【iOS】OC底层系列十八 - 性能优化

面试题1：你在项目中是怎么优化内存的？

面试题2：优化你是从哪几方面着手？

面试题3：列表卡顿的原因可能有哪些？你平时是怎么优化的？

面试题4：遇到tableView卡顿嘛？会造成卡顿的原因大致有哪些？

一、CPU和GPU

在屏幕成像的过程中，CPU和GPU起着至关重要的作用。

• CPU（Central Processing Unit，中央处理器）：对象的创建和销毁、对象属性的调整、布局计算、文本的计算和排版、图片的格式转换和解码、图像的绘制（Core Graphics）等。
• GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）：纹理的渲染。

CPU把数据计算出来给到GPU，GPU负责把数据渲染到帧缓存中（在iOS中是双缓冲机制，有前帧缓存、后帧缓存），然后由视频控制器读取帧缓存中的缓存数据，最终显示到屏幕上。

双缓冲虽然能解决效率问题，但会引入一个新的问题。当视频控制器还未读取完成时，即屏幕内容刚显示一半时，GPU 将新的一帧内容提交到帧缓冲区并把两个缓冲区进行交换后，视频控制器就会把新的一帧数据的下半段显示到屏幕上，造成画面撕裂现象。

为了解决这个问题，GPU 通常有一个机制叫做垂直同步（简写也是 V-Sync），当开启垂直同步后，GPU 会等待显示器的 VSync 信号发出后，才进行新的一帧渲染和缓冲区更新。这样能解决画面撕裂现象，也增加了画面流畅度，但需要消费更多的计算资源，也会带来部分延迟。

二、卡顿优化

界面卡顿的原因以及优化方案强烈推荐、强烈推荐、强烈推荐：http://blog.ibireme.com/2015/11/12/smooth_user_interfaces_for_ios/（iOS 保持界面流畅的技巧 — 作者YYKit）。

2.1. 卡顿产生的原因

在 VSync 信号到来后，系统图形服务会通过 CADisplayLink 等机制通知 App，App 主线程开始在 CPU 中计算显示内容，比如视图的创建、布局计算、图片解码、文本绘制等。随后 CPU 会将计算好的内容提交到 GPU 去，由 GPU 进行变换、合成、渲染。随后 GPU 会把渲染结果提交到帧缓冲区去，等待下一次 VSync 信号到来时显示到屏幕上。由于垂直同步的机制，如果在一个 VSync 时间内，CPU 或者 GPU 没有完成内容提交，则那一帧就会被丢弃，等待下一次机会再显示，而这时显示屏会保留之前的内容不变。这就是界面卡顿的原因。

从上面的图中可以看到，CPU 和 GPU 不论哪个阻碍了显示流程，都会造成掉帧现象。所以开发时，也需要分别对 CPU 和 GPU 压力进行评估和优化。

卡顿解决的主要思路：尽可能减少CPU、GPU资源消耗。

按照60FPS的刷帧率，每隔16ms（1s = 1000ms，1000ms/60fps ≈ 16.66ms）左右就会有一次VSync信号。

2.2. 卡顿优化

2.2.1. CPU优化

• 尽量用轻量级的对象，比如用不到事件处理的地方，可以考虑使用CALayer取代UIView。
• 不要频繁地调用UIView的相关属性，比如frame、bounds、transform等属性，尽量减少不必要的修改。
• 尽量提前计算好布局，在有需要时一次性调整对应的属性，不要多次修改属性。
• Autolayout会比直接设置frame消耗更多的CPU资源。
• 图片的size最好刚好跟UIImageView的size保持一致。
• 控制一下线程的最大并发数量。
• 尽量把耗时的操作放到子线程，比如文本处理（尺寸计算、绘制）、图片处理（解码、绘制）。

2.2.2. GPU优化

• 尽量避免短时间内大量图片的显示，尽可能将多张图片合成一张进行显示。
• GPU能处理的最大纹理尺寸是4096x4096，一旦超过这个尺寸，就会占用CPU资源进行处理，所以纹理尽量不要超过这个尺寸。
• 尽量减少视图数量和层次。
• 减少透明的视图（alpha<1），不透明的就设置opaque为YES。
• 尽量避免出现离屏渲染。

2.2.3. 离屏渲染

在OpenGL中，GPU有2种渲染方式：

• On-Screen Rendering：当前屏幕渲染，在当前用于显示的屏幕缓冲区进行渲染操作。
• Off-Screen Rendering：离屏渲染，在当前屏幕缓冲区以外新开辟一个缓冲区进行渲染操作。

离屏渲染消耗性能的原因：

1. 需要创建新的缓冲区。

2. 离屏渲染的整个过程，需要多次切换上下文环境，先是从当前屏幕（On-Screen）切换到离屏（Off-Screen）；等到离屏渲染结束以后，将离屏缓冲区的渲染结果显示到屏幕上，又需要将上下文环境从离屏切换到当前屏幕。

哪些操作会触发离屏渲染？

• 光栅化，layer.shouldRasterize = YES
• 遮罩，layer.mask
• 圆角，同时设置layer.masksToBounds = YES、layer.cornerRadius大于0
  • 可以通过CoreGraphics绘制裁剪圆角，或者叫美工提供圆角图片来避免离屏渲染
• 阴影，layer.shadowXXX，如果设置了layer.shadowPath就不会产生离屏渲染

2.3. 卡顿检测

“卡顿”主要是因为在主线程执行了比较耗时的操作。

可以添加Observer到主线程RunLoop中，通过监听RunLoop状态切换的耗时，以达到监控卡顿的目的。

三、耗电优化

耗电的主要来源：CPU处理（Processing）、网络（Networking）、定位（Location）、图像（Graphics）。因此可以针对这几个来源进行代码优化。

• 尽可能降低CPU、GPU功耗

• 少用定时器

• 优化I/O操作

  • 尽量不要频繁写入小数据，最好批量一次性写入。
  • 读写大量重要数据时，考虑用dispatch_io，其提供了基于GCD的异步操作文件I/O的API。用dispatch_io系统会优化磁盘访问。
  • 数据量比较大的，建议使用数据库（比如SQLite、CoreData）。

• 网络优化

  • 减少、压缩网络数据。
  • 如果多次请求的结果是相同的，尽量使用缓存。
  • 使用断点续传，否则网络不稳定时可能多次传输相同的内容。
  • 网络不可用时，不要尝试执行网络请求。
  • 让用户可以取消长时间运行或者速度很慢的网络操作，设置合适的超时时间。
  • 批量传输，比如，下载视频流时，不要传输很小的数据包，直接下载整个文件或者一大块一大块地下载。如果下载广告，一次性多下载一些，然后再慢慢展示。如果下载电子邮件，一次下载多封，不要一封一封地下载。

• 定位优化

  • 如果只是需要快速确定用户位置，最好用CLLocationManager的requestLocation方法。定位完成后，会自动让定位硬件断电。
  • 如果不是导航应用，尽量不要实时更新位置，定位完毕就关掉定位服务。
  • 尽量降低定位精度，比如尽量不要使用精度最高的kCLLocationAccuracyBest。
  • 需要后台定位时，尽量设置pausesLocationUpdatesAutomatically为YES，如果用户不太可能移动的时候系统会自动暂停位置更新。
  • 尽量不要使用startMonitoringSignificantLocationChanges，优先考虑startMonitoringForRegion:。

• 硬件检测优化

  • 用户移动、摇晃、倾斜设备时，会产生动作(motion)事件，这些事件由加速度计、陀螺仪、磁力计等硬件检测。在不需要检测的场合，应该及时关闭这些硬件。

四、APP启动优化

APP的启动可以分为2种

• 冷启动（Cold Launch）：从零开始启动APP。
• 热启动（Warm Launch）：APP已经在内存中，在后台存活着，再次点击图标启动APP。

APP启动时间的优化，主要是针对冷启动进行优化：通过添加环境变量可以打印出APP的启动时间分析（Edit scheme -> Run -> Arguments），DYLD_PRINT_STATISTICS设置为1。如果需要更详细的信息，那就将DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS设置为1。

APP的冷启动可以概括为3大阶段：dyld、runtime、main。

dyld（dynamic link editor）：Apple的动态链接器，可以用来装载Mach-O文件（可执行文件、动态库等）。

启动APP时，dyld所做的事情有：

• 装载APP的可执行文件，同时会递归加载所有依赖的动态库。
• 当dyld把可执行文件、动态库都装载完毕后，会通知Runtime进行下一步的处理。

runtime：运行时。到此为止，可执行文件和动态库中所有的符号(Class，Protocol，Selector，IMP，…)都已经按格式成功加载到内存中，被runtime 所管理。

启动APP时，runtime所做的事情有：

• 调用map_images进行可执行文件内容的解析和处理。

• 在load_images中调用call_load_methods，调用所有Class和Category的+load方法。

• 进行各种objc结构的初始化（注册Objc类 、初始化类对象等等）。

• 调用C++静态初始化器和__attribute__((constructor))修饰的函数。

main：程序入口函数。

APP的启动由dyld主导，将可执行文件加载到内存，顺便加载所有依赖的动态库，并由runtime负责加载成objc定义的结构。所有初始化工作结束后，dyld就会调用main函数，接下来就是UIApplicationMain函数，AppDelegate的application:didFinishLaunchingWithOptions:方法。

可以针对APP启动的不同阶段进行优化：

• dyld

  • 减少动态库、合并一些动态库（定期清理不必要的动态库）。
  • 减少Objc类、分类的数量、减少Selector数量（定期清理不必要的类、分类）。
  • 减少C++虚函数数量。
  • Swift尽量使用struct。

• runtime

  • 用+initialize方法和dispatch_once取代所有的__attribute__((constructor))、C++静态构造器、ObjC的+load。

• main

  • 在不影响用户体验的前提下，尽可能将一些操作延迟，不要全部都放在finishLaunching方法中
    按需加载

五、安装包优化

安装包（IPA）主要由可执行文件、资源组成。

对安装包的优化主要是瘦身，减少安装包的体积。

• 资源（图片、音频、视频等）

  • 采取无损压缩。
  • 去除没有用到的资源： https://github.com/tinymind/LSUnusedResources。

• 可执行文件瘦身

  • 编译器优化
    • Strip Linked Product、Make Strings Read-Only、Symbols Hidden by Default设置为YES
    • 去掉异常支持，Enable C++ Exceptions、Enable Objective-C Exceptions设置为NO， Other C Flags添加-fno-exceptions

• 利用AppCode（https://www.jetbrains.com/objc/）检测未使用的代码：`菜单栏 -> Code -> Inspect Code`

• 编写LLVM插件检测出重复代码、未被调用的代码

生成LinkMap文件，可以查看可执行文件的具体组成。

把Write Link Map File设置为YES，编译项目后就会自动往Path to Link Map File设置的地址生成LinkMap文件。

也可借助第三方工具解析LinkMap文件： https://github.com/huanxsd/LinkMap。

参考资料：

1. CPU和GPU的简单介绍：https://www.sohu.com/a/227394594_468626

2. iOS 保持界面流畅的技巧（YYKit作者）：http://blog.ibireme.com/2015/11/12/smooth_user_interfaces_for_ios/