面试题：Objective-C在iOS应用的深层次性能优化策略

Question

当iOS应用在启动、滚动列表、加载大量数据等场景下出现性能瓶颈，结合Objective-C语言特性，从底层运行机制、与系统框架交互等方面详细说明优化方法，比如如何利用Objective-C的runtime机制进行动态优化，以及在多线程环境下如何利用GCD与NSOperationQueue优化性能。

Answer 1

启动优化

1. 减少启动时的计算任务：
   • 在AppDelegate的application:didFinishLaunchingWithOptions:方法中，避免执行复杂的计算任务，如大量的初始化逻辑、数据预处理等。将非必要的任务延迟到用户操作或者后台线程执行。
   • 例如，如果有一些数据需要从本地文件读取并进行复杂解析，可以使用dispatch_async将其放到后台队列中执行。

   dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
       // 复杂的数据读取和解析逻辑
       NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"data" ofType:@"txt"];
       NSString *dataString = [NSString stringWithContentsOfFile:filePath encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
       // 解析数据
       NSArray *parsedData = [dataString componentsSeparatedByString:@","];
       // 处理完后回到主线程更新UI（如果需要）
       dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
           // 更新UI
       });
   });
   

2. 优化动态库加载：
   • 尽量减少动态库的依赖，动态库加载会增加启动时间。如果必须使用动态库，确保其初始化过程简单高效。
   • 对于Objective - C语言，可以使用@lazy_import来延迟加载动态库。例如，对于一个非关键的第三方库：

   @lazy_import(<OptionalLibrary/OptionalLibrary.h>)
   

3. 利用runtime机制延迟方法实现：
   • 在类的实现中，可以使用runtime的关联对象（Associated Objects）来延迟一些方法的具体实现。例如，有一个复杂的初始化方法initComplex，可以先不实现，通过runtime在需要时动态添加实现。

   @interface MyClass : NSObject
   - (void)initComplex;
   @end
   
   @implementation MyClass
   + (void)load {
       Method originalMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(initComplex));
       IMP originalIMP = method_getImplementation(originalMethod);
       const char *originalType = method_getTypeEncoding(originalMethod);
   
       // 定义一个简单的占位实现
       IMP placeholderIMP = imp_implementationWithBlock(^(id selfObject) {
           // 这里可以记录日志或者直接返回
           NSLog(@"initComplex is called, but will be implemented later.");
           return nil;
       });
       class_replaceMethod(self, @selector(initComplex), placeholderIMP, originalType);
   }
   
   - (void)realInitComplex {
       // 真正的复杂初始化逻辑
   }
   
   - (void)whenNeeded {
       // 当需要时，动态替换为真正的实现
       Method realMethod = class_getInstanceMethod(self.class, @selector(realInitComplex));
       IMP realIMP = method_getImplementation(realMethod);
       class_replaceMethod(self.class, @selector(initComplex), realIMP, method_getTypeEncoding(realMethod));
       [self initComplex];
   }
   @end
   

滚动列表优化

1. 复用单元格：
   • 在UITableView或UICollectionView中，使用单元格复用机制。在UITableViewDataSource的tableView:cellForRowAtIndexPath:方法中，通过dequeueReusableCellWithIdentifier:forIndexPath:获取复用单元格。

   - (UITableViewCell *)tableView:(UITableView *)tableView cellForRowAtIndexPath:(NSIndexPath *)indexPath {
       UITableViewCell *cell = [tableView dequeueReusableCellWithIdentifier:@"CellIdentifier" forIndexPath:indexPath];
       // 配置单元格数据
       cell.textLabel.text = [NSString stringWithFormat:@"Row %ld", (long)indexPath.row];
       return cell;
   }
   

2. 异步加载单元格数据：
   • 当单元格的数据需要从网络或者数据库加载时，使用GCD或者NSOperationQueue进行异步加载。
   • 使用GCD示例：

   - (UITableViewCell *)tableView:(UITableView *)tableView cellForRowAtIndexPath:(NSIndexPath *)indexPath {
       UITableViewCell *cell = [tableView dequeueReusableCellWithIdentifier:@"CellIdentifier" forIndexPath:indexPath];
       dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
           // 异步加载数据
           NSString *data = [self loadDataForIndexPath:indexPath];
           dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
               // 回到主线程更新单元格
               cell.textLabel.text = data;
           });
       });
       return cell;
   }
   

   • 使用NSOperationQueue示例：

   - (UITableViewCell *)tableView:(UITableView *)tableView cellForRowAtIndexPath:(NSIndexPath *)indexPath {
       UITableViewCell *cell = [tableView dequeueReusableCellWithIdentifier:@"CellIdentifier" forIndexPath:indexPath];
       NSBlockOperation *operation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
           // 异步加载数据
           NSString *data = [self loadDataForIndexPath:indexPath];
           dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
               // 回到主线程更新单元格
               cell.textLabel.text = data;
           });
       }];
       [[NSOperationQueue mainQueue] addOperation:operation];
       return cell;
   }
   

3. 优化单元格绘制：
   • 避免在单元格的drawRect:方法中执行复杂的绘制操作。如果需要绘制复杂图形，可以使用Core Animation提前渲染到图片，然后在单元格中显示图片。
   • 例如，使用UIBezierPath和CAShapeLayer提前绘制一个复杂图形到图片：

   UIBezierPath *path = [UIBezierPath bezierPathWithOvalInRect:CGRectMake(0, 0, 50, 50)];
   CAShapeLayer *layer = [CAShapeLayer layer];
   layer.path = path.CGPath;
   layer.fillColor = [UIColor redColor].CGColor;
   UIGraphicsBeginImageContext(CGSizeMake(50, 50));
   [layer renderInContext:UIGraphicsGetCurrentContext()];
   UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
   UIGraphicsEndImageContext();
   cell.imageView.image = image;
   

加载大量数据优化

1. 分批加载：
   • 从数据库或者网络加载大量数据时，采用分批加载的方式。例如，在从数据库查询数据时，使用LIMIT和OFFSET关键字（对于SQLite数据库）。
   • 在Objective - C中，结合FMDB库进行分批查询：

   FMDatabase *db = [FMDatabase databaseWithPath:databasePath];
   if ([db open]) {
       int pageSize = 100;
       int offset = 0;
       while (true) {
           FMResultSet *rs = [db executeQuery:@"SELECT * FROM YourTable LIMIT ? OFFSET ?", @(pageSize), @(offset)];
           while ([rs next]) {
               // 处理数据
               NSString *data = [rs stringForColumn:@"ColumnName"];
           }
           [rs close];
           if (rs.columnCount == 0) {
               break;
           }
           offset += pageSize;
       }
       [db close];
   }
   

2. 使用缓存：
   • 对于频繁访问的数据，使用缓存机制。可以使用NSCache（类似于NSDictionary，但具有自动释放内存的特性）或者SDWebImage等第三方缓存库（用于图片缓存）。
   • 使用NSCache示例：

   static NSCache *dataCache;
   + (NSCache *)dataCache {
       static dispatch_once_t onceToken;
       dispatch_once(&onceToken, ^{
           dataCache = [[NSCache alloc] init];
       });
       return dataCache;
   }
   
   - (NSString *)loadDataForIndex:(NSUInteger)index {
       NSString *cachedData = [[self class] dataCache][@(index)];
       if (cachedData) {
           return cachedData;
       }
       // 从其他地方加载数据
       NSString *newData = [self loadDataFromSource:index];
       [[self class] dataCache][@(index)] = newData;
       return newData;
   }
   

3. 多线程加载与处理：
   • 使用GCD或NSOperationQueue进行多线程加载和处理数据。
   • 使用GCD进行并行加载多个数据块：

   dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
   NSArray *dataIndices = @[@0, @1, @2, @3];
   dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
   for (NSNumber *index in dataIndices) {
       dispatch_group_async(group, concurrentQueue, ^{
           // 加载和处理数据
           NSString *data = [self loadDataForIndex:index.unsignedIntegerValue];
           // 处理数据
           NSString *processedData = [self processData:data];
           // 回到主线程更新UI（如果需要）
           dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
               // 更新UI
           });
       });
   }
   dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
       // 所有任务完成后的操作
   });
   

   • 使用NSOperationQueue实现类似功能：

   NSOperationQueue *operationQueue = [[NSOperationQueue alloc] init];
   operationQueue.maxConcurrentOperationCount = 4;
   NSArray *dataIndices = @[@0, @1, @2, @3];
   NSMutableArray<NSBlockOperation *> *operations = [NSMutableArray array];
   for (NSNumber *index in dataIndices) {
       NSBlockOperation *operation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
           // 加载和处理数据
           NSString *data = [self loadDataForIndex:index.unsignedIntegerValue];
           NSString *processedData = [self processData:data];
           // 回到主线程更新UI（如果需要）
           dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
               // 更新UI
           });
       }];
       [operations addObject:operation];
   }
   for (NSBlockOperation *operation in operations) {
       [operationQueue addOperation:operation];
   }
   [operationQueue addOperationWithBlock:^{
       // 所有任务完成后的操作
   }];
   

利用runtime机制进行动态优化

1. 方法交换：
   • 可以使用runtime的method_exchangeImplementations函数进行方法交换，实现对系统方法或者自定义方法的动态替换。例如，要在所有UIViewController的viewDidLoad方法中添加日志记录：

   @interface UIViewController (Logging)
   @end
   
   @implementation UIViewController (Logging)
   + (void)load {
       Method originalMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(viewDidLoad));
       Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(swizzled_viewDidLoad));
       method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
   }
   
   - (void)swizzled_viewDidLoad {
       NSLog(@"%@'s viewDidLoad is called.", self.class);
       [self swizzled_viewDidLoad];
   }
   @end
   

2. 动态添加属性：
   • 通过runtime的关联对象可以在运行时为类动态添加属性。例如，为UIButton添加一个自定义的identifier属性：

   @interface UIButton (CustomIdentifier)
   @property (nonatomic, copy) NSString *customIdentifier;
   @end
   
   @implementation UIButton (CustomIdentifier)
   static const char *customIdentifierKey = "customIdentifierKey";
   - (NSString *)customIdentifier {
       return objc_getAssociatedObject(self, customIdentifierKey);
   }
   
   - (void)setCustomIdentifier:(NSString *)customIdentifier {
       objc_setAssociatedObject(self, customIdentifierKey, customIdentifier, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
   }
   @end
   

多线程环境下利用GCD与NSOperationQueue优化性能

1. GCD：
   • 并行执行任务：使用dispatch_apply可以方便地并行执行一系列任务。例如，计算数组中每个元素的平方：

   NSArray *numbers = @[@1, @2, @3, @4];
   NSMutableArray *squaredNumbers = [NSMutableArray arrayWithCapacity:numbers.count];
   dispatch_apply(numbers.count, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^(size_t index) {
       NSNumber *number = numbers[index];
       NSNumber *squared = @(number.integerValue * number.integerValue);
       dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
           [squaredNumbers addObject:squared];
       });
   });
   

   • 控制任务执行顺序：可以使用dispatch_group来控制任务的执行顺序。例如，先执行两个异步任务，然后再执行一个汇总任务：

   dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
   dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
   dispatch_group_async(group, queue, ^{
       // 任务1
       NSLog(@"Task 1 started.");
       sleep(2);
       NSLog(@"Task 1 finished.");
   });
   dispatch_group_async(group, queue, ^{
       // 任务2
       NSLog(@"Task 2 started.");
       sleep(1);
       NSLog(@"Task 2 finished.");
   });
   dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
       // 汇总任务
       NSLog(@"All tasks finished, starting summary task.");
   });
   

2. NSOperationQueue：
   • 创建和添加操作：可以创建NSOperation的子类或者使用NSBlockOperation来定义任务，然后添加到NSOperationQueue中。例如：

   NSBlockOperation *operation1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
       NSLog(@"Operation 1 started.");
       sleep(2);
       NSLog(@"Operation 1 finished.");
   }];
   NSBlockOperation *operation2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
       NSLog(@"Operation 2 started.");
       sleep(1);
       NSLog(@"Operation 2 finished.");
   }];
   NSOperationQueue *operationQueue = [[NSOperationQueue alloc] init];
   [operationQueue addOperation:operation1];
   [operationQueue addOperation:operation2];
   

   • 设置操作依赖：可以通过addDependency:方法设置操作之间的依赖关系。例如，让operation2依赖于operation1：

   NSBlockOperation *operation1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
       NSLog(@"Operation 1 started.");
       sleep(2);
       NSLog(@"Operation 1 finished.");
   }];
   NSBlockOperation *operation2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
       NSLog(@"Operation 2 started.");
       sleep(1);
       NSLog(@"Operation 2 finished.");
   }];
   [operation2 addDependency:operation1];
   NSOperationQueue *operationQueue = [[NSOperationQueue alloc] init];
   [operationQueue addOperation:operation1];
   [operationQueue addOperation:operation2];