马蜂窝 iOS App 启动治理：回归用户体验
增长、活跃、留存是移动 App 的常见核心指标，直接反映一款 App 甚至一个互联网公司运行的健康程度和发展动能。启动流程的体验决定了用户的第一印象，在一定程度上影响了用户活跃度和留存率。因此，确保启动流程的良好体验至关重要。
「马蜂窝旅游」App 是马蜂窝为用户提供服务的主要阵地，其承载的业务模块不断丰富和完善，产品功能日趋复杂，已经逐渐成长为一个集合旅行信息、出行决策、自由行产品及服务交易的一站式移动平台。
「马蜂窝旅游」iOS App 历经几十个版本的开发迭代，在启动流程上积累了一定的技术债务。为了带给用户更流畅的使用体验，我们团队实施了数月的专项治理，也总结出一些 iOS 启动治理方面的实践经验，借由本文和大家分享。
0X0 如何定义「启动」
要分析和解决启动问题，我们首先需要界定启动的内涵和边界，从哪开始、到哪结束，中间经历了哪些阶段和过程。以不同视角去观察时，可以得出不同结论。
技术视角
App 启动原本就是程序启动的技术过程。作为开发人员，我们很自然地更愿意从技术阶段去看待和定义启动的流程。
App 启动的方式分为冷启动和热启动两种。简单来说，冷启动发生时后台是没有这个应用的进程的，程序需要从头开始，经过漫长的准备和加载过程，最终运行起来。而热启动则是在后台已有该应用进程的情况下发生的，系统不需要重新创建和初始化。因此，从技术视角讨论启动治理时，主要针对冷启动。
从技术视角出发，分析 iOS 的启动过程，主要分为两个阶段：
- pre-main: main() 函数是程序执行入口，从进程创建到进入 main 函数称为 premain 阶段, 主要包括了环境准备、资源加载等操作；
- post-main: main() 函数到-didFinishLaunchWithOptions:方法执行结束。该阶段已获得代码执行控制权，是我们治理的主要部分。
<premain> <postmain> +----------------X------------------------------------X---------> start main -didFinishLaunchWithOptions:
用户视角
iOS App 是面向终端用户的产品，因此衡量启动的最终标准还是要从用户视角出发。
从用户视角定义启动，主要以用户主观视觉为依据，以页面流程为标准。这样看来，常见的 App 启动可以分为三个阶段：
T1：闪屏页
- 闪屏页是启动过程中的静态展示页。在冷启动的过程中，App 还没有运行起来，需要经历环境准备和初始化的过程。这个过渡阶段需要展示一些视图，供阻塞等待中的用户浏览。
- iOS 系统 (SpringBoard) 根据 App Bundle 目录下的 Info.plist 中"Launch screen interface file base name"字段的值，找到所指定的 xib 文件，加载渲染展示该视图。
- 闪屏页的展示是系统行为，因此无法控制；加载的是 xib 描述文件，无法定制动态展示逻辑，因此是静态展示。
- 对应技术启动阶段的 pre-main 阶段
T2(可选)：欢迎页（广告）
- App 运行后根据特定的业务逻辑展示的第一个页面。常见的有广告页和装机引导流程。
- 欢迎页是业务定制的，因此可根据业务需要优化展示策略，该阶段本身也是可选的。
T3：目标页 (落地页)
- App 启动的目标页。
- 可以是首页或特定的落地页
- 目标页的加载渲染渲染完成标志着 T3 阶段的结束，也标志着启动流程的结束。
启动治理的最终目标是提升用户体验，在这样的思想下，本文关于启动流程的讨论主要围绕用户视角进行。
0X1 方法论及关键指标
APM 方法论
对 iOS 启动的治理，本质上是对应用性能优化 (App Performance Management) 的过程，其基本的方法论可以归纳为：
界定问题
- 准确描述现象，确定问题的边界
- 确定量化评价手段，明确关键指标
分析问题
- 分析问题产生的主要原因，根本原因
- 确定问题的重要性，优先级
- 性能问题可能是单点的短板，也可能是复杂的系统性问题，切忌「头痛医头，脚痛医脚」。要严谨全面地分析问题，找到主要原因、根本原因予以优先解决
解决问题
- 确定解题的具体技术方案
- 根据关键指标量化成果
- 对问题进行总结，积累沉淀
持续监控
- 性能问题是持续的，长期的
- 对关键技术指标建立长效的监控机制，确保增量能被及时反馈，予以处理
关键指标
1. 启动耗时
启动耗时是衡量启动性能的核心指标，因为它直接影响了用户体验并对用户转化率产生影响。
对启动耗时指标的拆解有助于细粒度地监控启动过程，帮助找到问题环节。具体可以拆解为：
技术启动耗时指标
- pre-main
- core-postmain
主观启动耗时指标
- T1_duration ：从程序运行起点到主视窗可见
- T2_duration
- T3_duration
- total_duration
根据对马蜂窝 App 用户的行为数据分析确认，我们得到以下结论：
- 启动耗时和启动流失率正相关
- 启动耗时和次日留存负相关
2.启动流失率
1). 如何定义启动流失
用户视角的启动流程完成前（即目标页渲染完成前），用户主动离开 App(进入后台，杀死 App, 切换到其他 App 等)，记做一次启动流失。
启动流失率计算公式为：
- 启动 PV 流失率：启动流失 PV / App 首次进入前台 PV
- 启动 UV 流失率：启动流失 UV / DAU
- UV 绝对流失率：当日仅进入前台一次且流失的 UV / DAU
2) 如何定义首次进入前台
我们先来区分下冷启动，热启动和首次进入前台的概念：
iOS App 有后台机制，App 可在某些条件下，在用户不感知的情况下在后台启动（如后台刷新）。由于用户不感知，如果当日该用户没有主动进入前台，则不会记作活跃用户。因此，单纯的后台启动不是启动流失率的分母。
但是当 iOS App 从后台启动，并留在内存中没有被操作系统清除，而一段时间后，用户触发 App 进入前台，这种情况虽然是热启动，但应被看作「首次进入前台」。
3) 如何定位流失的时机
根据定义，用户主动离开 App 则记作一次流失。从技术角度可以找到两个点：
- applicationdidEnterBackground
- applicaitonWillTerminate
但在实践的典型场景中我们发现，从用户点击 Home 键到程序接收到-applicationdidEnterBackground 回调存在一定的时间差，该时间差会影响到流失率的判断。
例如，用户在时刻 0.0s 启动 app，启动总时长为 4.0s。用户在时刻 3.8s 点击了 home 键离开 App，则应该记作 launch_leave = true。而程序在时刻 4.3s 接收到了-applicationDidEnterBackground 回调，此时启动已经结束，获得了启动耗时 4.0s。通过比较 Tleave > Tlaunch_total，则错误地记为 launch_leave = false。
由此推测，这里的 delay 是设置灵敏度阻尼，消除用户决策的摆动。这个延时大约在 0.5s 左右。
为了避免这个误差，我们的解决方案是利用 inactive 状态，找到准确的用户决策起点:
- 用户即将离开前台时，会先进入 inactive 状态，通过-appWillResignActive：拿到决策起点的时间戳 Tdetermine
- 根据用户最终决策行为，是否确实离开，再决定决策 Tdetermine 是否有效
- 最终根据有效的 Tdetermine 作为判断流失行为的标准，而不是-applicationdidEnterBackground 的时间点
3. 启动广告曝光率
广告是 App 盈利的主要手段之一。广告曝光率直接决定了广告点击消费率；而广告曝光 PV 和加载 PV 直接影响了广告售价。
我们定义：启动广告曝光率 = 启动广告曝光 PV / 启动广告加载 PV。
其中广告素材需要下载，素材渲染需要一定耗时，这些都会对广告曝光率产生影响。进一步来说，启动广告的曝光率会受到 App 启动性能的影响，但更主要的是受缓存和曝光策略的影响，详细阐述在下文「精细化策略」部分介绍。
0X2 iOS App 启动优化
以上，我们对 iOS App 启动治理的思路和关键指标进行了分析和拆解，下面来说一下从技术层面和业务层面，我们对启动性能的优化和流程治理分别做了哪些事情。
一、技术启动优化
1. 优化pre-main
1). pre-main 主要流程分析
在进行该阶段的优化前，我们需要对 Pre-Main 阶段的过程有所了解，网上的文章较多，这里主要推荐两篇 WWDC 参考文章：
- App Startup Time: Past, Present, and Future（https://developer.apple.com/v...）
- Optimizing App Startup Time（https://developer.apple.com/v...）
总结来看，pre-main 主要流程包括：
1. fork 进程
2. 加载 executable
3. 加载 DYLD
4. 分析依赖，迭代加载动态库
a. rebase
b. rebind
c. 耗时多
5. 准备环境
a. 准备 OC 运行时
b. 准备 C++环境
6. main 函数
2). 优化建议
- 尽量少使用动态库
a. 尽量编译到静态库中，减少 rebase，rebind 耗时
b.尽量合并动态库，减轻依赖关系
- 控制 Class 类的数量规模
- 由于 selector 需要在初始化时做唯一性检查，应尽量减少使用
- 少用 initializers
a. 严格控制 +load 方法使用
- 多用 Swift
a. Swift 没有运行时
b. Swift 没有 initializers
c. Swift 没有数据不对齐问题
3). 性能监控：如何获取启动起点
启动的结束时间相对来说是比较好确定的，但如何定位启动的起点，是启动监控的一个难点。
对于开发环境，可以通过 Xcode 配置启动参数，获得 pre-main 的启动报告：
DYLD_PRINT_STATICS = 1
对于线上环境，根据 premain 主要流程的分析，我们的解决方案是：
- 创建动态库 ABootMonitor.dylib
- ABootMonitor.dylib 实现+load 方法，记录启动起点时间
- 将 ABootMonitor.dylib 放在 executable 动态库依赖的头部
通过上述方法，可以在线上环境尽量地模拟出最早的启动时间点，从而更好地监测优化效果。
2. 优化post-main
post-main 阶段的技术优化主要针对两个方法的执行耗时来进行：
- - (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:
- - (void)applicationDidBecomeActive:(UIApplication *)application;
为什么包含 2，需要我们对 iOS App 生命周期有一定理解。从操作系统的视角来看，iOS App 本质上是一个进程。对于 Mac OS/iOS 系统，进程的生命周期状态包括了：
- not-running
running
- 进程激活，可以运行的状态
suspend
- 进程被挂起，不可以执行代码，通常在 UIApplication 进入后台后一段时间被系统挂起
zombie
- 进程回收前的临时状态，很短暂
terminated
- 进程终止，并被清理
而对于 UIApplication，定义了生命周期状态：
// UIApplication.h
typedef NS_ENUM(NSInteger, UIApplicationState) {
UIApplicationStateActive, // 前台， UIApplication响应事件
UIApplicationStateInactive, // 前台， UIApplication不响应事件
UIApplicationStateBackground // 后台， UIApplication不在屏幕上显示
} NS_ENUM_AVAILABLE_IOS(4_0);组合起来的状态机如下图：
通过上面的讨论，我们可以分析出以下问题：
- UIApplication 会因为某种原因，在用户不感知的情况下被唤起，进程进入 running 状态，但停留在 iOS 的 background 状态
- 每次冷启动都会执行- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:，但未必进入前台
- 在 didFinishLaunchingWithOptions 中进行大量 UI 和网络请求等操作是不合理
post-main 优化思路和建议
- 整理拆分启动项，以启动项为粒度进行测量
启动项执行尽量在背景线程
- 启动的过程 CPU 占用较高，占用主线程会导致卡顿，耗时延长，用户体验不佳
- 启动项并发执行
启动项延迟执行
- 当 CPU 时间片跑满时，使用多线程并发不能提高性能，反而会因为频繁的线程上下文切换，造成 overhead 耗时增长
- 尽可能将启动项延迟执行，在时间轴上平滑，降低 CPU 利用率峰值
启动项分组
- -didFinishLaunchingWithOptions 只执行必要的核心启动项
- 其他启动项，在首次调用-applicationDidBecomeActive:后执行
二、精细化策略
1. 交互优化
通过技术的实现手段，我们可以从客观上减少启动的绝对耗时。而从用户视角来看，对于启动是否流畅会受到很多心理因素的主观影响。因此从另一方面，我们可以从优化交互的角度提升用户体验。
避免阻塞等待
我们都希望用户可以尽快地使用 App，不要出现流失。但在快消费的时代，用户的耐心是极其有限的。
因此，如果有理由需要用户进行等待，就应该注意尽量避免产品流程是阻塞的。即使有更充足的理由必须让用户在阻塞状态原地等待，也应该给用户提供可响应的交互。
例如，在 T2 欢迎/广告页阶段，为了避免用户阻塞等待，应该提供明显的「跳过」按钮，允许用户进行跳过操作。
如果非要用户在这个阶段等待不可，也可以花一些小心思提供可响应的交互，比如点击触发视觉的变化等，不要让用户除了等待无事可做。
增加视觉信息量
增加屏幕上视图的信息量提供给用户消费，转移其注意力，降低用户对等待的感受。
例如，在 T1 闪屏页阶段，用户处于阻塞等待的状态，无法跳过。而且闪屏页是系统渲染的静态视图，我们无法提供动态响应。那么，我们可以通过在静态视图上提供更多信息量，给等待中的用户消费。
主观感受对比如下图：
合理的动态提示
- 合适的动画
事实上，早期在部分高性能 Android 设备上，App 的启动比同水平 iDevice 要快。但由于 iOS 设计了符合神经认知学的交互动画，使得主观感受到的时间缩短。
动画是否「合适」，关键在于对场景的选择和数量的把握。一个常见的动画耗时约为 0.25s，对于启动流程来说，已经可以解决或掩盖不少问题了。
- 合适的提示信息
好的交互体验和产品流程，至少应该是符合用户预期的。给以合适的动态提示，让用户知道此刻使用的 App 正在发生什么，可以极大地提升用户体验。
例如在 T2 广告页阶段，广告需要占时 3 秒钟的时间。交互上建议给与广告消失的倒计时提示：
- 一方面，倒计时提示可以有动态 loading 的视觉效果，展现 App 的良好运行；
- 另一方面，倒计时可以让用户安心，主观上耗时减少，情绪上不至于焦虑和退出。
2. 基于场景的启动会话
根据对启动过程的定义，我们可以列举出一些启动的「起点」和「终点」，比如：
启动触发点：
- 点击 App 图标正常启动
- 初次安装
- 点击 PUSH 进入
- 应用间跳转
- 3DTouch
- Siri 唤起
- 其他
启动终点--目标页：
- 应用首页
- 指定的落地页
可以看出，启动的起点和终点多种多样，而对于启动流程的设定，很多都是和业务场景强相关的，比如：
- 初次安装需要进入装机引导流程
- 正常启动需要展示广告
- PUSH 进入可以不展示广告，直达落地页
- 其他
如何才能维护这些复杂的启动关系，提高业务承载能力呢？我们的优化思路是基于场景创建启动会话：
- 由启动参数和其他条件确定启动场景
- 根据启动场景创建具体的启动会话
- 启动会话接管之后的启动流程
3. 启动广告曝光和缓存策略
广告曝光主要流程为：请求广告接口 —> 准备广告素材 —> 展示广告页，进行曝光。
在准备广告素材环节，我们会判断广告素材是否命中缓存。如果命中则直接使用缓存，这样可以明显缩短广告加载的时间。如果没有命中，则开始下载广告素材。当广告素材超过设定的准备时长，则此次曝光不显示。
通过以往数据量化分析，我们发现通常情况下，广告未曝光的主要原因是由于广告素材准备超时，且素材体积和广告曝光率是负相关的。为了保证广告的曝光率，我们应该尽量减少广告素材的体积，并且提高广告素材缓存的命中率。
下面分别介绍下我们的启动广告预缓存策略和启动广告曝光策略。
启动广告预缓存策略
- 广告素材接口和广告曝光接口分离
在可能的合适时机，下载广告素材
- 例如后台启动，后台刷新等
尽可能地提前下发广告素材
- 拉长广告素材投放的时间窗口
- 常见地可提前半月下发广告素材
- 对于「双十一等大促活动，应尽早地下发素材
启动广告曝光策略
分级的广告曝光QoS策略
- 若业务许可，可对广告优先级进行分级
- 对于低优先级，应用 cache-only 的曝光策略
- 对于普通优先级，应用 max-wait 的曝光策略
- 对于高优先级，应用 max-retry 的曝光策略
灵活的曝光时机选择
通常我们仅在首次进入前台时，进行广告曝光，但这有一定的缺陷：
- 启动耗时长了，用户体验差，启动流失率高
- 对于当日只有一次启动且启动流失的用户，丢了这个 DAU
我们可以在 App 首次进入前台，和热启动切回前台时选择时机，进行有策略的曝光
- 可依据策略，在首启时不展示广告页，提升用户体验，DAU，减少启动流失
可在 App 切回时展示，提升广告曝光 PV，和曝光率。
- 由于 App 之前已经启动，此时大概率已经缓存了广告素材
- 由于 App 一次生命周期存在多次切回前台，曝光 PV 可以得到提升
- 根据马蜂窝 App 的统计分析，在激进策略下可提升曝光 PV 约 4 倍
三、合理利用平台机制
iOS 经过多年的迭代，提供了很多智能的平台机制。合理利用这些机制，可以强化 App 的功能和性能。
1. 内存保活
我们已经讨论了冷启动和热启动的区别：
- 冷启动是进程并不存在的状态，一切需要从 0 开始。
- 热启动是指进程在内存中（iOS 不支持 SWAP），此时可能处于 background 的 running 状态或 suspend 状态，用户唤起进去前台。
- 热启动可以极大地减少 T1 闪屏页时间，从而减少启动耗时。
因此，我们应该尽量增加热启动概率，并且尽量减少 App 在后台被系统回收的概率。
iOS App 生命周期中关于系统内回收策略如下：
- App 进入后台后，进程会活跃一段时间后，会被操作系统挂起，进入 suspend 状态。除非在 info.plist 指定进入后台即退出。
前台运行的 App 拥有内存的优先使用权
- 当前台的 App 需要更多物理内存时，系统根据一定策略，将一部分挂起的 App 进行释放
- 系统优先选择占用内存多的 App 进行释放
优化思路：
App 进入后台时，应该将内存资源竟可能的释放，尽量在内存中保活
- 尤其对于可重得的图片，文件等资源进行释放
- 对于可持久化的非重要内存，也可做持久化后释放
- 对于线上，应利用后台进程激活状态，加强对后台内存使用的监控
2. 后台拉起
iOS 系统提供了一些机制，可以帮助我们实现在用户不感知的情况下拉起 App。合适的拉起策略，可以优化 App 性能和功能表现，比如提升当日首启热启动的概率；在后台准备更新一些数据，如更新 PUSH token、准备启动广告素材等。
iOS 常见的后台拉起机制包括：
Background-fetch 后台刷新
- 需要权限
- 在某特定时机拉起，智能策略
PUSH
- 静默推送
远端推送
- aps 中指定 "content-available = 1"
- App 实现相关处理方法
- 地理围栏
- 后台网络任务 NSURLBackgroundSession
- VOIP 等其他
使用后台机制时，有以下几点需要注意：
- 常见的后台机制需要 entitlement 声明和用户授权
- 部分节能模式会使部分拉起机制失效，导致节能量模式不可用
拉起策略参考用户意图，用户主动杀死 App，会使部分拉起机制失效
- 正常进入后台，该 App 会向系统应用「AppSwitcher」注册，并受其管理
- 如果用户主动杀死 App，该 App 不会向「AppSwitcher」注册
- 后台拉起时，主要从 AppSwitcher 的注册列表选择 App 进行操作。例如，后台刷新会根据某种策略排序，依此拉起 AppSwitcher 中注册的部分 App
批量拉起会导致服务端接口压力过大
- 例如使用 PUSH 拉起，则短时间内可能有数千万的 App 被拉起，此时接口请求不亚于一次针对服务端的 DDOS 攻击，需要整理和优化
四、结构化定制
页面栈/树优化
App 通过页面进行组织，在启动过程中，我们需要构建根页面栈。
由上分析我们知道，App 存在后台拉起，我们建议在首次进入前台时才进行页面渲染操作。但另一方面，根页面栈是 App 的基本结构，应该作为核心启动流程。因此我们提出以下解决方案：
- 涉及启动的页面，如首页、落地页等，应将页面栈创建、数据请求、页面渲染分离
- 在核心启动流程 (didFinishLaunch) 创建核心页面栈
- 在即将进入前台时，异步请求数据
在目标页即将展示时，进行渲染
- 例如，在广告页消失前的 1s，通知首页进行渲染，如下图
- 由于目标页可能和 T2 等启动阶段重叠，应特别注意页面加载的性能问题，避免交叉影响
0x3 结语
经过团队 3 个月的持续优化治理，马蜂窝 iOS App 的启动优化取得了一些成果：
- 启动耗时：约 3.6s，减少约 50%
- PV启动流失率：降低约 30%
- 启动广告曝光率：大幅提升
ios App 的启动治理乃至性能管理，是一个长期且艰巨的过程，需要各位开发同学具备良好的对平台和对代码性能的理解意识。其次，性能问题也常常是一个复杂的系统性问题，需要严谨地分析和推理，在此感谢支持以上工作的马蜂窝数据分析师。最后，这项工作需要建立完善的性能监控机制，持续跟踪，主动解决。
One More Thing
我们计划于近期将马蜂窝 iOS 的启动框架开源，欢迎持续关注马蜂窝公众号动态。期待和大家交流。
本文作者：许旻昊，马蜂窝 iOS 研发技术专家。
（马蜂窝技术原创内容，转载务必注明出处保存文末二维码图片，谢谢配合。）
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