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%

阅读数:2 2020 年 1 月 22 日 10:00

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%

背景

启动是 App 给用户的第一印象,对用户体验至关重要。抖音的业务迭代迅速,如果放任不管,启动速度会一点点劣化。为此抖音 iOS 客户端团队做了大量优化工作,除了传统的修改业务代码方式,我们还做了些开拓性的探索,发现修改代码在二进制文件的布局可以提高启动性能,方案落地后在抖音上启动速度提高了约 15%。

本文从原理出发,介绍了我们是如何通过静态扫描和运行时 trace 找到启动时候调用的函数,然后修改编译参数完成二进制文件的重新排布。

原理

Page Fault

进程如果能直接访问物理内存无疑是很不安全的,所以操作系统在物理内存的上又建立了一层虚拟内存。为了提高效率和方便管理,又对虚拟内存和物理内存又进行分页(Page)。当进程访问一个虚拟内存 Page 而对应的物理内存却不存在时,会触发一次缺页中断(Page Fault),分配物理内存,有需要的话会从磁盘 mmap 读人数据。

通过 App Store 渠道分发的 App,Page Fault 还会进行签名验证,所以一次 Page Fault 的耗时比想象的要多:

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Page Fault

重排

编译器在生成二进制代码的时候,默认按照链接的 Object File(.o) 顺序写文件,按照 Object File 内部的函数顺序写函数。

静态库文件.a 就是一组.o 文件的 ar 包,可以用ar -t查看.a 包含的所有.o。

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默认布局

简化问题:假设我们只有两个 page:page1/page2,其中绿色的 method1 和 method3 启动时候需要调用,为了执行对应的代码,系统必须进行两个 Page Fault。

但如果我们把 method1 和 method3 排布到一起,那么只需要一个 Page Fault 即可,这就是二进制文件重排的核心原理。

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重排之后

我们的经验是优化一个 Page Fault,启动速度提升 0.6~0.8ms。

核心问题

为了完成重排,有以下几个问题要解决:

  • 重排效果怎么样 - 获取启动阶段的 page fault 次数
  • 重排成功了没 - 拿到当前二进制的函数布局
  • 如何重排 - 让链接器按照指定顺序生成 Mach-O
  • 重排的内容 - 获取启动时候用到的函数

System Trace

日常开发中性能分析是用最多的工具无疑是 Time Profiler,但 Time Profiler 是基于采样的,并且只能统计线程实际在运行的时间,而发生 Page Fault 的时候线程是被 blocked,所以我们需要用一个不常用但功能却很强大的工具:System Trace。

选中主线程,在 VM Activity 中的 File Backed Page In 次数就是 Page Fault 次数,并且双击还能按时序看到引起 Page Fault 的堆栈:

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System Trace

signpost

现在我们在 Instrument 中已经能拿到某个时间段的 Page In 次数,那么如何和启动映射起来呢?

我们的答案是:os_signpost

os_signpost是 iOS 12 开始引入的一组 API,可以在 Instruments 绘制一个时间段,代码也很简单:

复制代码
1 os_log_t logger = os_log_create("com.bytedance.tiktok", "performance");
2 os_signpost_id_t signPostId = os_signpost_id_make_with_pointer(logger,sign);
3 // 标记时间段开始
4 os_signpost_interval_begin(logger, signPostId, "Launch","%{public}s", "");
5 // 标记结束
6 os_signpost_interval_end(logger, signPostId, "Launch");

通常可以把启动分为四个阶段处理:

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启动阶段

有多少个 Mach-O,就会有多少个 Load 和 C++ 静态初始化阶段,用 signpost 相关 API 对对应阶段打点,方便跟踪每个阶段的优化效果。

Linkmap

Linkmap 是 iOS 编译过程的中间产物,记录了二进制文件的布局,需要在 Xcode 的 Build Settings 里开启 Write Link Map File:

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Build Settings

比如以下是一个单页面 Demo 项目的 linkmap。

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linkmap

linkmap 主要包括三大部分:

  • Object Files 生成二进制用到的 link 单元的路径和文件编号
  • Sections 记录 Mach-O 每个 Segment/section 的地址范围
  • Symbols 按顺序记录每个符号的地址范围

ld

Xcode 使用的链接器件是 ld,ld 有一个不常用的参数-order_file,通过man ld可以看到详细文档:

Alters the order in which functions and data are laid out. For each section in the output file, any symbol in that section that are specified in the order file file is moved to the start of its section and laid out in the same order as in the order file file.

可以看到,order_file 中的符号会按照顺序排列在对应 section 的开始,完美的满足了我们的需求。

Xcode 的 GUI 也提供了 order_file 选项:

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order_file

如果 order_file 中的符号实际不存在会怎么样呢?

ld 会忽略这些符号,如果提供了 link 选项-order_file_statistics,会以 warning 的形式把这些没找到的符号打印在日志里。

获得符号

还剩下最后一个,也是最核心的一个问题,获取启动时候用到的函数符号。

我们首先排除了解析 Instruments(Time Profiler/System Trace) trace 文件方案,因为他们都是基于特定场景采样的,大多数符号获取不到。最后选择了静态扫描 + 运行时 Trace 结合的解决方案。

Load

Objective C 的符号名是+-[Class_name(category_name) method:name:],其中+表示类方法,-表示实例方法。

刚刚提到 linkmap 里记录了所有的符号名,所以只要扫一遍 linkmap 的__TEXT,__text,正则匹配 ("^\+\[.*\ load\]$") 既可以拿到所有的 load 方法符号。

C++ 静态初始化

C++ 并不像 Objective C 方法那样,大部分方法调用编译后都是objc_msgSend,也就没有一个入口函数去运行时 hook。

但是可以用-finstrument-functions在编译期插桩“hook”,但由于抖音的很多依赖由其他团队提供静态库,这套方案需要修改依赖的构建过程。二进制文件重排在没有业界经验可供参考,不确定收益的情况下,选择了并不完美但成本最低的静态扫描方案。

  1. 扫描 linkmap 的__DATA,__mod_init_func,这个 section 存储了包含 C++ 静态初始化方法的文件,获得文件号[ 5]
复制代码
1 //__mod_init_func
2 0x100008060 0x00000008 [ 5] ltmp7
3 //[ 5] 对应的文件
4 [ 5] .../Build/Products/Debug-iphoneos/libStaticLibrary.a(StaticLibrary.o)
  1. 通过文件号,解压出.o。
复制代码
1 ➜ lipo libStaticLibrary.a -thin arm64 -output arm64.a
2 ➜ ar -x arm64.a StaticLibrary.o
  1. 通过.o,获得静态初始化的符号名_demo_constructor
复制代码
1 ➜ objdump -r -section=__mod_init_func StaticLibrary.o
2
3 StaticLibrary.o: file format Mach-O arm64
4
5 RELOCATION RECORDS FOR [__mod_init_func]:
6 0000000000000000 ARM64_RELOC_UNSIGNED _demo_constructor
  1. 通过符号名,文件号,在 linkmap 中找到符号在二进制中的范围:
复制代码
1 0x100004A30 0x0000001C [ 5] _demo_constructor
  1. 通过起始地址,对代码进行反汇编:
复制代码
1 ➜ objdump -d --start-address=0x100004A30 --stop-address=0x100004A4B demo_arm64
2
3 _demo_constructor:
4 100004a30: fd 7b bf a9 stp x29, x30, [sp, #-16]!
5 100004a34: fd 03 00 91 mov x29, sp
6 100004a38: 20 0c 80 52 mov w0, #97
7 100004a3c: da 06 00 94 bl #7016
8 100004a40: 40 0c 80 52 mov w0, #98
9 100004a44: fd 7b c1 a8 ldp x29, x30, [sp], #16
10 100004a48: d7 06 00 14 b #7004
  1. 通过扫描bl指令扫描子程序调用,子程序在二进制的开始地址为:100004a3c +1b68(对应十进制的 7016)。
复制代码
1 100004a3c: da 06 00 94 bl #7016
  1. 通过开始地址,可以找到符号名和结束地址,然后重复 5~7,递归的找到所有的子程序调用的函数符号。

小坑

STL 里会针对 string 生成初始化函数,这样会导致多个.o 里存在同名的符号,例如:

复制代码
1 __ZNSt3__112basic_stringIcNS_11char_traitsIcEENS_9allocatorIcEEEC1IDnEEPKc

类似这样的重复符号的情况在 C++ 里有很多,所以 C/C++ 符号在 order_file 里要带着所在的.o 信息:

复制代码
1 //order_file.txt
2 libDemoLibrary.a(object.o):__GLOBAL__sub_I_demo_file.cpp

局限性

branch 系列汇编指令除了 bl/b,还有 br/blr,即通过寄存器的间接子程序调用,静态扫描无法覆盖到这种情况。

Local 符号

在做 C++ 静态初始化扫描的时候,发现扫描出了很多类似 l002 的符号。经过一番调研,发现是依赖方输出静态库的时候裁剪了 local 符号。导致__GLOBAL__sub_I_demo_file.cpp 变成了 l002。

需要静态库出包的时候保留 local 符号,CI 脚本不要执行strip -x,同时 Xcode 对应 target 的 Strip Style 修改为 Debugging symbol:

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Strip Style

静态库保留的 local 符号会在宿主 App 生成 IPA 之前裁剪掉,所以不会对最后的 IPA 包大小有影响。宿主 App 的 Strip Style 要选择 All Symbols,宿主动态库选择 Non-Global Symbols。

Objective C 方法

绝大部分 Objective C 的方法在编译后会走objc_msgSend,所以通过 fishhook( https://github.com/facebook/fishhook ) hook 这一个 C 函数即可获得 Objective C 符号。由于objc_msgSend是变长参数,所以 hook 代码需要用汇编来实现:

复制代码
1 // 代码参考 InspectiveC
2 __attribute__((__naked__))
3 static void hook_Objc_msgSend() {
4 save()
5 __asm volatile ("mov x2, lr\n");
6 __asm volatile ("mov x3, x4\n");
7 call(blr, &before_objc_msgSend)
8 load()
9 call(blr, orig_objc_msgSend)
10 save()
11 call(blr, &after_objc_msgSend)
12 __asm volatile ("mov lr, x0\n");
13 load()
14 ret()
15 }

子程序调用时候要保存和恢复参数寄存器,所以 save 和 load 分别对 x0~x9, q0~q9 入栈 / 出栈。call 则通过寄存器来间接调用函数:

复制代码
1 #define save() \
2 __asm volatile ( \
3 "stp q6, q7, [sp, #-32]!\n"\
4 ...
5
6 #define load() \
7 __asm volatile ( \
8 "ldp x0, x1, [sp], #16\n" \
9 ...
10
11 #define call(b, value) \
12 __asm volatile ("stp x8, x9, [sp, #-16]!\n"); \
13 __asm volatile ("mov x12, %0\n" :: "r"(value)); \
14 __asm volatile ("ldp x8, x9, [sp], #16\n"); \
15 __asm volatile (#b " x12\n");

before_objc_msgSend中用栈保存 lr,在after_objc_msgSend恢复 lr。由于要生成 trace 文件,为了降低文件的大小,直接写入的是函数地址,且只有当前可执行文件的 Mach-O(app 和动态库) 代码段才会写入:

iOS 中,由于 ALSR( https://en.wikipedia.org/wiki/Address_space_layout_randomization ) 的存在,在写入之前需要先减去偏移量 slide:

复制代码
1 IMP imp = (IMP)class_getMethodImplementation(object_getClass(self), _cmd);
2 unsigned long imppos = (unsigned long)imp;
3 unsigned long addr = immpos - macho_slide

获取一个二进制的__text段地址范围:

复制代码
1 unsigned long size = 0;
2 unsigned long start = (unsigned long)getsectiondata(mhp, "__TEXT", "__text", &size);
3 unsigned long end = start + size;

获取到函数地址后,反查 linkmap 既可找到方法的符号名。

Block

block 是一种特殊的单元,block 在编译后的函数体是一个 C 函数,在调用的时候直接通过指针调用,并不走 objc_msgSend,所以需要单独 hook。

通过 Block 的源码可以看到 block 的内存布局如下:

复制代码
1 struct Block_layout {
2 void *isa;
3 int32_t flags; // contains ref count
4 int32_t reserved;
5 void *invoke;
6 struct Block_descriptor1 *descriptor;
7 };
8 struct Block_descriptor1 {
9 uintptr_t reserved;
10 uintptr_t size;
11 };

其中 invoke 就是函数的指针,hook 思路是将 invoke 替换为自定义实现,然后在 reserved 保存为原始实现。

复制代码
1 // 参考 https://github.com/youngsoft/YSBlockHook
2 if (layout->descriptor != NULL && layout->descriptor->reserved == NULL)
3 {
4 if (layout->invoke != (void *)hook_block_envoke)
5 {
6 layout->descriptor->reserved = layout->invoke;
7 layout->invoke = (void *)hook_block_envoke;
8 }
9 }

由于 block 对应的函数签名不一样,所以这里仍然采用汇编来实现hook_block_envoke

复制代码
1 __attribute__((__naked__))
2 static void hook_block_envoke() {
3 save()
4 __asm volatile ("mov x1, lr\n");
5 call(blr, &before_block_hook);
6 __asm volatile ("mov lr, x0\n");
7 load()
8 // 调用原始的 invoke,即 resvered 存储的地址
9 __asm volatile ("ldr x12, [x0, #24]\n");
10 __asm volatile ("ldr x12, [x12]\n");
11 __asm volatile ("br x12\n");
12 }

before_block_hook中获得函数地址(同样要减去 slide)。

复制代码
1 intptr_t before_block_hook(id block,intptr_t lr)
2 {
3 Block_layout * layout = (Block_layout *)block;
4 //layout->descriptor->reserved 即 block 的函数地址
5 return lr;
6 }

同样,通过函数地址反查 linkmap 既可找到 block 符号。

瓶颈

基于静态扫描 + 运行时 trace 的方案仍然存在少量瓶颈:

  • initialize hook 不到
  • 部分 block hook 不到
  • C++ 通过寄存器的间接函数调用静态扫描不出来

目前的重排方案能够覆盖到 80%~90% 的符号,未来我们会尝试编译期插桩等方案来进行 100% 的符号覆盖,让重排达到最优效果。

整体流程

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%

流程
  1. 设置条件触发流程
  2. 工程注入 Trace 动态库,选择 release 模式编译出.app/linkmap/ 中间产物
  3. 运行一次 App 到启动结束,Trace 动态库会在沙盒生成 Trace log
  4. 以 Trace Log,中间产物和 linkmap 作为输入,运行脚本解析出 order_file

总结

目前,在缺少业界经验参考的情况下,我们成功验证了二进制文件重排方案在 iOS APP 开发中的可行性和稳定性。基于二进制文件重排,我们在针对抖音的 iOS 客户端上的优化工作中,获得了约 15% 的启动速度提升。

抽象来看,APP 开发中大家会遇到这样一个通用的问题,即在某些情况下,APP 运行需要进行大量的 Page Fault,这会影响代码执行速度。而二进制文件重排方案,目前看来是解决这一通用问题比较好的方案。

未来我们会进行更多的尝试,让二进制文件重排在更多的业务场景落地。

本文转载自公众号字节跳动技术团队(ID:toutiaotechblog)。

原文链接

https://mp.weixin.qq.com/s/Drmmx5JtjG3UtTFksL6Q8Q

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