谢俊逸(极目) 作者阿里巴巴新零售淘系技术部出品

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
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