监控所有的OC方法耗时

发表于 2019-06-27

1. 1.1版本：增加耗时方法排序功能和耗时方法中调用次数排序功能（已做）

1. 1.2版本：优化代码质量和性能问题（未做）
2. 1.3版本：增加打印卡顿时候，所有线程堆栈 （未做）

欢迎大家关注我的掘金主页，我后面会以掘金为主；有文章先发在掘金上，然后同步到自己博客上来。

看了戴铭大神App 启动优化与监控 ，受益良多。我运用其中的hook objc_msgSend思想，写一个监控App里所有耗时的OC方法，以便以后开发过程中，能时刻监控App耗时性能问题。本文主要包含两方面：1、高性能hook objc_msgSend（我看了许多hook objc_msgSend，发现都没把性能做到极致。）；2、把耗时OC方法的调用堆栈打印出来。

如果对arm64和iOS ABI，还不是很了解，请看我前两篇文章。

点击这里请在github上下载。

把文件夹里的代码放到项目里，运行App时，摇一摇手机，就可以看到所有的OC方法耗时堆栈。

适用机型 （arm64的机型）

由于现在手机基本都是iPhone5s和更新的iPhone手机；而且性能问题本来就需要在真机上测试。因此只支持iPhone5s及更新的真机（arm64的iPad也适用），不适用模拟器，

高性能hook objc_msgSend

__attribute__((__naked__))
static void fake_objc_msgSend_safe()
{
    // backup registers
    __asm__ volatile(
                     "str x8,  [sp, #-16]!\n"  //arm64标准：sp % 16 必须等于0
                     "stp x6, x7, [sp, #-16]!\n"
                     "stp x4, x5, [sp, #-16]!\n"
                     "stp x2, x3, [sp, #-16]!\n"
                     "stp x0, x1, [sp, #-16]!\n"
                     );
    // prepare args and call func
    __asm volatile (
                    /*
                     hook_objc_msgSend_before(id self, SEL sel, uintptr_t lr)
                     x0=self  x1=sel x2=lr
                     */
                    "mov x2, lr\n"
                    "bl _hook_objc_msgSend_before"
                    );

// restore registers
    __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"
                    "ldr x8,  [sp], #16\n"
                    );

call(blr, orgin_objc_msgSend)

// backup registers
    __asm__ volatile(
                     "str x8,  [sp, #-16]!\n"  //arm64标准：sp % 16 必须等于0
                     "stp x6, x7, [sp, #-16]!\n"
                     "stp x4, x5, [sp, #-16]!\n"
                     "stp x2, x3, [sp, #-16]!\n"
                     "stp x0, x1, [sp, #-16]!\n"
                     );

__asm volatile (
                    "bl _hook_objc_msgSend_after"
                    );

__asm volatile (
                    "mov lr, x0\n"
                    );

// restore registers
    __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"
                    "ldr x8,  [sp], #16\n"
                    );

__asm volatile ("ret");
}

hook基本步骤

1. 保存寄存器。
2. 调用hook_objc_msgSend_before （保存lr和记录函数调用开始时间）
3. 恢复寄存器。
4. 调用objc_msgSend
5. 保存寄存器。
6. 调用hook_objc_msgSend_after （返回lr和函数结束时间减去开始时间，得到函数耗时）
7. 恢复寄存器。

为什么要用stack保存LR

1. hook objc_msgSend里面调用了hook_objc_msgSend_before和hook_objc_msgSend_after函数，会覆盖LR寄存器，导致函数ret时候，不知道LR值，所以需要保存LR。
2. objc_msgSend是可变参数函数，栈内存可能用到。所以也不能放栈内存里，只有构造一个stack。可保证函数的push和pop是一一对应的。
3. 需要注意的是，保存LR的stack，每个线程都对应一个stack。（原因也是为了保证函数的push和pop是一一对应），所以引入了线程局部变量，pthread_setspecific(pthread_key_t , const void * _Nullable)和pthread_getspecific(pthread_key_t)函数，根据key，来设置和获取线程局部变量。

保存寄存器注意点

只需保存x0-x8，因为调用hook_objc_msgSend_before和hook_objc_msgSend_after，调用过程中可能会修改到这些寄存器。浮点数寄存器这两函数不会用到，不需要保存；x9等临时寄存器，不需要保存。

调用hook_objc_msgSend_before

由于函数hook_objc_msgSend_before(id self, SEL sel, uintptr_t lr)，有三个参数，其中x0和x1已经存放self和SEL了，只需要设置第三个参数x2=lr。

调用hook_objc_msgSend_after

hook_objc_msgSend_after返回值是lr，返回值此时存放在x0里，所以lr=x0。

hook性能优化

1. 由于App卡顿，绝大部分都是因为主线程卡顿造成，所以我们只需要监控主线程里运行的所有OC方法。但是hook objc_msgSend是hook所有的OC方法。网上很多hook方法都是把记录函数调用和保存LR放在一个stack里，最终调用hook_objc_msgSend_after时候，也只会统计主线程的耗时情况。

我用两个stack，一个专门存放LR值；另一个记录函数调用。避免子线程中OC方法的调用记录。

void hook_objc_msgSend_before(id self, SEL sel, uintptr_t lr)
{
    if (CallRecordEnable && pthread_main_np()) {
        //仅仅主线程记录函数调用
        pushCallRecord(object_getClass(self), sel);
    }
    //存放LR值
    setLRRegisterValue(lr);
}

1. 支持设置记录的最大深度和最小耗时；超过这个深度和小于最小耗时的函数不记录。

记录OC方法耗时，需要记录的信息

typedef struct {
    Class cls;   //通过类可知道类名和方法是类方法还是实例方法（类是元类，说明是类方法）
    SEL sel;  //可知道方法名
    uint64_t costTime; //单位：纳秒（百万分之一秒）
    int depth;  
} TPCallRecord;

1. x0中是self，通过self可以获得Class。
2. x1中是sel
3. 通过函数开始时间和结束时间，可以获得耗时
4. 通过记录栈的深度，获得函数的深度。（注意：这里的深度是相对深度，因为我们仅记录部分OC方法的耗时）

把耗时OC方法的调用堆栈打印出来

获取的函数记录部分打印出来如下：

深度      耗时            方法名
　4　|　6.361ms　|　　　　　+[Utility　　isPbPackage]
　3　|　6.782ms　|　　　　-[SharedLib　　implIsJailBrokenIPA]
　2　|　  6.8ms　|　　　-[SharedLib　　isJailBrokenIPA]
　1　|　7.765ms　|　　+[OnlineSettingHelper　　sharedInstance]
　2　|　2.143ms　|　　　-[OnlineSettingHelper4AppStore　　all]
　1　|　2.527ms　|　　-[OnlineSettingHelper4AppStore　　defaultUserAgent4SDWebImage]
　1　|　1.264ms　|　　+[SDWebImageManager　　sharedManager]
　0　|　11.56ms　|　-[AppDelegate　　setUAForSDWebImageView]
　.....

由于函数调用的栈是先进后出，根函数肯定是最后被记录，叶子函数最先被记录；并且同一层的函数，是先进先出。那我们如何还原成人更容易理解的函数调用堆栈呢？

1. 第一步，从上往下，标记这个深度的记录，出现的次数。

深度 相同深度出现次数 耗时 方法名 4 1 … +[Utility　　isPbPackage]

3 1 … -[SharedLib　　implIsJailBrokenIPA]

2 1 … -[SharedLib　　isJailBrokenIPA]

1 1 … +[OnlineSettingHelper　　sharedInstance]

2 2 … -[OnlineSettingHelper4AppStore　　all]

1 2 … -[OnlineSettingHelper4AppStore　　default…

1 3 … +[SDWebImageManager　　sharedManager]

0 1 … -[AppDelegate　　setUAForSDWebImageView]

1. 第二步，从下往上，从根函数开始，深度递增，出现次数相同的记录，挑选出来。得到：

深度      耗时            方法名
 0　|　11.56ms　|　-[AppDelegate　　setUAForSDWebImageView]
 1　|　7.765ms　|　　+[OnlineSettingHelper　　sharedInstance]
 2　|　  6.8ms　|　　　-[SharedLib　　isJailBrokenIPA]
 3　|　6.782ms　|　　　　-[SharedLib　　implIsJailBrokenIPA]
　4　|　6.361ms　|　　　　　+[Utility　　isPbPackage]
　.....

1. 第三步，从最上面一个没有挑选的记录区域（挑选的记录，把整个记录分割成多个未选择的区域。），递归第二步。这个例子比较特殊，只有剩下一个未选择的区域（如果中间被选择了，那就分成多个区域）如下：

深度      耗时            方法名
　2　|　2.143ms　|　　　-[OnlineSettingHelper4AppStore　　all]
　1　|　2.527ms　|　　-[OnlineSettingHelper4AppStore　　defaultUserAgent4SDWebImage]
　1　|　1.264ms　|　　+[SDWebImageManager　　sharedManager]
　.....

深度      耗时            方法名
 0　|　11.56ms　|　-[AppDelegate　　setUAForSDWebImageView]
 1　|　7.765ms　|　　+[OnlineSettingHelper　　sharedInstance]
 2　|　  6.8ms　|　　　-[SharedLib　　isJailBrokenIPA]
 3　|　6.782ms　|　　　　-[SharedLib　　implIsJailBrokenIPA]
　4　|　6.361ms　|　　　　　+[Utility　　isPbPackage]
　1　|　2.527ms　|　　-[OnlineSettingHelper4AppStore　　defaultUserAgent4SDWebImage]
　2　|　2.143ms　|　　　-[OnlineSettingHelper4AppStore　　all]
　1　|　1.264ms　|　　+[SDWebImageManager　　sharedManager]
　.....

这个工具我后面将持续更新，加入其它功能，更加方便开发过程中使用。假如它对你有益，不妨github上给个star~

引用和参考

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