面试题：深入理解Objective-C方法调用耗时在复杂项目中的优化

Question

在一个大型的Objective-C项目中，涉及到多层类继承、大量的类别（Category）以及复杂的动态方法解析。现发现项目整体性能因方法调用耗时受到严重影响，从底层原理出发，详细说明你将如何系统性地诊断问题，并提出全面的优化方案。

Answer 1

诊断问题

1. 方法调用流程分析：

   • 动态方法解析阶段：在Objective - C中，当调用一个对象无法识别的方法时，首先进入动态方法解析阶段。通过在类的元类中查找+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel（实例方法）或+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel（类方法）方法，查看是否动态添加方法实现。可以在这些方法中添加日志，记录方法名sel，观察哪些方法在动态解析阶段进行处理，判断是否存在不必要的动态解析操作。
   • 备用接收者阶段：如果动态方法解析没有处理，会进入备用接收者阶段，即查找- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)sel方法，看是否能找到其他对象来处理该方法。同样，在此方法中添加日志，记录方法名和返回的备用接收者，分析是否有不合理的备用接收者设置。
   • 完整的消息转发阶段：若前两个阶段都未处理，最后进入完整的消息转发阶段，调用- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)sel和- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation方法。在这两个方法中添加日志，记录方法签名和调用信息，检查是否存在频繁且复杂的消息转发逻辑。

2. 多层类继承影响分析：

   • 超类方法调用链：查看类的继承体系，分析方法调用时沿着超类的方法查找路径。使用工具如clang -rewrite-objc将Objective - C代码转换为C++代码，观察底层的objc_msgSend调用结构以及类继承体系在底层的表示。检查是否存在多层继承导致方法查找路径过长的情况，特别是在继承体系很深的情况下，可能会增加方法查找的时间复杂度。
   • 方法重写情况：检查子类对超类方法的重写情况，确保重写的方法没有引入性能问题。比如，重写的方法中是否有过多的额外逻辑或者不必要的递归调用等。

3. 类别（Category）影响分析：

   • 类别方法覆盖：由于类别可以在运行时向类中添加方法，可能会出现类别方法覆盖类原有方法的情况。通过打印类的方法列表，使用class_copyMethodList函数，查看类别添加的方法以及它们在方法列表中的位置。分析是否有类别方法覆盖了原本高效的类方法，导致性能下降。
   • 类别加载顺序：类别在不同的源文件中加载顺序可能不同，这可能会影响方法的最终调用。通过在类别加载代码中添加日志，记录类别加载的顺序，确保不会因为加载顺序问题导致意外的方法调用行为。

4. 性能分析工具使用：

   • ** Instruments工具**：利用Instruments中的Time Profiler工具，它可以记录应用程序的CPU使用情况，精确到每个方法的调用时间和频率。运行应用程序并收集性能数据，在Time Profiler报告中查看哪些方法耗时较长，特别是与方法调用相关的方法，如动态方法解析、消息转发等方法。
   • 采样分析：通过对应用程序进行采样，分析不同时间点的堆栈信息，找出频繁调用的方法以及它们所在的调用栈，有助于定位性能瓶颈所在的代码区域。

优化方案

1. 减少动态方法解析开销：
   • 静态方法替代：尽量将动态方法解析的逻辑转换为静态方法调用。如果某些方法在动态解析阶段添加，且其逻辑相对固定，可以直接在类的实现中定义这些方法，避免动态解析的开销。
   • 缓存动态方法：对于确实需要动态解析的方法，可以在类中维护一个缓存，记录已经动态解析过的方法。当再次调用相同的方法时，直接从缓存中获取方法实现，避免重复的动态解析过程。
2. 优化多层类继承结构：
   • 扁平化继承体系：如果多层继承导致方法查找路径过长，可以考虑扁平化继承体系。例如，将一些深层次的继承关系转换为组合关系，即将超类的功能封装成对象，作为子类的成员变量，通过调用成员变量的方法来实现功能，减少继承层次，缩短方法查找路径。
   • 合理使用协议（Protocol）：使用协议来定义行为，让不同的类遵循相同的协议，而不是通过复杂的继承体系来共享行为。这样可以降低类之间的耦合度，同时在方法调用时，通过协议调用方法可以更加灵活和高效。
3. 优化类别使用：
   • 避免方法覆盖冲突：在设计类别时，仔细规划方法命名，避免与类的原有方法以及其他类别方法冲突。如果确实需要覆盖某些方法，确保覆盖后的方法性能不会降低，并且在注释中明确说明覆盖的目的和影响。
   • 按需加载类别：对于一些不常用的类别，可以采用按需加载的方式。例如，在应用程序启动时，只加载必要的类别，其他类别在需要时动态加载，减少应用程序启动时的加载开销。
4. 方法调用优化：
   • 内联方法：对于一些短小且频繁调用的方法，可以使用__attribute__((always_inline))修饰符将其声明为内联方法。这样在编译时，编译器会将方法的代码直接嵌入到调用处，减少方法调用的开销。
   • 减少不必要的消息转发：检查消息转发逻辑，确保只有在必要的情况下才进行消息转发。如果可以通过其他方式实现相同的功能，如直接调用对象的方法，尽量避免复杂的消息转发过程。
5. 持续性能监控：在优化后，持续使用性能分析工具（如Instruments）监控应用程序的性能，确保优化措施达到预期效果，并且不会引入新的性能问题。定期对代码进行性能审查，特别是在代码发生较大变动时，及时发现并解决潜在的性能问题。