虚拟内存工作原理
2. 虚拟内存分页
刚刚提到虚拟内存和物理内存通过映射表进行映射，但是这个映射并不可能是一一对应的，那样就太过浪费内存了。为了解决效率问题，实际上真实物理内存是分页的。而映射表同样是以页为单位的。换句话说，映射表只会映射到某一页，并不会映射到具体每一个地址。
Mac OS 、linux内存 4kb一页，iOS是16kb一页。可以使用
pagesize命令，在终端直接查看。4096字节=4千字节。
![]()
- 0 和 1 代表当前地址有没有在物理内存中。
- 从上图我们也可以看出，进程的虚拟地址是连续的，但是实际物理内存地址并不是连续的，而是由若干完整的内存分页组成。
- 当应用被加载到物理内存中时 ，并不会将整个应用加载到物理内存中。只会放用到的那一部分。也就是
懒加载，换句话说就是应用使用多少，实际物理内存就分配多少。
二、Page Fault
1. Page Fault产生原因
- 当应用访问到某个地址，映射表中为
0，也就是说它并没有被加载到物理内存中时，系统就会立刻阻塞整个进程，触发一个缺页中断，即Page Fault。- 当一个
缺页中断被触发，操作系统会从磁盘中重新读取这页数据到物理内存上，然后将映射表中虚拟内存指向对应物理内存。 如果当前内存已满，操作系统会通过置换页算法找一页数据进行覆盖。这也是为什么开再多的应用也不会崩掉，但是之前开的应用再打开，就会重新启动的根本原因。
2. Page Fault影响
内存分页触发中断异常 Page Fault 后，会阻塞进程，这是会对性能产生影响的。并且在 iOS 系统的生产环境应用，在发生缺页中断进行重新加载时 ，iOS 系统还会对其做一次签名验证，因此 iOS 生产环境的 Page Fault 所产生的耗时要更多。
对用户而言，使用App时第一个直接体验就是启动 App 时间，而启动时期会有大量的类、分类、三方等等需要加载和执行，此时大量Page Fault所产生的的耗时往往是不能小觑的。
抖音团队分享的一个
Page Fault，开销在0.6 ~ 0.8ms。实际测试发现不同页会有所不同 , 也跟 cpu 负荷状态有关，在0.1 ~ 1.0 ms之间。二进制重排这个方案最早也是 抖音团队 分享的。
三、二进制重排
1. 二进制重排原理
函数编译在mach-O中的位置是根据ld ( Xcode 的链接器)的编译顺序并非调用顺序来的，因此很可能这两个函数分布在不同的内存页上。
- 如上图，编译顺序是
method1、method2… 。启动时page1与page2都需要从无到有加载到物理内存中，所以会触发两次Page Fault。二进制重排的做法就是将method1与method4放到一个内存页中，那么启动时则只需要加载一次 page 即可，也就是只触发一次Page Fault。- 在实际项目中，我们可以将启动时需要调用的函数放到一起 ( 比如 前10页中 ) 以尽可能减少
Page Fault，进而减少启动耗时。
2. 二进制重排操作
苹果已经给我们提供了这个机制，实际上二进制重排就是对即将生成的可执行文件重新排列，这个操作发生在链接阶段。
2.1 Order File
Xcode用的链接器叫做
ld，ld有一个参数叫做Order File，我们可以通过这个参数配置一个 后缀名 为order的文件路径。在这个xxx.order文件中，将需要的符号按顺序写在里面，当工程build的时候，Xcode会读取这个文件，打的二进制包就会按照这个文件中的符号顺序进行生成对应的mach-O。
2.2 Linkmap 查看二进制文件布局
Linkmap是iOS编译过程的中间产物，记录了二进制文件的布局，开启步骤如下：
2.2.1 修改Write Link Map File为 YES，然后clean项目并重新编译
-
Products -> show in finder，上上层文件夹，然后找到一个xxx-LinkMap-normal-arm64.txt的txt文件
-
这个文件的
# Symbols:部分存储了所有符号的顺序，前面的 .o 等内容忽略，Address就是实际的物理地址，可用Mach-O工具查看
-
我们发现符号顺序是按照
Compile Sources的文件顺序来排列的
当我们调整Compile Sources中的文件顺序后，会发现符号顺序也有了变化。
2.3 二进制重排原理
我们二进制重排并非只是修改符号地址，而是利用符号顺序，重新排列整个代码在文件的偏移地址，将启动需要加载的方法地址放到前面内存页中，以此达到减少page fault的次数从而实现时间上的优化。
3. 获取App启动时调用的所有方法（使用编译插桩）
备注：Clang插桩实际上就是一个代码覆盖工具 Clang插桩官网地址
要真正的实现二进制重排，我们需要拿到启动时的所有方法、函数等符号，并保存其顺序，然后写入xxx.order文件来实现二进制重排，获取的方案使用 Clang编译插桩。
3.1 在Build Settings中Other C Flags添加编译配置-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard。
3.2 添加完编译配置后，会发现编译报错，如下：
3.3 添加Clang函数
#import "DZHomeViewController.h"
#import <dlfcn.h> // 动态库的显式调用
#import <libkern/OSAtomic.h> //
/*
考虑到插桩方法会调用很多次，使用锁会影响性能，所以使用苹果底层的`原子队列`，其内部实际上是一个链表，遵循先进先出
**/
static OSQueueHead symbolList = OS_ATOMIC_QUEUE_INIT;
// 定义符号结构体
typedef struct {
void *pc;
void *next;
} PCNode;
@interface DZHomeViewController ()
@end
@implementation DZHomeViewController
void(^blockTest)(void) = ^(void) {
};
+ (void)load {
}
+ (void)initialize {
}
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
}
- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
// [self deziTest];
NSMutableArray <NSString *> * symbolNames = [NSMutableArray array];
while (YES) {
PCNode *node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(PCNode, next));
if (node == NULL) {
break;
}
Dl_info info;
dladdr(node->pc, &info);
NSString * name = @(info.dli_sname);
BOOL isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
NSString * symbolName = isObjc ? name: [@"_" stringByAppendingString:name];
[symbolNames addObject:symbolName];
}
// 取反
NSEnumerator *emt = [symbolNames reverseObjectEnumerator];
//去重
NSMutableArray<NSString *> *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count];
NSString *name;
while (name = [emt nextObject]) {
if (![funcs containsObject:name]) {
[funcs addObject:name];
}
}
//干掉自己!
[funcs removeObject:[NSString stringWithFormat:@"%s",__FUNCTION__]];
//将数组变成字符串
NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
NSString *filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"fontResources.order"];
NSData *fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
[[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
NSLog(@"%@",funcStr);
}
- (void)deziTest {
blockTest();
}
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop) {
static uint64_t N; // Counter for the guards.
if (start == stop || *start) return; // Initialize only once.
printf("INIT: %p %p\n", start, stop);
for (uint32_t *x = start; x < stop; x++)
*x = ++N; // Guards should start from 1.
}
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
/* 精确定位 哪里开始 到哪里结束! 在这里面做判断写条件!*/
void *PC = __builtin_return_address(0);
DeziNode *node = malloc(sizeof(DeziNode));
*node = (DeziNode){PC,NULL};
//进入
OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(DeziNode, next));
Dl_info info; // 动态链接库时 通过传递指针给Mach-O头部Mach-O header，引用一个Dl_info结构体
dladdr(PC, &info);
printf("----------------------------------------\nfname:%s \nfbase:%p \nsname:%s \nsaddr:%p\n",
info.dli_fname,
info.dli_fbase,
info.dli_sname,
info.dli_saddr);
}
@end
- dl_info结构体
typedef struct dl_info {
const char *dli_fname; /* 共享对象的路径名 */
void *dli_fbase; /* 共享对象的基本地址 */
const char *dli_sname; /* 最近的符号的名称 */
void *dli_saddr; /* 最近的符号地址 */
} Dl_info;
3.4 汇编断点调试
-
首先打开汇编调试
-
在方法中加断点
-
调试结果
-
结论
- 由汇编断点调试可以发现在所有的方法函数里边插入这个方法
__sanitizer_cov_trace_pc_guard，因此每次执行方法都会先执行插桩方法。- 所以在编译时刻，Clang插桩会静态加入汇编指令，做到全局AOP，Hook一切方法。
3.5 使用__sanitizer_cov_trace_pc_guard
-
断点打印发现
PC就是方法地址
void *PC = __builtin_return_address(0);通过这个函数，拿到当前函数__sanitizer_cov_trace_pc_guard的下一个函数地址，也就是程序中的真实调用方法。
![]()
3.6 通过原子队列存取方法
-
插桩时存
void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
/* 定位插桩方法的下一个方法，也就是程序中的真实调用方法 */
void *PC = __builtin_return_address(0);
PCNode *node = malloc(sizeof(PCNode));
*node = (PCNode){PC,NULL};
// 进入 &symbolList链表表头，node节点数据，offsetof(PCNode, next) 下一个成员在链表中的偏移地址
OSAtomicEnqueue(&symbolList, node, offsetof(PCNode, next));
}
-
通过touchesBegan方法手动取出原子队列所存方法
- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
NSMutableArray <NSString *> *symbolNames = [NSMutableArray array];
while (YES) {
// &symbolList链表表头，
PCNode *node = OSAtomicDequeue(&symbolList, offsetof(PCNode, next));
if (node == NULL) {
break;
}
Dl_info info;
dladdr(node->pc, &info);
NSString * name = @(info.dli_sname);
BOOL isObjc = [name hasPrefix:@"+["] || [name hasPrefix:@"-["];
NSString *symbolName = isObjc ? name: [@"_" stringByAppendingString:name];
[symbolNames addObject:symbolName];
}
// 由于先进先出的特性，所以要取反
NSEnumerator *emt = [symbolNames reverseObjectEnumerator];
// 去重
NSMutableArray<NSString *> *funcs = [NSMutableArray arrayWithCapacity:symbolNames.count];
NSString *name;
while (name = [emt nextObject]) {
if (![funcs containsObject:name]) {
[funcs addObject:name];
}
}
// 去掉自己
[funcs removeObject:[NSString stringWithFormat:@"%s",__FUNCTION__]];
// 将数组变成字符串
NSString *funcStr = [funcs componentsJoinedByString:@"\n"];
NSString *filePath = [NSTemporaryDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"fontResources.order"];
NSData *fileContents = [funcStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
[[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:fileContents attributes:nil];
NSLog(@"%@",funcStr);
}
-
将存入本地的
fontResources.order文件取出，放在工程里
-
配置工程的Order File文件
-
二进制重排到此结束，对比前后
xxx-LinkMap-normal-arm64.txt文件，我们会发现启动时调用的方法，已经被排到前边去了
二进制重排前
二进制重排后
四、使用 System Trace 来检验二进制重排结果
1. 那么如何衡量页的加载时间呢？这里就用到了Instruments中的System Trace工具。
首先，重新启动设备(冷启动)。⌘+I打开Instruments，选择System Trace工具。
点击录制⏺后，出现第一个页面，马上停止⏹。过滤只显示Main Thread相关，选择Summary: Virtual Memory。
- File Backed Page In次数就是触发Page Fault的次数了。
- Page Cache Hit就是页缓存命中的次数了。
由于获取Page Fault影响因素很多，导致每次获取存在较大波动。只能在尽量保证同一的环境下，多次采样取平均值的来大致估算数据。此处不进行赘述。
