手淘架构组最新实践 | iOS基于静态库插桩的⼆进制重排启动优化

本文知识点提炼：
1、APP 启动时 PageFault 的性能分析
2、静态库插桩重排方案的技术原理

背景

近期抖音和 Facebook 分享了自己通过二进制重排优化启动时间的方案，手淘 iOS 架构团队也对二进制重排进行了研究，由于手淘工程模块已经二进制化，因此实现了一套基于静态库插桩的重排方案。

▐ APP 启动和 PageFault

当我们向操作系统申请内存时，操作系统并不是直接分配给我们物理内存，而是只标记当前进程拥有该段内存，当真正使用这段内存时才会分配。这种延迟分配物理内存的方式就通过 page fault 机制来实现的。当我们访问一个内存地址时，如果该地址非法，或者我们对其没有访问权限，或者该地址对应的物理内存还未分配， cpu 都会生成一个 page fault ，进而执行操作系统的 page fault handler 。如果是因为还未分配物理内存，操作系统会立即分配物理内存给当前进程，然后重试产生这个 page fault 的内存访问指令。

App 在启动时，需要执行各种函数，我们需要读取 TEXT 段代码到物理内存中，这个过程会发生缺⻚中断，由于启动时所需要执行的代码分布在 TEXT 段的各个部分，会读取很多⻚面，导致启动时 Page Fault 数量非常多。与直接访问物理内存不同， page fault 过程大部分是由软件完成的，消耗时间比较久，所以是影响启动性能的一个关键指标。

例如下图中，手淘启动时首先的调用的几个方法会分布在虚拟内存的各个⻚面中, 执行这些方法时，需要从读取到物理内容中，就会产生多次 page fault 。

如果能将启动阶段需要的读取代码集中排布，将这些方法全都放到相邻的区域中，我们读取这些方法可能就只需要极少的 page fault 次数。可以减少不必要的 page fault 时间。达到优化启动时间的效果。

重排前后的函数在页面的布局对比：

重排方案

▐ 如何获取方法的执行顺序

为了生成 order_file , 我们需要确定应用启动时方法的执行顺序。之前抖音和 facebook 都分享过自己的方案，在实际操作的过程中，我们发现抖音和 facebook 的方案并不适用于手淘。

抖音通过静态扫描和运行时 Trace 等方法确定 order_file，该方案无法覆盖 initialize、block 和 C++ 通过寄存器的间接函数调用静态扫描不出来调用。

facebook 分享过通过 llvm 插桩的确定 order_file 的方案，需要使用源码重新打包。由于手淘几乎全是已经编译好的二进制模块，在手淘使用该方案不现实。

只能想其他办法...

手淘之前已经做过 pod 预编译，我和师兄念纪想到了是否可以通过在汇编层面对 pod 编译后的静态库进行插桩。在启动时，插桩后的方法都会调用记录方法，从而获得启动方法的执行顺序。在参考了离青对汇编插桩的研究后，确定了静态库插桩的实现方案。

▐ 静态库插桩

我们编译过的静态库由 .o 文件组成，我们可以对 .o 中的函数代码进行修改，在每个函数的开头插入调用我们指定记录函数的指令。

举个例子：

插入前 -[MyApp window]: 的汇编代码

-[MyApp window]:
0000000000002d88 adrp x8, #0x
0000000000002d8c ldrsw x8, [x8, #0xf18]
; 0x2f18@PAGEOFF, _OBJC_IVAR_$_MyApp._window
0000000000002d90 ldr x0, [x0, x8]
0000000000002d94 ret

插入后的汇编代码，可以看到增加了跳转到 _record_method 的指令，并且补上了 prologue 和 epilogue 。

-[MyApp window]:
0000000000002ebc stp x29, x30, [sp, #-0x10]!
0000000000002ec0 mov x29, sp
0000000000002ec4 bl _record_method
0000000000002ec8 ldp x29, x30, [sp], #0x
0000000000002ecc adrp x8, #0x
0000000000002ed0 ldrsw x8, [x8, #0xc0]
0000000000002ed4 ldr x0, [x0, x8]
0000000000002ed8 ret

▐ 生成 order file

linkmap 记录了连接过程中的相关信息。其中包含链接用到的 symbol 相关的信息。通过 pc address 减去 slide 得到的地址，我们可以在 linkmap 中找到对应的 symbol .

address = pc - slide. // 因为ASLR， APP 可执行文件随机载入的原因，需要处理一下偏移
量。

我们需要将之前记录的地址转换成对应的符号，为了真实还原线上的执行环境，我们只是在 app 中简单地的记录了 pc 地址和 Image 的偏移量。通过解析 linkmap ，获取函数的地址区间，得到距离 address 最近的 symbol ，生成 order_file 。

linkmap 文件:

# Symbols:
# Address Size File Name
0x100001630 0x00000039 [ 2] -[ViewController viewDidLoad]
0x100001670 0x00000092 [ 3] _main
0x100001710 0x00000080 [ 4] -[AppDelegate application:didFinishLaunchingWithOptions:]
0x100001790 0x00000040 [ 4] -[AppDelegate applicationWillResignActive:]
0x1000017D0 0x00000040 [ 4] -[AppDelegate applicationDidEnterBackground:]
0x100001810 0x00000040 [ 4] -[AppDelegate applicationWillEnterForeground:]
0x100001850 0x00000040 [ 4] -[AppDelegate applicationDidBecomeActive:]
0x100001890 0x00000040 [ 4] -[AppDelegate applicationWillTerminate:]

▐ 更改符号的排列顺序

默认情况下， ld 链接器会按照链接的顺序将各个 .o 文件的数据重新布局生成可执行文件。ld 链接器提供 -

order-file 选项操控数据排列的顺序。在 Xcode 中可以通过 Order File 选项指定符号排序文件。

//Order file 内容例子:
+[xxxxx1 load]
+[xxxxx2 swizzleResumeAndSuspendMethodForClass:]
+[xxxxx3 load]
+[xxxxx4 initialize]___
+[xxxxx5 initialize]_block_invoke
+[xxxxx6 initialize]___
+[xxxxx7 initialize]_block_invoke
...

优化效果

通过精准的启动函数重排，最后重排效果还是很可观的，在 iPhone6 上优化了400ms 的启动时间。

参考

感谢抖音团队和 Facebook 团队提供优化新思路

抖音研发实践：基于二进制文件重排的解决方案 APP启动速度提升超15%
Improving iOS Startup Performance with Binary Layout Optimizations
https://atscaleconference.com/videos/performance-scale-improving-ios-startup-performance-with-binary-
layout-optimizations/
Linux下Page Fault的处理流程 https://cloud.tencent.com/developer/article/1459526