iOS App启动优化(三)—— 自己做一个工具监控App的启动耗时

级别:★★☆☆☆
标签:「iOS」「hook」「耗时监控」「objc_msgSend」
作者: 647
审校: QiShare团队


前言:
最近,小编在看戴铭老师的技术分享,感觉收获很多。基于最近的学习,小编总结了一些App启动优化上的知识点,并计划落地一系列App启动优化的文章。

目录如下:
iOS App启动优化(一)—— 了解App的启动流程
iOS App启动优化(二)—— 使用“Time Profiler”工具监控App的启动耗时
iOS App启动优化(三)—— 自己做一个工具监控App的启动耗时


前两篇介绍了《iOS App的启动流程》、《Time Profiler工具的使用》。
本篇将介绍通过hook底层objc_msgSend来掌握所有Objective-C方法的执行耗时。

一、什么是hook?

定义:hook是指在原有方法开始执行时,换成你指定的方法。或在原有方法的执行前后,添加执行你指定的方法。从而达到改变指定方法的目的。

例如:

  • 使用runtimeMethod Swizzle
  • 使用Facebook所开源的fishhook框架。

前者是ObjC运行时提供的“方法交换”能力。
后者是对Mach-O二进制文件的符号进行动态的“重新绑定”,已达到方法交换的目的。

问题1: fishhook的大致实现思路是什么?

《iOS App启动优化(一)—— 了解App的启动流程》中我们提到,动态链接器dyld会根据Mach-O二进制可执行文件的符号表来绑定符号。而通过符号表及符号名就可以知道指针访问的地址,再通过更改指针访问的地址就能替换指定的方法实现了。

问题2:为什么hook了objc_msgSend就可以掌握所有objc方法的耗时?

因为objc_msgSend是所有Objective-C方法调用的必经之路,所有的Objective-C方法都会调用到运行时底层的objc_msgSend方法。所以只要我们可以hook objc_msgSend,我们就可以掌握所有objc方法的耗时。(更多详情可看我之前写的《iOS 编写高质量Objective-C代码(二)》的第六点 —— 理解objc_msgSend(对象的消息传递机制)

另外,objc_msgSend本身是用汇编语言写的,苹果已经开源了objc_msgSend的源码。可在官网上下载查看:objc_msgSend源码

二、如何hook底层objc_msgSend?

第一阶段:与fishhook框架类似,我们先要拥有hook的能力。
  • 首先,设计两个结构体:
    一个是用来记录符号的结构体,一个是用来记录符号表的链表。
struct rebinding {
    const char *name;
    void *replacement;
    void **replaced;
};

struct rebindings_entry {
    struct rebinding *rebindings;
    size_t rebindings_nel;
    struct rebindings_entry *next;
};
  • 其次,遍历动态链接器dyld内所有的image,取出其中的headerslide
    以便我们接下来拿到符号表。
static int fish_rebind_symbols(struct rebinding rebindings[], size_t rebindings_nel) {
    int retval = prepend_rebindings(&_rebindings_head, rebindings, rebindings_nel);
    if (retval < 0) {
        return retval;
    }
    // If this was the first call, register callback for image additions (which is also invoked for
    // existing images, otherwise, just run on existing images
    //首先是遍历 dyld 里的所有的 image,取出 image header 和 slide。注意第一次调用时主要注册 callback
    if (!_rebindings_head->next) {
        _dyld_register_func_for_add_image(_rebind_symbols_for_image);
    } else {
        uint32_t c = _dyld_image_count();
        // 遍历所有dyld的image
        for (uint32_t i = 0; i < c; i++) {
            _rebind_symbols_for_image(_dyld_get_image_header(i), _dyld_get_image_vmaddr_slide(i)); // 读取image内的header和slider
        }
    }
    return retval;
}
  • 上一步,我们在dyld内拿到了所有image
    接下来,我们从image内找到符号表内相关的segment_command_t,遍历符号表找到所要替换的segname,再进行下一步方法替换。方法实现如下:
static void rebind_symbols_for_image(struct rebindings_entry *rebindings,
                                     const struct mach_header *header,
                                     intptr_t slide) {
    Dl_info info;
    if (dladdr(header, &info) == 0) {
        return;
    }
    
    // 找到符号表相关的command,包括 linkedit_segment command、symtab command 和 dysymtab command。
    segment_command_t *cur_seg_cmd;
    segment_command_t *linkedit_segment = NULL;
    struct symtab_command* symtab_cmd = NULL;
    struct dysymtab_command* dysymtab_cmd = NULL;
    
    uintptr_t cur = (uintptr_t)header + sizeof(mach_header_t);
    for (uint i = 0; i < header->ncmds; i++, cur += cur_seg_cmd->cmdsize) {
        cur_seg_cmd = (segment_command_t *)cur;
        if (cur_seg_cmd->cmd == LC_SEGMENT_ARCH_DEPENDENT) {
            if (strcmp(cur_seg_cmd->segname, SEG_LINKEDIT) == 0) {
                linkedit_segment = cur_seg_cmd;
            }
        } else if (cur_seg_cmd->cmd == LC_SYMTAB) {
            symtab_cmd = (struct symtab_command*)cur_seg_cmd;
        } else if (cur_seg_cmd->cmd == LC_DYSYMTAB) {
            dysymtab_cmd = (struct dysymtab_command*)cur_seg_cmd;
        }
    }
    
    if (!symtab_cmd || !dysymtab_cmd || !linkedit_segment ||
        !dysymtab_cmd->nindirectsyms) {
        return;
    }

    // 获得base符号表以及对应地址
    uintptr_t linkedit_base = (uintptr_t)slide + linkedit_segment->vmaddr - linkedit_segment->fileoff;
    nlist_t *symtab = (nlist_t *)(linkedit_base + symtab_cmd->symoff);
    char *strtab = (char *)(linkedit_base + symtab_cmd->stroff);
    
    // 获得indirect符号表
    uint32_t *indirect_symtab = (uint32_t *)(linkedit_base + dysymtab_cmd->indirectsymoff);
    
    cur = (uintptr_t)header + sizeof(mach_header_t);
    for (uint i = 0; i < header->ncmds; i++, cur += cur_seg_cmd->cmdsize) {
        cur_seg_cmd = (segment_command_t *)cur;
        if (cur_seg_cmd->cmd == LC_SEGMENT_ARCH_DEPENDENT) {
            if (strcmp(cur_seg_cmd->segname, SEG_DATA) != 0 &&
                strcmp(cur_seg_cmd->segname, SEG_DATA_CONST) != 0) {
                continue;
            }
            for (uint j = 0; j < cur_seg_cmd->nsects; j++) {
                section_t *sect =
                (section_t *)(cur + sizeof(segment_command_t)) + j;
                if ((sect->flags & SECTION_TYPE) == S_LAZY_SYMBOL_POINTERS) {
                    perform_rebinding_with_section(rebindings, sect, slide, symtab, strtab, indirect_symtab);
                }
                if ((sect->flags & SECTION_TYPE) == S_NON_LAZY_SYMBOL_POINTERS) {
                    perform_rebinding_with_section(rebindings, sect, slide, symtab, strtab, indirect_symtab);
                }
            }
        }
    }
}
  • 最后,通过符号表以及我们所要替换的方法的实现,进行指针地址替换。
    这是相关方法实现:
static void perform_rebinding_with_section(struct rebindings_entry *rebindings,
                                           section_t *section,
                                           intptr_t slide,
                                           nlist_t *symtab,
                                           char *strtab,
                                           uint32_t *indirect_symtab) {
    uint32_t *indirect_symbol_indices = indirect_symtab + section->reserved1;
    void **indirect_symbol_bindings = (void **)((uintptr_t)slide + section->addr);
    for (uint i = 0; i < section->size / sizeof(void *); i++) {
        uint32_t symtab_index = indirect_symbol_indices[i];
        if (symtab_index == INDIRECT_SYMBOL_ABS || symtab_index == INDIRECT_SYMBOL_LOCAL ||
            symtab_index == (INDIRECT_SYMBOL_LOCAL   | INDIRECT_SYMBOL_ABS)) {
            continue;
        }
        uint32_t strtab_offset = symtab[symtab_index].n_un.n_strx;
        char *symbol_name = strtab + strtab_offset;
        if (strnlen(symbol_name, 2) < 2) {
            continue;
        }
        struct rebindings_entry *cur = rebindings;
        while (cur) {
            for (uint j = 0; j < cur->rebindings_nel; j++) {
                if (strcmp(&symbol_name[1], cur->rebindings[j].name) == 0) {
                    if (cur->rebindings[j].replaced != NULL &&
                        indirect_symbol_bindings[i] != cur->rebindings[j].replacement) {
                        *(cur->rebindings[j].replaced) = indirect_symbol_bindings[i];
                    }
                    indirect_symbol_bindings[i] = cur->rebindings[j].replacement;
                    goto symbol_loop;
                }
            }
            cur = cur->next;
        }
    symbol_loop:;
    }
}

到这里,通过调用下面的方法,我们就拥有了hook的基本能力。

static int fish_rebind_symbols(struct rebinding rebindings[], size_t rebindings_nel);
第二阶段:通过汇编语言编写出我们的hook_objc_msgSend方法

因为objc_msgSend是通过汇编语言写的,我们想要替换objc_msgSend方法还需要从汇编语言下手。

既然我们要做一个监控方法耗时的工具。这时想想我们的目的是什么?

我们的目的是:通过hookobjc_msgSend方法,在objc_msgSend方法前调用打点计时操作,在objc_msgSend方法调用后结束打点和计时操作。通过计算时间差,我们就能精准的拿到方法调用的时长。

因此,我们要在原有的objc_msgSend方法的调用前后需要加上before_objc_msgSendafter_objc_msgSend方法,以便我们后期的打点计时操作。

arm64 有 31 个 64 bit 的整数型寄存器,分别用 x0 到 x30 表示。主要的实现思路是:

  • 入栈参数,参数寄存器是 x0~ x7。对于 objc_msgSend 方法来说,x0 第一个参数是传入对象,x1 第二个参数是选择器 _cmd。syscall 的 number 会放到 x8 里。
  • 交换寄存器中保存的参数,将用于返回的寄存器 lr 中的数据移到 x1 里。
  • 使用 bl label 语法调用 pushCallRecord 函数。
  • 执行原始的 objc_msgSend,保存返回值。
  • 使用 bl label 语法调用 popCallRecord 函数。
  • 返回

里面涉及到的一些汇编指令:

指令 含义
stp 同时写入两个寄存器。
mov 将值赋值到一个寄存器。
ldp 同时读取两个寄存器。
sub 将两个寄存器的值相减
add 将两个寄存器的值相加
ret 从子程序返回主程序

详细代码如下:

#define call(b, value) \
__asm volatile ("stp x8, x9, [sp, #-16]!\n"); \
__asm volatile ("mov x12, %0\n" :: "r"(value)); \
__asm volatile ("ldp x8, x9, [sp], #16\n"); \
__asm volatile (#b " x12\n");

#define save() \
__asm volatile ( \
"stp x8, x9, [sp, #-16]!\n" \
"stp x6, x7, [sp, #-16]!\n" \
"stp x4, x5, [sp, #-16]!\n" \
"stp x2, x3, [sp, #-16]!\n" \
"stp x0, x1, [sp, #-16]!\n");

#define load() \
__asm volatile ( \
"ldp x0, x1, [sp], #16\n" \
"ldp x2, x3, [sp], #16\n" \
"ldp x4, x5, [sp], #16\n" \
"ldp x6, x7, [sp], #16\n" \
"ldp x8, x9, [sp], #16\n" );

#define link(b, value) \
__asm volatile ("stp x8, lr, [sp, #-16]!\n"); \
__asm volatile ("sub sp, sp, #16\n"); \
call(b, value); \
__asm volatile ("add sp, sp, #16\n"); \
__asm volatile ("ldp x8, lr, [sp], #16\n");

#define ret() __asm volatile ("ret\n");

__attribute__((__naked__))
static void hook_objc_msgSend() {
    // Save parameters.
    save() // stp入栈指令 入栈参数,参数寄存器是 x0~ x7。对于 objc_msgSend 方法来说,x0 第一个参数是传入对象,x1 第二个参数是选择器 _cmd。syscall 的 number 会放到 x8 里。
    
    __asm volatile ("mov x2, lr\n");
    __asm volatile ("mov x3, x4\n");
    
    // Call our before_objc_msgSend.
    call(blr, &before_objc_msgSend)
    
    // Load parameters.
    load()
    
    // Call through to the original objc_msgSend.
    call(blr, orig_objc_msgSend)
    
    // Save original objc_msgSend return value.
    save()
    
    // Call our after_objc_msgSend.
    call(blr, &after_objc_msgSend)
    
    // restore lr
    __asm volatile ("mov lr, x0\n");
    
    // Load original objc_msgSend return value.
    load()
    
    // return
    ret()
}

这时候,每当底层调用hook_objc_msgSend方法时,会先调用before_objc_msgSend方法,再调用hook_objc_msgSend方法,最后调用after_objc_msgSend方法。

单个方法调用,流程如下图:

举一反“三”,然后多层方法调用的流程,就变成了下图:

这样,我们就能拿到每一层方法调用的耗时了。

三、如何使用这个工具?

第一步,在项目中,导入QiLagMonitor类库。

第二步,在所需要监控的控制器中,导入QiCallTrace.h头文件。

  [QiCallTrace start]; // 1. 开始

  // your codes(你所要测试的代码区间)

  [QiCallTrace stop]; // 2. 停止
  [QiCallTrace save]; // 3. 保存并打印方法调用栈以及具体方法耗时。

PS:目前该工具只能hook所有objc方法,并计算出区间内的所有方法耗时。暂不支持swift方法的监听。

本文源码:Demo

最后,我是站在iOS业界巨人的肩膀上完成了App启动优化(一)、(二)、(三),感谢戴铭老师精彩的技术分享。
另附上,戴铭老师课程链接:《iOS开发高手课》


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