iOS Swift 一个App的生命周期和启动流程优化

启动流程

  1. 首先加载info.plist文件中的配置进行解析
  2. 创建沙盒, (iOS8之后会每次生成一个新的沙盒, 参考模拟器运行时的沙盒路径)
  3. 加载Mach-O可执行文件,读取dyld路径兵运行dyld动态链接器。runtime就是在这个时候被初始化的, 同时还会加载c函数, Category以及C++静态函数, OC的+load方法, 最后dyld返回main函数地址, main函数被调用.

+load以及+initialize

load方法:

当类被引用进项目的时候就会执行load函数(在main函数开始执行之前） 与这个类是否被用到无关, 每个类的load函数只会自动调用一次. 由于load函数是系统自动加载的 不需要[super load], 否则会导致父类的load方法重复调用

注意:
load调用时机比较早,当load调用时,其他类可能还没加载完成,运行环境不安全. load方法是线程安全的，它使用了锁，我们应该避免线程阻塞在load方法

load方法加载顺序:

  1. 一个类的+load方法在其父类的+load方法后调用
  2. 一个Category的+load方法在被其扩展的类自由+load方法后调用.
    当有多个类别(Category)都实现了load方法, 这几个load方法都会执行, 但执行顺序不确定(其执行顺序与类别在Compile Sources中出现的顺序一致)

initialize方法:

该方法在类或者子类的第一个方法被调用前调用, 即使类文件被引用进项目, 但是没有使用, initialize不会被调用
initialize与load方法相同为系统自动调用, 无需[super initialize]

initialize方法调用顺序:

  1. 父类的initialize方法会比子类的initialize方法先执行
  2. 当子类未实现initialize方法时, 会调用父类initialize方法.
    子类实现initialize方法时, 会覆盖父类initialize方法.
  3. 当有多个Category都实现了initialize方法, 会覆盖类中的方法,
    只执行一个(会执行Compile Sources列表中最后一个Category的initialize方法)

main函数

main函数是iOS程序的入口, 返回值为int, 死循环并不会返回.


UIApplicationMain:

该方法会初始化一个UIApplication实例以及他的代理
@param argc 参数个数
@param argv 参数
@param principalClassName 根据该参数初始化一个UIApplication或其子类的对象并开始接收事件(传入nil, 意味使用默认的UIApplication)
@param delegateClassName 该参数指定AppDelegate类作为委托, delegate对象主要用于监听, 类似于生命周期的回调函数
@return 返回值为int, 但是并不会返回(runloop), 会一直在内存中 直到程序终止

在swift工程中并没有main函数, 但是会发现Appdelegate.swift文件中有一句@UIApplicationMain, 这个标签的作用就是将标注的类作为委托, 创建一个UIApplication并启动整个程序. 如果我们想要使用UIApplication的子类可以直接删除这个标签, 并在工程中新建一个main.swift文件


main.swift实现

Appdelegate

app启动完成

如果由通知打开, launchOptions对应的key有值, iOS10之后UNUserNotificationCenterDelegate中的didReceiveNotificationResponse方法也能响应

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
    // Override point for customization after application launch.
    NSLog(@"%s", __func__);
    return YES;
}

程序由后台转入前台

前台是指app为当前手机展示. app首次启动时不会调用该方法

Swift:
func applicationWillEnterForeground(_ application: UIApplication) {
    // 本地通知key: UIApplication.willEnterForegroundNotification
}

OC:
- (void)applicationWillEnterForeground:(UIApplication *)application {
    // Called as part of the transition from the background to the active state; here you can undo many of the changes made on entering the background.
    // 本地通知key: `UIApplicationWillEnterForegroundNotification`
    NSLog(@"%s", __func__);
}

程序进入活跃状态

该方法app首次进入就会调用, 由后台转入前台, 也会在applicationWillEnterForeground方法之后调用

Swift: 
func applicationDidBecomeActive(_ application: UIApplication) {
    // 本地通知key: UIApplication.didBecomeActiveNotification
}

OC:
- (void)applicationDidBecomeActive:(UIApplication *)application {
    // Restart any tasks that were paused (or not yet started) while the application was inactive. If the application was previously in the background, optionally refresh the user interface.
    // 本地通知key: UIApplicationDidBecomeActiveNotification
    NSLog(@"%s", __func__);
}

程序进入非活跃状态

比如有电话进来或者锁屏等情况, 此时应用会先进入非活跃状态, 也有可能是程序即将进入后台(进入后台前会先调用)

Swift:
func applicationWillResignActive(_ application: UIApplication) {
    // 本地通知key: UIApplication.willResignActiveNotification
}

OC:
- (void)applicationWillResignActive:(UIApplication *)application {
    // Sent when the application is about to move from active to inactive state. This can occur for certain types of temporary interruptions (such as an incoming phone call or SMS message) or when the user quits the application and it begins the transition to the background state.
    // Use this method to pause ongoing tasks, disable timers, and invalidate graphics rendering callbacks. Games should use this method to pause the game.
    // 本地通知key: UIApplicationWillResignActiveNotification
    NSLog(@"%s", __func__);
}

程序进入后台

Swift:
func applicationDidEnterBackground(_ application: UIApplication) {
    // 本地通知key: UIApplication.didEnterBackgroundNotification
}

OC:
- (void)applicationDidEnterBackground:(UIApplication *)application {
    // Use this method to release shared resources, save user data, invalidate timers, and store enough application state information to restore your application to its current state in case it is terminated later.
    // If your application supports background execution, this method is called instead of applicationWillTerminate: when the user quits.
    // 本地通知key: UIApplicationDidEnterBackgroundNotification
    NSLog(@"%s", __func__);
}

当程序进入后台，很快便会就如挂起状态，在挂起状态下，无法执行任何代码。等到系统内存告急时会被杀死，如果有未完成的任务，可以在该方法下申请延时180s执行代码.

  __block UIBackgroundTaskIdentifier backTaskId;
    backTaskId = [application beginBackgroundTaskWithExpirationHandler:^{
        NSLog(@"backgroundTask reaches 0");
        [application endBackgroundTask:backTaskId];
        backTaskId = UIBackgroundTaskInvalid;
    }];

程序即将退出

Swift:
func applicationWillTerminate(_ application: UIApplication) {
    // 程序即将退出
    // 本地通知key：UIApplication.willTerminateNotification
}

OC:
- (void)applicationWillTerminate:(UIApplication *)application {
    // 本地通知key: UIApplicationWillTerminateNotification
    NSLog(@"%s", __func__);
}

参考文献：
iOS App生命周期理解

启动流程

什么是App的启动？

通俗来讲，就是从用户点击App图标开始，到看到第一个页面的时间间隔。

细分来看，App的启动分两种：冷启动和热启动。

  • 冷启动：App启动前，内核没有为它分配相应的进程。
  • 热启动：App冷启动后，用户将App退出至后台，再进入的过程。

热启动没什么好说的，能做的通用的事情非常少。App从后台回来直接进入AppDelegate生命周期函数，剩下的就是App自身的业务逻辑，如果要优化，也仅是业务上的优化，恢复数据，做一些同步。所以本篇我们只展开讲冷启动(后文将用启动代替冷启动)的流程和优化。BTW: 笔者建议先从热启动开始优化，毕竟大部分的性能瓶颈都在自家代码里。

App启动步骤概览

从大方向讲，App启动步骤分为三个阶段：

从系统exec()调用到我们App的main()为止 (main函数之前)
main()执行之后
首屏渲染结束(至第一个界面的viewDidAppear:，nib loading)
整个流程如下：



概括来讲：内核先将我们的App加载进内存，之后加载一个“中间件”: dynamic loader(简称:dyld)。之后dyld会负责分析App的Mach-O文件以加载所需的dynamic libraries。之后利用Rebasing和Binding修正内部和外部指针指向。最后加载runtime组件，runtime组件加载好后就会向需要初始化的object发送消息，开始初始化。 至此，main函数之前的步骤结束。之后的流程就是我们耳熟能详的生命周期了，App开始在AppDelegate里面初始化我们自定义的服务以及渲染首屏等。

Crash Course (名词速成班)

相信你看到这里或多或少已经对其中的一些名词感到陌生甚至”讨厌”了。这里面可能除了runtime，其他的你都没接触过。所以，这一小节我们针对上述流程涉及到的名词加以解释，并帮助大家扩充下底层知识，更好的理解main函数之前发生的事情。

内核

内核是操作系统的核心。iOS和OS X使用的都是XNU内核。在这里，我们不需要知道XNU内核的详细架构，只需要知道它的功能即可，例如：提供基础服务，像线程，进程管理，IPC(进程间通信)，文件系统等等。



上图阐述了内核是如何加载我们的App到进程中的。在这幅图里有两个关键点：

PAGEZERO是怎么回事？
为什么我们的App起始位置是不确定的？
这就要涉及到下一个知识点：ASLR。

ASLR(地址空间布局随机化) + Code Sign

简单来说，就是当应用映射到逻辑地址空间的时候，利用ASLR技术，可以使得应用的起始地址总是随机的，以避免黑客通过起始地址+偏移量找到函数的地址。ASLR和Code Sign是iOS两种主要的安全技术。相信大家对Code Sign并不陌生，在底层上进行code sign的时候，加密哈希是针对Mach-O的每一个page，这就保证了dyld在加载Mach-O的时候可以确保单个page不被篡改。

那PAGEZERO的作用又是什么呢？当系统利用ASLR分配了随机地址后，从0到该地址的整个区间会被标记为不可访问，意味着不可读，不可写，不可被执行。这个区域的大小苹果给出了官方的解释：

针对32位进程，至少4KB
针对64位进程，至少4GB
这块区域可以帮助我们捕获任意的空指针和指针截断。(例如:64位指针转32位的时候)

虚拟内存

理解了虚拟内存能够更好地帮助我们理解iOS内部机制。首先，现有的操作系统大都使用逻辑地址和物理地址这两个概念。逻辑地址可以理解为是虚拟地址，为的是”欺骗App”；但经过硬件和软件的配合，逻辑地址可以被映射到实实在在的物理地址上。

逻辑内存是被分页的，就像一整块蛋糕被分成多个小块一样。然后通过页表，映射到物理内存。物理内存是被分为很多帧的，和逻辑内存的页相对应。(页面和帧的对应关系主要是通过页表来保存)

总的来说，逻辑地址空间(虚拟内存)大大提高了CPU的使用效率，使得多个程序可以被同时、按需加载进内存。

iOS中，每一个进程都是一个逻辑地址空间，并且同时映射到物理内存上。这种映射不只是”一对一”关系，还可以是“一对0，多对一”。 当逻辑内存地址在物理内存上没有对应的地址时，就会发生page fault错误。这时候内核就会停止当前线程，分配一块物理内存给当前的逻辑地址；如果我们有两个进程运行在不同的逻辑地址空间，它们是可以同时映射到同一物理内存的，这时候就需要它们share部分的RAM了。

那么问题来了，既然两个进程的某些逻辑地址空间可以同时映射到相同的物理地址，那么如果它们一方需要修改该地址内容的话，该如何是好呢？这就需要介绍下iOS的Copy-On-Write(COW)机制了。

当一个进程试图向DATA page写入数据时，内核会立刻创建一个拷贝，并映射到另一个物理RAM

至于什么是DATA page， 我们稍后在Mach-O章节介绍。

当Copy-On-Write发生的时候，会产生dirty page, 与之相对的则是clean page。Clean page是那种内核可以之后从磁盘恢复的拷贝；而dirty page则包含了进程信息，无法被其他进程重用。



图中RAM 3所在的page就是一个dirty page。

在dyld章节我会再次提到clean page和dirty page，着重讲解dyld是如何通过修改Mach-O的__Data段，从而产生dirty page。

Mach-O

Mach-O，全称是Mac object file format, 是一种文件类型。哪些文件是Mach-O呢？

  • Exectuable: 例如我们App bundle下的二进制文件
  • Dylib: 动态库，好比Windows下得DLL
  • Bundle: 指的是无法被链接，只能使用dlopen加载的动态库，例如Mac平台下的plug-ins
  • Image: 以上三个
  • Framework: 包含资源文件、头文件等的dylib
段(Segments)

Apple的Mach-O文件可以分为三大部分：


  1. Header: 头部， 包含可执行的cpu架构，文件类型等，例如arm64，x86；MH_EXECUTE。(如果合并过架构，则会是Fat Header)
  2. Load commands: 加载命令，包含文件的组织架构和在虚拟内存中的布局方式
  3. Data: 数据，包含load commands中需要的各个段(segment)的数据，每一个Segment的大小都是Page的整数倍。

Data部分示意图:



上例中，TEXT段大小是3页，DATA和LINKEDIT各是一页。Page的大小取决于硬件的架构，例如在arm64
架构下，每页是16KB；其余架构下每页是4KB。

Data部分包含哪些segment呢？绝大多数mach-o包括以下三段:

  • __TEXT: 代码段，只读，包括函数，和只读的常量，例如C字符串，上图中类似__TEXT, __text的都是代码段
  • __DATA: 数据段，读写，包括可读写的全局变量, 静态变量等，上图类似中的__DATA, __data都是数据段
  • __LINKEDIT: 如何加载程序, 包含了方法和变量的元数据（位置，偏移量），以及代码签名等信息。

下图是我个人项目NetworkTransport的Mach-O文件布局: 从图中可以清晰的看到__TEXT和__DATA. 那__LINKEDIT去哪里了呢？据我观察__LINKEDIT似乎被隐藏了，但是其存储的元数据却是可见的，例如下图中笔者选中的Dynamic Loader Info一栏，Rebase的信息一览无余的展现在我们面前。



并且，当你展开Load Commands选项的时候，就会发现__LINKEDIT的段布局信息。


部分(Sections)

Section是段(Segment)中的子区域, 每个section包含的内容不同，大小也没有限制。例如在__TEXT segment里， text section包含的是可执行的机器码; cstring section包含C类常量字符串。值得注意的是，这里面的常量是没有重复的，原因是静态连接器在做构建的时候，合并了有相同值的常量。


PIC(Position Independ Code, code-gen)

在dyld拼接不同的dylibs的时候，dylibA也需要知道如何调用dylibB。但是由于每页都被签名的原因，dyld是无法直接去修改指令的。这时候code-gen，也就是动态PIC会在__DATA段为dylibA创建一个指针，指向dylibB的某个地址。比方说：dylibA想调用dylibB的sayHello方法，code-gen会先在Mach-O的__DATA段中建立一个指针指向sayHello，再通过这个指针实现间接调用。

dyld (dynamic loader/linker)

加载dylibs

dyld是iOS平台上的二进制加载器或者说动态链接器，也是内核的得力”小助手”。它负责将程序依赖的各种动态库加载到进程。同时也肩负着修复内部和外部指针指向的责任(传送门，dyld开源代码)。下面我们就来看看dyld是如何帮助内核完成加载工作的。


从上图可以看到，ALSR将dyld也加载到了进程中一个随机地址，此时的dyld和App享有同样的权限。其实从加载完dyld之后，内核要做的事情就结束了，之后的所有步骤都由dyld完成。首先，dyld会读取Mach-O文件中的指令(Load commands)，去将其依赖的各个动态库映射到当前的逻辑地址空间，如果该动态库还依赖其他动态库，比方说下图的A库依赖C库，dyld会递归的将没加载过的dylib都加载到当前进程中(具体由ImageLoader完成)，直到所有的动态库加载完毕。Apple官方称，一个App通常会加载1到400个dylibs! 不过幸运的是，这其中大部分是系统的dylibs，Apple在操作系统启动的时候，也已经帮我们提前计算和缓存了这些dylibs的信息，这样dyld加载它们的时候就会快很多。

Dirty & Clean Page

我们在上文提到: 当Copy-On-Write发生时，该page会被标记为dirty，同时会被复制。下面我们通过一个实例来进一步理解虚拟内存和Mach-O布局，以及dyld是如何产生出dirty page的。



上图展示的是两个不同的进程共享同一个dylib的使用场景。我们从左到右看，左边的进程1先加载了该动态库，通过读取Load Commands, dyld知道要先加载__TEXT段(可读，可执行)，上图__TEXT段大小为3个page，但是dyld只会先将第一个page映射到物理RAM。之后读取__DATA段信息(可读可写)，在Mach-O章节中，我们已经知道，__DATA段存储了全局变量，而大部分的全局变量又都被初始化为0，所以在第一次被加载的时候，虚拟内存技术会将这些全局变量直接分配到一些page上(上图是3个page)，不从磁盘中读取。接着dyld加载__LINKEDIT段，并将其映射到物理RAM2。当dyld加载__LINKEDIT(只读)段时，会被告知需要做一些”修正”以便dylib可以被顺利运行，这时，dyld就需要向__DATA段写入一些数据了。当写入发生时，该page对应的物理RAM就包含了当前进程信息，变成了dirty page。最终，这个dylib占用了8个page，包含2个clean page，一个dirty page(其余还未被映射)。

这时，如果有第二个进程同时引用了这个dylib，那么会发生什么呢？第一步同样是加载__TEXT段，不同的是，这次内核会发现在物理内存的某一处，已经加载过对应的__TEXT段，所以这次只是简单地把映射重定向下，不做任何IO操作。__LINKEDIT也是如此，区别就是这次变快了许多。当内核在寻找__DATA段的时候，它先会去检查是否还存在干净的副本，如果有，则直接映射；如果没有则需要重新从磁盘中读取，读取后dyld做修正，所以这个page也会变为dirty page。当dyld完成了修正过程后，__LINKEDIT也就不被再需要，内核可以在适当的时候释放其映射的物理RAM。

总结下: 当两个进程共享一个dylib时,使用虚拟内存技术映射物理RAM，把原本16个脏页面变成了两个脏页面和一个干净的共享页面。但上例是针对Apple自己提供的动态库，如果是我们自己写的cocoatouch framework，不排除当两个进程共用一个framework时，可以共享某些page。例如两个App都依赖Alamofire网络库时，一个App先行加载其Mach-O文件到物理内存；当另一个App加载Alamofire时，直接映射即可。

Rebase & Binding

这个步骤就是上文说到的”修正”步骤, 同时也用到了上文提到的PIC技术。Reabse是指修正内部指针指向; Binding是指修正外部指针指向。如下图所示: 指向_malloc和_free的指针是修正后的外部指针指向。而指向__TEXT的指针则是被修复后的内部指针指向。



这个步骤发生的原因我们上文提到过: ASLR。由于起始地址的偏移，所有_DATA段内指向Mach-O文件内部的指针都需要增加这个偏移量, 并且这些指针的信息可以在__LINKEDIT段中找到。既然Rebase需要写入数据到__DATA段，那也就意味着Copy-On-Write势必会发生，dirty page的创建，IO的开销也无法避免。

Binding是__DATA段对外部符号的引用。不过和Rebase不同的是，binding是靠字符串的匹配来查找符号表的，虽说没有多少IO，但是计算多，比Rebase慢。

使用如下命令可查看所有Resabe和Binding的修复:

xcrun dyldinfo -rebase -bind -lazy_bind NetworkTransport.app/NetworkTransport

Objc Runtime

简介

Objective-C runtime是Objc这款语言的运行时函数库(传送门，Runtime开源代码)，负责支持我们日常用到的各种动态特性，例如Target-Action，Associated Objects，Method Swizzling等。当然，功能觉不仅限于此，运行时库更像是一个桥阶层，帮助Objc和其他语言更好地协同工作。

Objc运行时库有很多的DATA数据结构，这些大都是系统类，这些系统类就会有很多的指针，例如指向其方法和超类。几乎所有的这些指针的修正都会在上一步完成。不过Objc runtime还需要做如下一些事情:

  1. 为每一个类生成一张函数表: 在Objc里我们可以使用字符串来初始化一个类，原理就是该类拥有函数表。
  2. 将分类(Category)里定义的扩展添加到函数表里: 如果分类override的原类的方法，则运行时会将其添加到函数表上方，调用时先用Category中定义的方法。
  3. 确保选择器的唯一性: 和上一个类似，Objc是依靠Selector的，所以确保其唯一性就保证了调用的正确性。
Load vs Initialize

在Objc时代，NSObject中有两个很特殊的方法: +load 和 +initialize，它们被用于类的初始化。

+load

当类或者是Category被添加到Objc Runtime时，+load方法即被调用。一个很典型的例子就是Method Swizzling，由于Apple”自底向上”的初始化策略，当我们想替换系统的某个实现时，一般都会在自定义的类中重写+load方法，实现相关代码，已达到替换的目的。

  • 父类+load方法 先于 子类+load方法执行;
  • 主类+load方法 先于 Category的+load方法执行;
  • 不同类+load方法调用顺序不确定。

下面我们来看看部分和+load方法相关的Objc runtime的源码，以加深对+load的理解。首先是文件objc-runtime-new.mm 中的 prepare_load_methods(header_info *hi) 函数：

void prepare_load_methods(const headerType *mhdr)
{
    size_t count, i;

    runtimeLock.assertLocked();

    classref_t *classlist = _getObjc2NonlazyClassList(mhdr, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        schedule_class_load(remapClass(classlist[i]));
    }

    category_t **categorylist = _getObjc2NonlazyCategoryList(mhdr, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        category_t *cat = categorylist[i];
        Class cls = remapClass(cat->cls);
        if (!cls) continue;  // category for ignored weak-linked class
        realizeClass(cls);
        assert(cls->ISA()->isRealized());
        add_category_to_loadable_list(cat);
    }
}

这个函数是将那些实现了+load方法的类和Category找出并实现(realized), 之后将其加入对应的loadable列表。其中 _getObjc2NonlazyClassList和 _getObjc2NonlazyCategoryList两个方法就是找出这样的类和Category。Non lazy意味着它们实现了+load方法，与之对应的则是lazy class，它们没有实现+load方法，所以不会在App启动的时候初始化，而是在收到第一次消息时初始化，可谓名副其实的懒加载。Mach-O的non lazy类可以在__DATA, __objc_nlclslist部分看到。

static void schedule_class_load(Class cls)
{
    if (!cls) return;
    assert(cls->isRealized());  // _read_images should realize

    if (cls->data()->flags & RW_LOADED) return;

    // Ensure superclass-first ordering
    schedule_class_load(cls->superclass);

    add_class_to_loadable_list(cls);
    cls->setInfo(RW_LOADED); 
}

prepare_load_methods中还调用到了schedule_class_load方法，在该方法里第9行我们可以看到: 函数对传入参数的父类进行了递归调用，以确保父类优先的顺序。

当类和Category准备好后，Objc runtime就可以对它们的+load方法调用了。打开文件objc-loadmethod.m，找到其中的call_load_methods函数。

void call_load_methods(void)
{
    static bool loading = NO;
    bool more_categories;
    
    loadMethodLock.assertLocked();
    
    // Re-entrant calls do nothing; the outermost call will finish the job.
    if (loading) return;
    loading = YES;
    
    void *pool = objc_autoreleasePoolPush();
    
    do {
        // 1. Repeatedly call class +loads until there aren't any more
        while (loadable_classes_used > 0) {
            call_class_loads();
        }
        
        // 2. Call category +loads ONCE
        more_categories = call_category_loads();
        
        // 3. Run more +loads if there are classes OR more untried categories
    } while (loadable_classes_used > 0  ||  more_categories);
    
    objc_autoreleasePoolPop(pool);
    
    loading = NO;
}

这个函数有两点值得注意:

  1. 第12行和第26行的auto release pool操作，这意味着我们在自定义+load方法是不需要自己添加autorelease的block，Objc runtime帮我们处理了。
  2. 第17行和第21行，类的+load先于Category调用。

我们来看下call_class_loads的实现，call_category_loads方法和它异曲同工，就不详细介绍了。

static void call_class_loads(void)
{
    int i;
    
    // Detach current loadable list.
    struct loadable_class *classes = loadable_classes;
    int used = loadable_classes_used;
    loadable_classes = nil;
    loadable_classes_allocated = 0;
    loadable_classes_used = 0;
    
    // Call all +loads for the detached list.
    for (i = 0; i < used; i++) {
        Class cls = classes[i].cls;
        load_method_t load_method = (load_method_t)classes[i].method;
        if (!cls) continue; 
        
        if (PrintLoading) {
            _objc_inform("LOAD: +[%s load]\n", cls->nameForLogging());
        }
        (*load_method)(cls, SEL_load);
    }
    
    // Destroy the detached list.
    if (classes) free(classes);
}

最关键的在第21行: (*load_method)(cls, SEL_load)。这意味着+load方法的调用不是我们熟知的 objc_msgSend(消息机制)，而是直接使用其内存地址的方式调用。这也意味着，父类、子类和分类中的+load方法的实现是被区别对待的。如果子类实现+load方法而父类没有实现，则父类中的+load方法不会被调用；如果主类和分类都实现了+load方法，则两个都会被调用，不过Category的+load方法会后调，这也为我们实现Swizzling提供了契机。

+initialize

+load方法在Swift中已经被废弃, 官方推荐使用+initialize来完成之前在+load中完成的事情。+initialize方法会在类或其子类收到第一条消息(方法调用)前调用。属于懒加载，节省系统资源，避免浪费。

Swift3.1废弃了该方法, 不过可以用Objc的Category做该Swift类的扩展，依旧可以使用该函数；纯Swift环境下也有替代方法，会在之后的文章中介绍。

打开objc-runtime-new.mm文件，找到lookUpImpOrForward方法:

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    ...
    
    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        runtimeLock.unlock();
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        runtimeLock.lock();
        // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 
        // then the messenger will send +initialize again after this 
        // procedure finishes. Of course, if this is not being called 
        // from the messenger then it won't happen. 2778172
    }
    
    ...
 }

当调用某个类的方法时，Objc runtime会使用这个函数去查找或者转发该消息。如果该类没有被初始化，则调用 _class_initialize方法来初始化。

void _class_initialize(Class cls)
{
    assert(!cls->isMetaClass());

    Class supercls;
    bool reallyInitialize = NO;

    // Make sure super is done initializing BEFORE beginning to initialize cls.
    // See note about deadlock above.
    supercls = cls->superclass;
    if (supercls  &&  !supercls->isInitialized()) {
        _class_initialize(supercls);
    }
    
    ...
    
#if __OBJC2__
        @try
#endif
        {
            callInitialize(cls);

            if (PrintInitializing) {
                _objc_inform("INITIALIZE: thread %p: finished +[%s initialize]",
                             pthread_self(), cls->nameForLogging());
            }
        }
        
        ...
}

第12行的递归调用保证了父类先于子类初始化；第21行调用callInitialize，代码如下:


void callInitialize(Class cls)
{
    ((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);
    asm("");
}

可以看出+initialize方法的调用和普通函数调用一样，走的都是发送消息的流程。也就是说，无论如何，父类的+initialize都会被调用，而且如果Category实现了+initialize方法，则会”覆盖”掉主类的+initialize方法(Category的实现在函数表中优先于主类)。

而且还带来一个问题: 如果子类没有实现+initialize方法，那么父类的+initialize方法会被调用多次。如果想确保自己的+initialize方法只执行一次的话，有两种方式:

  1. 判断当前Class是否是该类
  2. 使用dispatch once token(和初始化一个Singleton一样)

BTW, 无论是+load还是+initialize，都不需要在自己的实现里调用super load或者是super initialize。

Main函数的调用

dyld调用UIApplicationMain()。

总结下: 内核加载App和dyld到进程中，dyld加载所有依赖的dylibs，修正所有DATA page，之后Objc runtime初始化所有类，最后调用main函数。

如何优化App启动时间

熬过了理论部分，现在我们来看看如何将其应用到实际开发中，来提升我们App的启动速度。

Apple已有的优化

Apple的dyld 3(目前使用版本)与之前的dyld 2相比有了显著的优化。dyld 3由三个部分构成:

  • 进程无关的Mach-O解析器
  • 进程相关的启动回调引擎
  • 启动回调缓存服务

启动回调(Launch Closure)是dyld 3引进的一个新概念，它是指启动你App所有的必要信息。比方说: 你的App用到哪些动态库，指针偏移量，代码签名位置等等。

在dyld 2时代，所有我们之前提到的启动步骤都是发生在内核分配给你的进程中的(in-process); 而在dyld 3中，关于Mach-O文件的解析发生在App第一次安装或者是之后的更新过程中。解析过后，关于App启动的信息会被存到磁盘的某处，供App启动时使用。这两步大大提升了App加载的速度，系统库是有共享缓存的，所以加载速度不会慢，但我们自己App中也会有很多依赖库，每次根据@rpath查找，映射也是很耗时的工作，而且从App下载之后，这些依赖库也不会再变了，把它们放到out of process中实为明智之举。



上图中虚线以上部分就是App第一次下载或更新时dyld会做的事情。虚线以下就是当App加载到进程中后dyld会做的事情, 除了需要从缓存中读取和验证信息之外，其他步骤都是一样的。

Apple为什么要这样做？除了我们已经提到的性能优化，还有两个主要原因: 安全和可靠性。先说可靠性: 将这些步骤移出进程意味着dyld的大部分工作就像是一个普通的守护程序，Apple的工程师可以用标准工具去测试它，提升可靠性；至于安全性，Apple认为最容易被攻击的步骤是解析Mach-O头部和查询依赖库。攻击者可以搞乱App的@rpath路径，或者替换为其它library来完成@rpath confusion attacks。 所以Apple将其放入守护进程中加载。除此之外，符号表查找是另一项耗时工作，也完全可以放在进程外执行。因为除非更新软件和修改依赖库，否则该依赖库的符号表的内部偏移量是不会变的。

项目优化

在优化之前，我们需要知道如何测量启动时间，为什么启动时间会慢以及多长时间的启动时间是可被接受的。

推荐的启动时间

Apple推荐的启动时间是400ms, 当然最好是在App支持的最低配设备上达到这个标准。最长不要超过20s，否则系统会直接kill掉这个App。

如何测量启动时间

Apple提供一个内置的环境变量来记录App启动时间(pre-main): DYLD_PRINT_STATISTICS。 具体配置方法如下:



之后启动App，在console中就可看到如下信息:



值得一提的是: dyld很智能，它会自动扣除Debugger的插入时间，所以不用担心Dev版本时间与发布版本不同。
优化启动时间

基于上文的console信息，我们的优化可以从4个方面来开始:

第一: 减少动态库的依赖。在iOS平台下，尽量减少项目所依赖的动态库; 如果无法减少，尝试将不同动态库合并。在项目开发阶段，有些程序员偏爱创建CocoaTouch Framework，觉得分离出业务逻辑以及依赖资源对开发和以后维护都有好处。但是，当这样做的时候，也需要考虑下App的启动时间以及性能，是否值得这样做。Apple的WWDC2016(Session 406)给出了一个例子: 一个项目依赖26个动态库，dylibs加载时间是240毫秒; 当将其合并成2个动态库时，加载时间变为20毫秒，可以说性能显著提高。

第二: 减少指针的使用。从上图中我们可以发现, rebase和binding的时间占据了最多的时间消耗。也就是说dyld修复指针指向花费了300多毫秒。从上文我们知道，dyld修复的指针都位于__DATA段，所以我们需要做的很简单，减少项目中指针的使用。如何减少? 如果你的项目使用纯Objc开发，那就要适当减少类的个数，根据WWDC2016(Session 406)，Apple工程师的说法，项目中包含100，1000个类没什么太大的overhead，但要是5000到20000以上，则加载时间会多700到800毫秒。如果工程使用Swift居多，甚至是纯Swift，那么Apple建议能使用struct则使用struct，因为struct是值类型，不会引入指针(使用偏移量)。

第三: 优化Objc建立时间。这一步包含四个步骤:

  1. 注册类
  2. 更新类实例变量偏移(例如SDK更新)
  3. 注册Category
  4. 选择器的唯一性

这一步其实不用我们来优化，因为大部分的工作Apple已经帮我们做了，比方说ivar的偏移，这些会在rebase & binding步骤完成。

第四: 初始化。在iOS平台下，如果项目使用Objc编写，尽量少使用+load方法，如果非要使用, 替换为+initialize，延迟加载。如果项目已经使用Swift编写，那就没什么优化的了，Apple暗地里帮我们调用了他们自己的initializer(dispatch_once), 确保Swift class不会被初始化多次。

不过Apple给的启动时间的信息还是太少，除了前三步，最后一步其实是可以度量的。现在的iOS App很多都在使用Cocoapods或是Carthage加载第三方依赖库。如果我们想获得每一个这样的依赖库初始化耗时时间，该怎么做呢？简单说就是Swizzling +load方法加上Instrument Static Initializers工具来追踪时间消耗，具体步骤可以参考这篇文章: 如何精确度量 iOS App 的启动时间.

参考文献：
iOS App启动的奥秘

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