日常开发中，有人抱怨Xcode编译慢、有人吐槽App启动慢，有人想尝试热重载....，其实，这些事情背后都离不开编译和链接。

一、概念

1、LLVM

何为编译？简单解释是把源代码翻译成可执行的代码(机器码)；这样，程序在运行时，执行效率快，速度快；而解释器却是在程序运行时，将源码一行行解析成目标代码（字节码），然后再执行；效率自然就差一些；
iOS使用LLVM编译器；平常所说的LLVM有狭义和广义之分；
- 广义的LLVM: LLVM编译器架构，包括编译前端(Frontend)、优化器（Optimizer）和编译后端(Backend)三大部分；
- 狭义的LLVM：LLVM架构的编译后端，主要负责，代码优化、目标代码生成等；
LLVM项目已经成长为一个十分庞大的项目，已经从最初的Low Level Virtual Machine(低级虚拟机)发展成了The LLVM Compiler Infrastructure(编译器基础设施)。

2、ld和dyld

链接分静态链接和动态链接；
静态链接：静态链接器(ld64)将编译产生的一个或多个目标文件组合生成一个可执行文件（Mach-O)；
动态链接：程序运行时(或首次启动，或第一次使用到)，通过动态链接器(dyld)将链接需要的动态库；
使用dyld加载动态库有两个时机：
- 少部分动态库在程序启动加载时，通过dyld链接。
- 大部分动态库的第一次使用时，才通过dyld链接(减少启动耗时)。

对应的，在Mach-O文件的__DATA.__nl_symbol_ptr（非懒加载符号表），存储了non-lazily绑定的符号，这些符号在Mach-O加载时绑定；

__DATA.__la_symbol_ptr（懒加载符号表）存储了lazy绑定的符号，这些方法在第一调用时，由dyld_stub_binder来绑定；每个Mach-O的non-lazily绑定符号都有dyld_stub_binder。

3、JIT和AOT

根据是够在运行期编译，编译方式分AOT(Ahead Of Time，运行前编译) 和 JIT（Just-in-time,即时编译)；Android N引入混合编译模式（AOT和JIT)；
跨端UI框架Flutter同样支持AOT和JIT；在Debug 模式下，采用 JIT即时编译，Release 模式下采用的是 AOT 静态编译。其中，JIT将 Dart 代码编译成可以运行在 Dart VM 上的 Dart Kernel，而 Dart Kernel 是可以动态更新的；

二、LLVM简介

1、LLVM架构

LLVM架构采用经典的编译器架构（三段式）设计：
- 前端 (Frontend) ：对源码做词法分析、语法分析、语义分析、生成中间代码
- 优化器 (Optimizer) ：用于中间代码优化
- 后端 (Backend) ：根据中间代码，用于生成对应的 CPU架构的机器码

LLVM架构示意如下：
Objective C/C/C++语言使用的编译器前端是 Clang，Swift是 Swift 语言的编译器，完整的表示是:Swift Compiler
从LLVM架构示意图，也能明白这种三段式架构的优势：
- 增加新的语言(如Swift)，只需要实现新的 Frontend即可，Optimizer 和 Backend 可以重用；
- 新增新的 CPU 架构时(如ARM)，也只需要实现新的 Backend即可；

2、LLVM编译链接过程

编译源码有四步：预处理 -> 编译 -> 汇编 -> 链接，细分过程：预处理 -> 词法分析 -> 语法分析 -> 生成AST -> 中间代码（LR）生成 -> IR优化 -> 生成汇编代码 -> 汇编 -> 链接 -> 生成Mach-O文件

编译前端（Clang）处理
- 预处理(preprocessor)：替进行头文件引入，宏替换，注释处理，条件编译(#ifdef)等操作
- 词法分析(lexical anaysis)：词法分析器读入源文件的字符流，将他们组织称有意义的词素(lexeme)序列，对于每个词素，此法分析器产生词法单元（token）作为输出。
- 语法分析(semantic analysis)：词法分析产生的词法单元Token流会被解析成一颗抽象语法树(abstract syntax tree - AST)；有了抽象语法树，Clang就可以对这个树进行分析，找出代码中的错误。比如类型不匹配，亦或Objective-C中向target发送了一个未实现的消息。
- CodeGen(中间代码生成)：遍历语法树，生成LLVM IR（中间）代码。LLVM IR是编译前端的输出，编译后端的输入。
IR处理
- LLVM会对生成的IR进行优化，优化会调用相应的Pass进行处理；
- Pass由多个节点组成，都是 Pass 类的子类，每个节点负责做特定的优化；
  
  补充：Pass相关可以见Writing an LLVM Pass和开发和调试第一个 LLVM Pass
编译后端处理
- 生成汇编代码：LLVM对IR进行优化后，会针对不同CPU架构生成不同的目标代码，最后以汇编代码的格式输出；
- 汇编：汇编器以汇编代码作为输入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件(Object File)，
链接：链接静态库，.o文件，生成一个Mach-O格式的可执行文件，Mach-O文件的更多了解可见： Mach-O文件周边二三事

3、优秀的Clang

Clang比GCC有更好的性能(更快速度、更省内存)，主要有：
- 编译速度快，占用内存小，并且兼容 GCC。
- Clang可以发现显示出问题所在的行和具体位置，并且可以确切地说明出现这个问题的原因，并指出错误的类型是什么
- 模块化设计：Clang采用基于库的模块化设计，易于IDE集成及其他用途的重用
- 诊断信息可读性强：在编译过程中，Clang创建并保留了大量详细的元数据（metadata），有利于调试和错误报告；
- 设计清晰简单，容易理解，易于扩展增强。
Clang提供的能力
- LibClang：LibClang 可以访问 Clang 的上层高级抽象的能力，比如获取所有 Token、遍历语法树、代码补全等。
- Clang Plugin：允许在AST 上做些操作，这些操作可以被集成到编译中，成为编译的一部分（影响编译过程）。
- LibTooling：可以完全控制 Clang AST，通过 LibTooling 能够编写独立运行的语言分析和检查工具；
基于 Clang 库的静态分析工具
- OCLint：默认支持70+检查规则，可定制、能够帮助发现问题
- Clang Static Analyzer(Clang 静态分析器)： C++ 开发的，分析 C、C++ 和 Objective-C 的开源工具
- Infer：Facebook 开源的静态分析工具，可以检查出 C、Java 和 Objective-C 空指针访问、资源泄露以及内存泄露等问题。
Clang和代码混淆
- 可以利用Clang的LibTooling来实现代码混淆，通过ATS接口，实现对类名、方法名、字符串的混淆；
- 但是之前做代码混淆，还是通过写脚本，结合宏定义、AES加密等手段实现对类名、方法名和字符串的混淆；了解更多可见浅谈代码混淆

三、静态链接器&动态链接器

1、静态链接器ld64

ld64将链接目标文件和静态库等；当链接静态库时，ld64会将库里的目标文件和项目中的目标文件组合生成一个可执行文件；静态库多了，可执行文件体积就大了；
一般，静态库生成的二进制中不裁剪调试符号信息，如果安装包选择裁剪符号，最终的安装包中不会包含静态库的调试符号，这一举措可以减少安装包体积；(调试符号可以合并在 dSYM 文件)；

2、ld64对优化的启示

优化编译速度：合并静态库，意味着链接过程中，更少的Page in和Page Fault。
优化启动速度：修改符号在二进制文件中链接顺序，优化启动性能（二进制重排）；
- 背景：当进程访问一个虚拟内存页，而对应的物理内存却不存在时，会触发一次Page Fault（缺页中断），将需要的数据 or 指令从磁盘加载到物理内存页中，建立映射关系，然后再恢复现场；
- 二进制重排原理：利用Xcode的Build Setting的Linking->Order File 选项可以指定链接符号顺序，减少程序加载过程中的缺页中断数。
- 二进制重排难点：或静态扫描、或运行时trace、或llvm 插桩或静态库插桩找到启动时候函数的执行顺序，函数含括Objective-C函数、C/C++函数等；
说明1：App Store渠道分发的App，Page Fault在iOS 13前还会进行签名验证，但是iOS 13后签名验证取消了，相对来说，iOS 13后一次Page Fault耗时少了；

说明2：如果指定的符号不存在，ld会忽略；如果提供了link选项-order_file_statistics，会以warning的形式把这些没找到的符号打印在日志里。

3、动态链接器dyld

iOS 13系统中，全面采用dyld 3，替代旧版本dyld 2；
dyld2从2004年发布以来，历经很多版本迭代；dyld2引入了保障安全的ASLR(地址空间布局随机化)、Code Sign和优化系统库载入性能的shared cache技术；dyld3进一步优化启动时间；
dyld会使用共享缓存，共享缓存在 /var/db/dyld/；当加载 Mach-O 文件时，dyld会先检查是否有共享缓存，每个进程都会在自己的地址空间映射这些共享缓存，这样做可以起到优化 App 启动速度的作用。

4、dyld加载过程及启示

过程大概如下：(三步静态调整(fix-up) + 一步动态调整)
- Load dylibs image：加载Mach-O需要的(部分)动态库镜像；
- Rebase/Bind image：Rebase修复的是指向当前镜像内部的资源指针； bind指向的是镜像外部的资源指针；
- Objc setup：注册Objc类 (class registration)、把Category的定义插入方法列表 (category registration)、保证每一个selector唯一 (selctor uniquing)
- initializers:
  - Objc的+load()函数
  - C++的构造函数属性函数形如attribute((constructor)) void DoSomeInitializationWork()
  - 非基本类型的C++静态全局变量的创建(通常是类或结构体)(non-trivial initializer) 比如一个全局静态结构体的构建，如果在构造函数中有繁重的工作，那么会拖慢启动速度。
优化启示：load函数中尽量少的操作，能延迟的尽量延迟；无用的代码尽早清除掉(主要是为了减少Objective-C类个数，减少selector)；
很多人提到减少系统库依赖帮助优化启动速度，目前实践和收益评估比较难；两方面原因：
- 启动时候，加载的系统库只是一部分，大部分还是在第一次使用才会加载(懒加载)；
- dyld加载动态库，是会使用共享缓存的，这对启动速度提升是正向的；

四、编译链接优化

1、查看Xcode编译时间

关闭Xcode
打开终端,输入如下命令后，

defaults write com.apple.dt.Xcode ShowBuildOperationDuration YES

重启Xcode，Build，可以查看编译时间

2、Xcode编译过程

创建app_name.app的文件夹;
把Entitlements.plist写入到DerivedData里，处理打包的时候需要的信息（如bundle-identifier）;
创建一些辅助文件，比如各种.hmap，这是headermap文件;
执行CocoaPods的编译前脚本：检查Manifest.lock文件;
编译.m文件，生成.o文件。
链接动态库，o文件，生成一个Mach-O格式的可执行文件。
编译assets，编译storyboard，链接storyboard
拷贝动态库Logger.framework，并且对其签名
执行CocoaPods编译后脚本：拷贝CocoaPods Target生成的Framework
对app_name.App签名，并验证
生成app_name.app

3、编译的常规优化

使用forward declaration(前向声明)：即用@class class_name，而不是#import "class_name.h",这样能减少编译时间；
常用头文件放到预编译文件里：Xcode的pch文件是预编译文件，这里的内容在执行Xcode Build之前就已经被预编译，并且引入到每一个.m文件里了。
Debug时Build Active Architecture Only设置为YES：只编译出支持当前CPU架构的安装包；

提高编译线程数：Xcode默认的编译线程数，就是CPU的内核数，可适当增加编译线程数来提高编译速度

# 获取当前内核数:  
sysctl -n hw.ncpu  

# 设置编译线程数：  
defaults write com.apple.dt.Xcode IDEBuildOperationMaxNumberOfConcurrentCompileTasks 12 

# 获取编译线程数：  
defaults read com.apple.dt.Xcode IDEBuildOperationMaxNumberOfConcurrentCompileTasks

Debug时， Debug Information Format改为 DWARF，不需要dSYM 文件，有一定的效果；
Debug时，Link-Time Optimization设置为NO：不使用LTO特性
Enable Index-While-Building Functionality设置为NO: 默认开启，Xcode 编译时会建立代码索引，影响编译速度；关闭后，在编译时就不会进行索引，而是在空闲时间建立代码索引（自动补全Code、查找定义）

4、Link-Time Optimization(LTO)

LTO主要是对链接过程的一个优化，开启LTO有三个好处：
- 多余代码去除（Dead code elimination）：LTO在link时候，发现跨多文件的无用代码；
- 跨过程优化（Interprocedural analysis and optimization）：最终不会执行的代码，在二进制结果文件中不出现；
- 内联优化（Inlining optimization）：汇编中不使用 “call func_name” 语句，直接将外部方法内的语句“复制”到调用者的代码段内。好处是不用进行调用函数前的压栈、调用函数后的出栈操作，提高运行效率与栈空间利用率。
LTO有Monilithic和Incremental两个方式选择，Release下，建议选择Incremental，Debug禁用LTO，因为LTO对符号剥离有点影响，可能会影响断点的单步执行；
选择Incremental这个优化方式，会有link cache，使二次编译的速度更快（只编译和链接少数修改过的文件），另一方面它还可能减小Code Size；而Monilithic 方式并不支持多线程和增量链接
开启 Incremental 的选项后，如果出现duplicate symbols错误，可以看下代码，有可能是全局变量使用不规范，应该：在定义时，必须使用 static 关键字或者单独在 .m 文件中定义，.h 文件中只能声明变量，而不应该定义变量；

5、总结

了解Xcode的编译链接过程，使用常规的优化手段，对提升编译速度有一定的效果；
升级硬件设备也是办法之一；体验过：13.3英寸Mac Pro -> 15.4英寸Mac Pro带来的编译提升体验；
如果要进一步优化编译链接速度，做的事情就很多了
- 模块/组件拆分，沉库，组件集成和发版
- Debug模式下，相关的用源码，无关的用二进制；
- 多个静态库合并；
- .....

五、热重载方案

1、Flutter的热重载

Flutter 是跨平台UI框架，使用自研的 Dart 语言配合在 App 内集成 Dart VM 的方式运行 Flutter 程序。
Flutter在Debug模型下，支持JIT（Just-in-time,即时编译）模式，可以实现实时编译，热重载，极大提高了调试效率；
Flutter实现热重载的原理：JIT将上次编译后改动过的代码及其关联到的代码库编译成Dart Kernel，发送到 Dart VM 里，Dart VM 会重新加载新的Dart Kernel，加载后会让 Flutter framework 触发所有的 Widgets （控件）和 Render Objects 进行重建、重布局、重绘。

运行在 Dart VM 上的 Dart Kernel是可以动态更新的

2、Swift UI的“热重载”

SwiftUI是Apple在2019年WWDC大会推出的基于 Swift 语言构建的全新 UI 框架，完全抛弃了Storyboard 和Autolayout，采用声明式的界面语言(DSL) 和实时预览功能，开发体验有了很大的提升；
其中，实时预览分静态预览和动态预览，默认情况下是静态预览，它的速度快，而且支持代码和可视化两种编写方式，不过它没有任何响应事件，无法滚动和跳转页面。而动态预览类似于Flutter的热重载，但是依然还有差距(需要编译一段时间，有一些限制)
SwiftUI还需要💪；此外，静态 UI 调试其实完全可以通过 StoryBoard，而真正实用的动态预览又有一定的局限性。

3、Injection for Xcode

John Holdsworth 开发的 Injection 的工具可以动态地将 Swift 或 Objective-C 的代码在已运行的程序中执行，到达热重载的效果；
Injection原理：
- 监听源代码文件的变化后，重新编译对应的类，打包成动态库(.dylib 文件)，然后通过Socket通知给运行的App；
- Injection将动态库通过dlopen将动态库载入到运行的 App 里，返回handler(句柄)；
- dlsym结合handler + 符号得到动态库的符号地址后，就可以处理类的替换工作了；
- 当替换工作完成，就重新绘制界面；整个过程无需重新编译和重启 App。
  
  dlopen 可以打开指定的动态库文件，并返回句柄；dlsym根据句柄和符号获得符号地址；dlclose可以卸载/关闭对应的动态库；
Injection for Xcode是利用注入动态库方式实现热重载，用到了dyld的API dlopen 和 dlsym(线下是OK的)；但是提审的App中不能带这两个API，否则会被拒的；

注意：Apple拒绝线上App有动态库注入的能力；

参考文章

iOS 13中dyld 3的改进和优化

Getting Started with the LLVM System

LLVM 初探

LLVM & Clang 入门

深入浅出iOS编译

不改代码，Link-Time Optimization提高iOS代码效率 + 汇编代码原理分析

有赞iOS-基于二进制的编译提效策略

今日头条iOS客户端启动速度优化