute((constructor))，可将要实现的内容放在初始化方法中配合 dispatch_once 使用。

• 减少非基本类型的 C++ 静态全局变量的个数。（因为这类全局变量通常是类或者结构体，如果在构造函数中有繁重的工作，就会拖慢启动速度）

main函数代理阶段

检测方法

• 手动插入代码计算耗时

  在 man() 函数开始执行时就开始时间：

  CFAbsoluteTime StartTime;  //  记录全局变量
  int main(int argc, char * argv[]) {
      @autoreleasepool {
          StartTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
          return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
      }
  }
  

  再在 didFinishLaunchingWithOptions 返回之前获取结束时间，两者的差值即为该阶段的耗时：

  extern CFAbsoluteTime startTime; // 申明全局变量
  - (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
    
      //...
      //...
  
        
      double launchTime = (CFAbsoluteTimeGetCurrent() - startTime);
      return YES;
  }
  

  通过这种手动埋点的方式也可以对每个函数进行埋点获取耗时，但当函数多时也需要不小的工作量，且后续上线还需要移除代码，不可复用。

• Time Profiler

  Xcode自带的工具，原理是定时抓取线程的堆栈信息，通过统计比较时间间隔之间的堆栈状态，计算一段时间内各个方法的近似耗时。精确度取决于设置的定时间隔。

  通过 Xcode → Open Developer Tool → Instruments → Time Profiler 打开工具，注意，需将工程中 Debug Information Format 的 Debug 值改为 DWARF with dSYM File，否则只能看到一堆线程无法定位到函数。

通过双击具体函数可以跳转到对应代码处，另外可以将 Call Tree 的 Seperate by Thread 和 Hide System Libraries 勾选上，方便查看。

正常Time Profiler是每1ms采样一次， 默认只采集所有在运行线程的调用栈，最后以统计学的方式汇总。所以会无法统计到耗时过短的函数和休眠的线程，比如下图中的5次采样中，method3都没有采样到，所以最后聚合到的栈里就看不到method3。

我们可以将 File -> Recording Options 中的配置调高，即可获取更精确的调用栈。

• System Trace

  有时候当主线程被其他线程阻塞时，无法通过 Time Profiler 一眼看出，我们还可以使用 System Trace，例如我们故意在 dyld 链接动态库后的回调里休眠10ms：

  static void add(const struct mach_header* header, intptr_t imp) {
      usleep(10000);
  }
  - (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions
  {
      dispatch_sync(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
          _dyld_register_func_for_add_image(add);
      });
    ....
  }
  

可以看到整个记录过程耗时7s，但 Time Profiler 上只显示了1.17s，且看到启动后有一段时间是空白的。这时通过 System Trace 查看各个线程的具体状态。

可以看到主线程有段时间被阻塞住了，存在一个互斥锁，切换到 Events:Thread State观察阻塞的下一条指令，发现0x5d39c 执行完成释放锁后，主线程才开始执行。

接着我们观察 0x5d39c 线程，发现在主线程阻塞的这段时间，该线程执行了多次10ms的 sleep 操作，到此就找到了主线程被子线程阻塞导致启动缓慢的原因。

今后，当我们想更清楚的看到各个线程之间的调度就可以使用 System Trace，但还是建议优先使用 Time Profiler，使用简单易懂，排查问题效率更高。

• App Launch

  Xcode11 之后新出的工具，功能相当于 Time Profiler 和 System Trace 的整合。

• Hook objc_msgSend

  可以对 objc_msgSend 进行 Hook 获取每个函数的具体耗时，优化在启动阶段耗时多的函数或将其置后调用。实现方法可查看笔者之前的文章 通过objc_msgSend实现iOS方法耗时监控。

优化点

• 通过检测工具找到耗时多的函数，拆分其功能，将优先级低的功能延后执行。
• 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。
• 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方法后。

首屏渲染阶段

检测方法

记录首屏 viewDidLoad 开始时间和viewDidAppear 开始时间，两者的差值即为整个首屏渲染耗时，如果要获得具体每个步骤耗时，则可同main函数代理阶段使用 Time Profiler 或 Hook objc_msgSend。

优化点

• 使用简单的广告页作为过渡，将首页的计算操作及网络请求放在广告页展示时异步进行。
• 涉及活动需变更页面展示时（例如双十一），提前下发数据缓存。
• 首页控制器用纯代码方式来构建，而不是 xib/Storyboard，避免布局转换耗时。
• 避免在主线程进行大量的计算，将与首屏无关的计算内容放在页面展示后进行，缩短 CPU 计算时间。
• 避免使用大图片，减少视图数量及层级，减轻 GPU 的负担。
• 做好网络请求接口优化（DNS 策略等），只请求与首屏相关数据。
• 本地缓存首屏数据，待渲染完成后再去请求新数据。

其它优化

二进制重排

去年年底二进制重排的概念被宇宙厂带火了起来，个人觉得噱头大于效果，详细内容可参考笔者的文章 iOS启动优化之二进制重排 。

总结

启动优化不应该是一次性的，最好的方案也不是在出现才去解决，而应该包括：

• 解决现存的问题
• 后续开发的管控
• 完整的监控体系

只有在开发的前中后同时介入，才能保证 App 的出品质量，毕竟开发是前人挖坑给后人填坑的过程 😂。

部分工具

• Xcode自带工具 Time Profiler 和 System Trace

• Xcode11 之后新增工具 App Launch

• Static Initializer Tracing

• AppCode 的 Inspect Code 扫描无用代码

• fui 扫描无用的类

• TinyPNG 压缩图片，减少 IO 操作量

参考资料

• 如何实现 iOS App 的冷启动优化

• iOS启动优化

• App 启动速度怎么做优化与监控？

• 如何精确度量 iOS App 的启动时间

• App Startup Time: Past, Present, and Future

• Instruments Tutorial with Swift: Getting Started

• iOS App冷启动治理：来自美团外卖的实践

• 性能深度分析之System Trace

• iOS App 启动性能优化

• 马蜂窝 iOS App 启动治理：回归用户体验

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