[开发工具]APP Launch 优化

Launch

APP Launch的概念是 用户点击APP icon开始，system将APP加载入内存，直到展现APP的第一帧画面位置的过程。这个过程的时间长短，对于用户体验的影响，还是比较重要的。

pre-main vs. post-main

APP Launch过程从代码角度来划分，可以分为pre-main, post-main两个阶段。即，在进入APP main函数前，以及进入APP main函数后，调用Application delegate相关方法两个阶段。

对于iOS APP，WWDC将启动阶段划分为如下图示：

紫色的部分为在进入main函数前的部分，我们称之为pre-main。
绿色为进入main函数，直到APP第一帧渲染出来的时间，
蓝色是为APP首页数据加载完毕并完全显示的时间。
绿色和蓝色的部分我们称之为post-main。

pre-main

pre-main，主要包括两部分: System Interface, Runtime Init。

System Interface

System Interface主要工作是将APP加载入内存，设置APP可以运行的内存环境。包括

• 将APP加载入内存

• Load dylibs
  dyld会递归依次加载动态库入内存中，这其中包括系统通用库，以及我们自己定义或第三方动态库。Apple系统会在操作系统启动时会计算和缓存系统动态库。因此影响这部分时间的，主要是我们自定义或第三方动态库。

• 符号地址修正
  Apple为了解决安全问题，引入ASLR和Code Sign，如果不作符号修正，程序将没法正常运行，所以会有Rebase和Bind过程。

• libSystem init
  调用系统的的一些初始化方法，这部分一般时间比较固定，可以不用太关注。

Runtime Init

这个阶段是初始化我们编程语言环境，包括OC及Swift。这个阶段是通过注册dyld的_dyld_objc_notify_register回调，在image加载完时做的。

• 初始化有默认值的静态变量和全局变量的

• C++ static constructors.

• 加载category

• Objective-C +load methods defined in classes or categories.
  按照继承层级依次调用：父类+load→子类+load→category +load，注意category的+load不会覆盖原类。

• Functions marked with the clang attribute attribute((constructor)).

• Any function linked into the __DATA,__mod_init_func section of an app or framework binary.

post-main

经过pre-main阶段后，代码就进入了main()方法体内，这里主要包含三个阶段：

• UIKit Init
  • 实例化 UIApplication 和 UIApplicationDelegate
  • 开始事件处理和系统集成
• Application Init
  这部分是我们熟悉的UIApplicationDelegate的几个生命周期调用：
  • application:willFinishLaunchingWithOptions:
  • application:didFinishLaunchingWithOptions:
  • applicationDidBecomeActive:
  • scene:willConnectToSession:options:
  • sceneWillEnterForeground:
  • sceneDidBecomeActive:
• Initial Frame Render
  这里是App渲染第一帧，主要做了创建、布局和绘制视图的工作，并把准备好的第一帧提交给渲染层渲染。这里面布局计算，图片解码，图层树的递归commit到Render Server等都是可能影响耗时的点，所以要特别注意。

除了上面三个步骤之外，Apple添加了一个蓝色的Extended阶段，这个阶段是指第一帧的UI框架已经加载完毕，我们程序从网络或DB获取数据来初始化UI的过程。这里主要和我们代码如何获取数据的逻辑相关。不同的APP会有不同的实现逻辑，但是对于用户启动APP的感受来说，也是很重要的。

优化方案

我们针对Launch的每个阶段，可以做一些针对性的优化。
在pre-main阶段，可以：

• 尽量使用静态库.a代替动态库.dylib。因为动态库是在运行时动态链接到APP 内存中的，这里就涉及到一些IO操作以及地址定位计算，这些都会消耗Launch 时间。因此可以使用静态库在编译阶段将代码并入最终的APP产物中。
• 尽量少使用static变量及static 初始化。
• 使用initialize方法代替+load方法。因为所有的+load方法会在启动时被执行，因此可以使用运行时的initialize方法来优化启动时间。
• 删除无用代码
  如果符号越多，很显然Rebase和Bind的处理时间就会越长，Objc的初始化也受影响，所以我们需要尽可能减少代码：

1. 通过逆向二进制或者生成linkmap，解析所有方法（TEXT.text）和引用到的方法（DATA objc_selrefs），找出无用方法删除
2. 解析所有类（DATA.objc_classlist）和引用到的类（DATA.objc_classrefs），找出无用的类删除
3. 使用第三方工具或者clang扫描重复代码，精简去重
4. 使用LLVM_LTO和GCC_OPTIMIZATION_LEVEL等其他编译选项优化二进制大小

在post-main阶段，可以：

• 轻量化Application Delegate中的操作
  主要是针对application(:willFinishLaunchingWithOptions:) 和 application(:didFinishLaunchingWithOptions:) 方法。我们不要在这些方法的main thread中执行一些阻塞的繁重操作，取而代之可以延迟执行或是在子线程中执行。这里可以针对具体情况，做一些优化。
• 轻量化首屏UI及数据
  首屏尽量不要使用复杂的UI展示，同时对于展示数据，我们可以通过缓存及分段加载的方式，来优化数据响应时间

除了上述方法外，也可以通过二进制重排的手段，来减少启动阶段的内存抖动，进而达到优化启动时间的效果。关于二进制重排，我们可以查找其他资料了解一下。

Profile APP Launch

在之前，我们可以通过设置APP的启动环境变量

DYLD_PRINT_STATISTICS = 1

来在控制台打印在main方法前dyld的耗时统计，但是现在由于Apple升级了dyld，这个变量已经不起作用了。
但是我们可以通过Instrument 中的App Launch工具来调试Launch time。

点击启动后，APP Launch会经过若干时间的分析，得到如下图所示的统计结果，可以看到各个阶段的可以看到方法调用堆栈等信息：

三击某个阶段，即可聚焦于那个阶段，

APP Launch的使用方式可以查阅相关帮助文档，这里就不再赘述。

Cold/Warm/Resume

APP的launch过程，本质上是将APP从存储介质加载到内存中并展示出UI，响应用户操作的过程。这里涉及到一个内存调度的策略。我们知道，在内存紧张的情况下，系统会对内存中长期不被使用的部分转回到存储介质中暂存，同时将其他活跃部分置换到内存中来。

按照这个现实，我们的APP在launc时，可以分为三种情况：Cold launch、Warm launch、Resume。

如图所示，Cold->Resume的启动速度依次递增。

关于Cold\Warm\Resume的启动时机如下图所示：

参考资料

WWDC 2019