iOS App啓動流程——理論知識篇

1、Mach-O結構

1. Mach-O術語：

• Executable（可執行文件）
• Dylib（動態庫）
• Bundle —— iOS特有的動態庫，不可連接，只能運行時使用dlopen()

Image —— Executable、Dylib、Bundle都是 Image

Framework —— 帶有特殊目錄結構的Dylib，用來保存資源和頭文件。

2. Mach-O內部結構

Mach-O文件能夠分紅segment。一般大寫字母表示，例如__TEXT, __DATA, __LINKEDIT。

segment的大小由硬件決定的，是頁大小的整數倍。arm64的頁大小是16KB，其餘的是4KB。

• __TEXT：__TEXT位於文件的頭部，包含Mach header，機器指令以及readonly的常量，例如c字符串。
• __DATA：readwrite，包含全局變量
• __LINKEDIT：包含函數的名稱和地址相關的信息

3. Mach-O通用文件

爲32位和64位設備編譯會分別得到一個Mach-O文件。將兩個文件合併後會得到一個Mach-O通用文件，能夠同時運行在32位和64位的設備上。

Fat Header記錄其中的架構以及偏移位置。

2、虛擬內存

every problem can be solved by adding a level of indirection.

虛擬內存解決的問題是，多進程系統如何管理物理內存。

每一個進程是由物理內存頁映射的邏輯地址空間。這種映射並不是一一對應的，例如有的邏輯地址不對應物理內存空間，也有可能不一樣的邏輯地址對應着相同的物理內存。

Page fault

有些邏輯地址沒有對應的內存空間，當程序訪問該邏輯地址時，會觸發page fault。

此時內核就會停下當前的線程看下一步應該如何作。

共享內存

不一樣的進程中的邏輯地址空間能夠映射相同的物理內存空間，這兩個進程共享內存中的內容。

file backed pages

能夠經過mmap()調用，告訴虛擬內存，將文件中的某一片斷映射到進程中的某段地址空間，而不是將整個文件都讀進內存。沒當第一次訪問以前沒有訪問過的地址空間，都會觸發一個page fault，內核會從文件中讀取一頁。從而實現了文件的懶讀取，提高加載速度。

copy on write

當兩個進程訪問__DATA內容的時候，一個進程只讀，一個進程想要寫，這是就會出現copy on write。內核會將這一頁copy到新的地址空間，而後從新映射。這時，進程都有本身copy出來的這一頁。只讀的那一頁是clean page，拷貝出來的進行寫操做的這一頁叫作dirty page。dirty page意味着其中包含了進程相關的信息。對於clean page，內核以後能夠從新生成，從新從硬盤中讀取。dirty page代價更爲昂貴。

加載動態庫的過程

假設動態庫的大小爲8頁，兩個進程須要加載這個動態庫。

進程1：

1. dyld須要加載Mach-O的header，即圖中RAM1。發現沒有映射，因此觸發page fault，將RAM1讀取到物理內存中，而後映射到進程1的虛擬內存中。
   
2. dyld讀取Mach-O header，而後發現還須要一些信息在__LINKEDIT中。此時加載__LINKEDIT中的信息，觸發page fault，將RAM2讀取到物理內存中，而後映射到進程1的虛擬內存中。
3. dyld讀取__LINKEDIT內容，須要修改__DATA page的內容使動態庫可運行。此時同上，加載__DATA中的信息，觸發page fault，將RAM3讀取到物理內存中，而後映射到進程1的虛擬內存中。
4. 當dyld要往__DATA page中寫內容的時候，就會觸發copy on write。RAM3就變成的dirty page。

進程2：

1. dyld須要加載Mach-O的header，即圖中RAM1。內核會告訴dyld，內存中已經有這個頁了。直接映射到進程2的虛擬內存中，無需IO。
   
2. 同理，RAM2也是。
3. 讀取RAM3的時候，內核會查看RAM3的clean page依然在內存中，若是在，直接映射，若是不在，從新加載進內存。當dyld須要往__DATA page中寫內容的時候，就會觸發copy on write。RAM3就變成的dirty page。

只有dyld加載動態庫的時候，纔會須要__LINKEDIT，一旦完成後，__LINKEDIT中的內容能夠回收。

此時，一共用了2個dirty page 和1個clean page。若是是直接讀取整個文件到內容中，則一共產生了16個dirty page！

main()以前

參考

• 深刻理解iOS App的啓動過程
• WWDC 2016: Optimizing App Startup Time
• WWDC 2017: App Startup Time: Past, Present, and Future