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百度APP iOS端包体积优化系列文章的前六篇重点介绍了包体积优化整体方案、图片优化、资源优化、代码优化、无用类优化、HEIC图片优化实践和无用方法清理#xff0c;图片优化是从无用图片、Asset Catalog和HEIC格式三个角度做深度优化#xff1b;资源优化包括大资源…
一. 前言
百度APP iOS端包体积优化系列文章的前六篇重点介绍了包体积优化整体方案、图片优化、资源优化、代码优化、无用类优化、HEIC图片优化实践和无用方法清理图片优化是从无用图片、Asset Catalog和HEIC格式三个角度做深度优化资源优化包括大资源优化、无用配置文件和重复资源优化代码优化包括无用类优化、无用模块瘦身、无用方法瘦身、精简重复代码、工具类瘦身和AB实验固化。本文重点介绍编译器优化在百度APP实践中编译器优化包括GCC语言编译优化、Swift编译优化、LTO优化、剥离调试符号、剥离符号表、剔除未引用的代码、Asset 优化、C虚函数优化和三方SDK编译器方向瘦身。此外我们重点介绍了指令集架构优化、XCode升级优化和Swift内置动态库优化这三个模块优化的基础原理都涉及到编译器所以我们在此篇章一起介绍。
百度APP iOS端包体积优化实践系列文章回顾
1、《百度APP iOS端包体积50M优化实践(一)总览》
2、《百度APP iOS端包体积50M优化实践(二) 图片优化》
3、《百度APP iOS端包体积50M优化实践(三) 资源优化》
4、《百度APP iOS端包体积50M优化实践(四)代码优化》
5、《百度APP iOS端包体积50M优化实践(五)无用类优化和HEIC图片优化实践》
6、《百度APP iOS端包体积50M优化实践(六)无用方法清理》
二. 编译器优化
2.1 方案综述 2.2 GCC语言编译优化
2.2.1 综述
通过GCC编译优化产生体积更小的二进制产物对OC、C、C都有效果。
2.2.2 Objective C编译优化
对于Objective C采用XCode编辑和编译编译优化配置路径为Build Settings - Apple Clang - Code Generation - Optimize Level可选参数如下 Xcode的默认优化等级是-Os但我们使用了-Oz优化方式。在WWDC 2019的《What’s New in Clang and LLVM》中链接地址https://developer.apple.com/videos/play/wwdc2019/409/ 详细介绍了这种优化的原理。它通过识别编译单元中的跨函数相同代码序列来减少代码大小。重复的连续机器指令被外联成函数原始代码序列被替换为外联函数实现相同机器代码的瘦身但会增加函数调用栈的深度因此对性能有一定影响。随着时间的推移iPhone设备的硬件配置越来越高这种性能损失是可以承受的。下面是一个官方的demo示例来说明-Oz优化的原理。hasse函数和kakutani函数有相同的机器指令-Oz优化会生成OUTLINED_FUNCTION_O函数hasse和kakutani指向该函数从而降低包体积。 官方给出的收益是25%从实践效果来看编译优化参数 -Oz对Objective C编写的代码有10%的体积收益对CC有30%的体积收益。
2.2.3 CC编译优化
在iOS端许多底层模块都是使用C和C实现的例如网络库、播放内核、视觉处理和端智能等。同时这些模块也支持Android和iOS等多个平台。为了实现跨平台这些模块通常采用Cmake和GN这两种编译工具。Cmake是一种常见的跨平台编译工具其主要工作方式是通过读取CMakeLists.txt文件中的指令来生成相应的项目文件。而GN编译工具则是Generate Ninja的缩写是一种替代Cmake的编译工具。它由Google开源使用C编写主要实现交叉编译并且可以指定输出平台目标。
无论是使用CMake还是GN编译器的优化配置都是一样的。对于C语言cppFlags选项设置为’-Oz’而对于C语言cFlags选项设置为-Oz。
2.3 Swift编译优化
Swift编译优化有两个参数 Optimization Level 和Compliation Mode配合使用配置路径为Build Settings - Swift Compiler - Code Generation。 Optimization Level可选参数值如下所示 Optimize for Size的核心原理与前面介绍的GCC语言编译优化中的-Oz优化原理相同都是通过对重复的连续机器指令进行外联并复用从而降低编译产物的大小。不过这种优化方式也会对性能产生一定影响但在当前的硬件设备条件下这种影响可以忽略不计。
Compliation Mode可选参数值如下所示 Optimize for Size[-Osize]和 Whole Module 同时开启会发挥最佳效果从实践中可以看到它会减少10%的swift包体积大小。
2.4 LTO优化
LTO即Link Time Optimization是苹果官方提出的一种优化策略。根据官方解释LTO是对整个程序代码进行的一种优化方式是在LLVM编译器中在链接阶段进行跨模块间的优化。通过这种优化编译器可以将部分函数内联化去除未被调用的冗余代码并进行整体优化从而使程序运行得更快这些优化措施可以有效降低程序的代码大小和提高程序执行效率。
配置路径为Build Settings - Apple Clang - Code Generation - Link-Time Optimization设置值为Incremental需要在主工程以及要优化的Framework都开启。 LTO的优化效果体现在以下三个方面
1、函数内联化
LTO可以将一些函数内联化即在编译时将函数调用的代码直接嵌入到调用点以减少函数调用的开销。这可以提高程序的执行效率。
2、去除无用代码
LTO可以识别并去除程序中无用的代码例如未使用的变量、函数和类等。这可以减少生成的二进制文件的大小从而提高程序的加载速度和运行效率。
3、全局优化作用
LTO对程序进行全局优化可以识别并优化程序中不可能执行的代码分支。例如如果一个if语句的某个分支永远不会被执行LTO会将其从生成的二进制文件中移除这可以提高程序的执行效率和代码质量。
LTO的负面影响包括
1、降低Link Map的可读性
Link Map是链接器生成的一种文件它描述了目标文件之间的链接关系。在使用LTO时由于进行了全局优化生成的Link Map中的类名可能会以数字开头如0.arm64.thinlto.o这使得Link Map的可读性明显降低。如果需要阅读Link Map需要先关闭LTO。
2、增加编译和链接时间
开启LTO会导致编译和链接过程变得更加耗时。这是因为在链接阶段LTO会进行大量的全局优化这需要更多的计算资源和时间。对于线上打包或线下编译这会导致更长的耗时。
2.5 剥离调试符号 Symbols Hidden by Default用于设置符号默认可见性如果设置为YESXCode会把所有符号都定义为”private extern”包大小会略有减少。动态库设置为NO否则会有链接错误。
2.6 剥离符号表
配置路径为Build Settings - Strip Linked Product选择属性值为YES。 Strip Linked Product 来去除不需要的符号信息 去除了符号信息之后我们只能使用 dSYM 文件进行符号化因此需要将 “Debug Information Format” 修改为 “DWARF with dSYM file”。 Strip Debug Symbols During Copy与 Strip Linked Product 原理类似主要是去除拷贝到项目中的第三方库的符号表。只需在Release 模式下设置为“YES”而调试模式下仍为“NO”否则无法对第三方库进行带有符号化的断点调试。 2.7 剔除未引用的代码
配置路径为Build Settings - Dead Code Stripping选择属性值为YES。 该优化主要是在链接时将 C、C、Swift 等静态语言无用代码从安装包剔除但在处理Objective-C时无效因为Objective-C 是动态语言基于Runtime机制编译静态编译判定为无用代码可能在运行时使用。
2.8 Asset优化
Asset编译优化配置路径为Build Settings - Asset Catalog Compiler - Optimization。 Optimization可选参数值如下所示 选择Space可以从一定程度优化包大小收益较小。
2.9 C减少虚函数的使用
减少虚函数的使用实际上可以减少虚函数表所占用的空间从而减小程序包的大小。虚函数表是一种用于实现动态绑定的数据结构其中存储了指向一个类的虚函数的指针。因此减少虚函数的使用可以减少这些指针的数量从而减小虚函数表的大小最终减小程序包的大小。
2.10 三方SDK编译器瘦身
上面已经详细介绍了编译器的配置方式及其优化原理但仅仅修改主工程的优化设置是不足以实现最佳效果的。为了达到最佳优化效果每个框架Framework都必须按照上述配置进行相应的调整。这意味着在每个框架的构建配置中都需要启用优化并将编译器参数设置为适当的值以实现所需的具体优化效果。同时还需要确保每个框架使用的库和依赖项也已正确配置以确保它们能够与编译器优化一起正常工作。总之为了使编译器优化真正发挥作用需要对每个框架进行必要的配置和微调。
百度APP作为一款旗舰级应用内部集成了众多第三方SDK例如百度地图、百度网盘、度小满等。因此需要推动这些第三方SDK业务方对其编译器进行优化以实现应用瘦身。这些优化可以包括但不限于图片优化、资源优化、代码优化等。通过这些优化措施可以有效地减小应用的大小和提升其性能使用户获得更好的使用体验。
三. 指令集架构优化
3.1 iPhone常用指令集架构
iPhone手机采用的都是低功耗的arm处理器arm指令集架构分为armv6, armv7, armv7s arm64四种类型保持向下兼容如设备iphone13支持arm64但是对于armv7也是支持的但是armv7无法发挥iPhone13设备的更好的硬件属性。模拟器无法运行arm的指令集运行的是x86指令集32位处理器支持的是I386指令集64位模拟器支持的是x86_64架构不同设备支持的指令集架构如下所示。 随着硬件设备的不断更新早期设备如 iPhone4、iPhone5 和 iPad的市场占有率已经变得微不足道。因此对于移动设备我们只需要支持 arm64 架构即可。同理对于模拟器我们只需要支持 x86_64 架构从包体积的优化的角度来看目前我们的每个库只需要支持arm64和 x86_64 架构其他架构没必要支持。
优化指令集架构可以减小上传到AppStore的包体积但对用户下载的包大小没有优化效果。这是因为苹果的App Thinning机制根据不同设备型号的硬件架构生成不同的编译产物因此不同设备的用户从AppStore下载的包也会有所不同。
3.2 指令集架构设置 Architectures选项Build Settings - Architectures值为Standard architectures - $(ARCHS_STANDARD)在真机的编译下实质是armv7和arm64在模拟器的时候是x86_64,i386,arm64 Build Active Architectures Only选项Build Settings - Build Active Architectures Only当其值为Yes时表示只编译当前一个架构真机的话一般是arm64, 模拟器是x86_64, 如果为No的时那就是同时编译第一支持的架构 Excluded Architectures选项Build Settings - Excluded Architectures其值是要排除的架构例如如果将其设为arm64表示产物里面没有arm64架构 3.3 去除无用架构
通过 lipo 命令从老的framework中的mach-o文件拆分出指定架构二进制文件然后合并最后用合并后的二进制文件替换老的framework的mach-o文件。
用lipo -info命令查看framework包含的指令集架构信息如下所示AbcSDK.framework支持的指令集是x86_64、i386、arm64和armv7 lipo -info AbcSDK.framework/AbcSDK Architectures in the fat file: AbcSDK.framework/AbcSDK are: x86_64 i386 arm64 armv7
lipo命令抽取指定架构如下所示从AbcSDK.framework抽取出arm64架构放在AbcArm64抽取出x86_64架构放在AbcArmX86_64。
lipo AbcSDK.framework/AbcSDK -thin arm64 -output AbcArm64lipo AbcSDK.framework/AbcSDK -thin x86_64 -output AbcArmX86_64
验证 AbcArm64和 AbcArmX86_64架构信息
lipo -info AbcArm64Non-fat file: AbcArm64 is architecture: arm64lipo -info AbcArmX86_64Non-fat file: AbcArmX86_64 is architecture: x86_64
lipo命令合并架构合并AbcArm64和AbcArmX86_64生成新的newAbc按预期newAbc有两个架构x86_64和arm64用lipo -info命令验证。
// 合成x86_64和arm64lipo -create AbcArm64 AbcArmX86_64 -output newAbclipo -info newAbcArchitectures in the fat file: newAbc are: x86_64 arm64替换原先的二进制文件经过上面这些操作将有x86_64、i386、arm64和armv7四种指令集架构的AbcSDK.framework瘦身变成了只支持x86_64和arm64两种指令集的组件。
mv -f newAbc AbcSDK.framework/AbcSDK四. XCode升级优化
苹果公司一直致力于提高开发者的生产力每年都会推出新版本的XCode并对其进行大量的优化。在包体积方面他们也采取了积极的措施。例如在22年10月发布的Xcode 14不仅具备全新的增强功能更拥有更强大的并行编译能力能够显著提高项目构建速度。同时对包体积的优化也相当明显。
为了寻找Xcode 14优化包体积的具体技术点看了很多WWCD资料终于在官方文档《improve app size and runtime performance》找到答案链接地址为https://developer.apple.com/videos/play/wwdc2022/110363/#Xcode 14从以下三个方面进行了优化包体积 Meesage send 函数调用占用从 12 bytes 降低到 8 bytes Retain and release 函数调用占用从 8 字节降低到 4 字节 autorelease优化移除自动释放省略中的 mov 指令体积降低 4 bytes
五. Swift内置动态库优化
自2014年WWDC发布以来在苹果公司的强力推动下Swift语言取得了显著的发展。其优点代表着iOS开发的发展趋势随着使用率的不断提升Swift有望最终取代Objective-C成为iOS开发的首选语言。目前Swift已经成为各大公司和应用程序的必备开发语言国内日活跃用户排名前二十的APP中除了拼多多以外其他公司都已经采用了Swift进行开发。
然而在只要采用Swift语言开始开发就会发现iPA包中新增了Swift系统库。这是因为对于低于iOS12.2的系统没有内置的Swift系统库因此XCode在打包生成iPA包时会一并包含Swift库在iPA包的Frameworks动态库目录发现如下Swift系统库。 更进一步来说如果APP自带的WatchApp也使用了Swift语言那么在Watch的动态库中还会有一份Swift系统库这样iPA包中就会包含两份内置库。
优化方法非常简单只需将APP支持的最低版本修改为12.2即可。因为12.2及以上的系统自带Swift系统库不需要在APP内置。在百度APP包体积优化实践中发现优化后iPA包体积减少30M30M动态库已经在ipa包不存在提交AppStore后从connect后台看数据有如下收益 iPhoneX 及以下的机型如iPhoneX、iPhone8、iPhone7安装包体积减少20M下载包大小减少10M iPhoneX以上的机型如iPhone11、iPhone12iPhone13没收益苹果自身做了优化我们再做这个优化价值不会体现
对于百度APP来说iPhoneX及以下机型的占比不到5%但是提高APP支持的最低版本号会导致部分用户流失。综合考虑这两个因素决定不采用Swift内置动态库的优化方案。
六. 总结
相比于代码优化、资源优化和图片优化编译器优化在包体积优化中的投资回报率ROI是最高的。然而编译器优化的影响范围也是最大的因为每个库的编译器配置修改会影响该库的所有代码。因此必须对优化质量进行严格控制。在百度APP的优化实践过程中编译器方向的优化成功减少了30M的包体积实现了自身库的全部收益此外按照体积排名的前15个三方SDK也全部实现了此收益。
本文系统介绍了百度APP的编译器优化方案包括GCC语言编译优化、Swift编译优化、LTO优化、剥离调试符号、剥离符号表、剔除未引用的代码、Asset优化、C虚函数优化和三方SDK编译器方向瘦身等多种手段。此外还介绍了指令集架构优化、XCode升级优化和Swift内置动态库优化等其他优化方案。后续我们会针对其他优化详细介绍其原理与实现敬请期待。
——END——
参考资料
[1]gcc编译器配置https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html
[2]LTO使用方法https://llvm.org/docs/LinkTimeOptimization.html
[3]XCode https://developer.apple.com/library/archive/documentation/DeveloperTools/Reference/XcodeBuildSettingRef/1-Build_Setting_Reference/build_setting_ref.html#//apple_ref/doc/uid/TP40003931-CH3-SW102
[4]What’s New in Clang and LLVMhttps://developer.apple.com/videos/play/wwdc2019/409/
[5]XCode14介绍https://developer.apple.com/documentation/xcode-release-notes/xcode-14-release-notes
[6]improve app size and runtime performancehttps://developer.apple.com/videos/play/wwdc2022/110363/#
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