手撕iOS底层18 -- 类加载之初探--dyld与libObjc那些事

上篇应用程序加载之dydl的流程探究了系统启动应用的以及使用dyld动态链接器的过程，也提高了libObjc的初始化，以及在libObjc注册的回调函数map_images和load_images。load_images在已经讲了它的调用时机，所以本篇先看一下map_images在dyld的调用时机，再着重分析map_images作了哪些事情

0x00 - _objc_init源码解析

/***********************************************************************
* _objc_init
* Bootstrap initialization. Registers our image notifier with dyld.
* Called by libSystem BEFORE library initialization time
**********************************************************************/
void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    //读取影响运行时的环境变量，如果需要，还可以打开环境变量帮助 export OBJC_HELP = 1
    environ_init();
    //关于线程key的绑定，例如线程数据的析构函数
    tls_init();
    //运行C++静态构造函数，在dyld调用我们的静态析构函数之前，libc会调用_objc_init(),因此我们必须自己做
    static_init();
    //runtime运行时环境初始化，里面主要是unattachedCategories、allocatedClasses -- 分类初始化
    runtime_init();
    //初始化libobjc的异常处理系统
    exception_init();
    //缓存条件初始化
    cache_init();
    //启动回调机制，通常这不会做什么，因为所有的初始化都是惰性的，但是对于某些进程，我们会迫不及待地加载trampolines dylib
    _imp_implementationWithBlock_init();

    /*
     _dyld_objc_notify_register -- dyld 注册的地方
     - 仅供objc运行时使用
     - 注册处理程序，以便在映射、取消映射 和初始化objc镜像文件时使用，dyld将使用包含objc_image_info的镜像文件数组，回调 mapped 函数
     
     map_images:dyld将image镜像文件加载进内存时，会触发该函数
     load_images：dyld初始化image会触发该函数
     unmap_image：dyld将image移除时会触发该函数
     */
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);

#if __OBJC2__
    didCallDyldNotifyRegister = true;
#endif
}

下面简约的分析一下每一个函数：

environ_init();

初始化环境变量，系统也监听我们设置的环境变量

void environ_init(void) 
{
    //...省略部分逻辑
if (PrintHelp  ||  PrintOptions) {
        //...省略部分逻辑
        for (size_t i = 0; i < sizeof(Settings)/sizeof(Settings[0]); i++) {
            const option_t *opt = &Settings[i];            
            if (PrintHelp) _objc_inform("%s: %s", opt->env, opt->help);
            if (PrintOptions && *opt->var) _objc_inform("%s is set", opt->env);
        }
    }
}

通过这个函数，可以打印系统环境变量，方法有二

1. 把条件里的for循环放到外边打印

2. 通过终端使用export OBJC_HELP=1

也可以打印出来所有的环境变量

这些环境变量可以通过Xcode的Edit Scheme里的Environment variables 配置，常用有以下几个:

• DYLD_PRINT_STATISTICS：设置DYLD_PRINT_STATISTICS为YES，会打印App在main函数前的加载时长，包括整体加载时长和动态库的时长，通过这个环境可以查看耗时，对其耗时分析进行优化。

• OBJC_PRINT_LOAD_METHODS：打印class及Category的load方法

• OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA ：禁止对象生成nonpointer isa，通过之前的文章可以了解isa，isa末尾为1，生成普通对象(即isa末尾是0)

通过设置OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA为YES，看isa末尾是0

正常未设置OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA环境， isa末尾是1

tls_init 关于线程key的绑定

void tls_init(void)
{
#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
    pthread_key_init_np(TLS_DIRECT_KEY, &_objc_pthread_destroyspecific);
#else
    _objc_pthread_key = tls_create(&_objc_pthread_destroyspecific);
#endif
}

这个函数主要是本地线程池的初始化以及线程数据的析构函数

static_init

/***********************************************************************
* static_init
* Run C++ static constructor functions.
* libc calls _objc_init() before dyld would call our static constructors, 
* so we have to do it ourselves.
**********************************************************************/
static void static_init()
{
    size_t count;
    auto inits = getLibobjcInitializers(&_mh_dylib_header, &count);
    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
        inits[i]();
    }
}

这里会运行系统级别的 C++ 的静态构造函数，在 dyld 调用我们的静态构造函数之前，libObjc 会调用 _objc_init，所以这里我们必须自己来做，并且这里只会初始化系统内置的 C++ 静态构造函数，我们自己代码里面写的并不会在这里初始化。

runtime_init

void runtime_init(void)
{
    objc::unattachedCategories.init(32); //分类处理初始化
    objc::allocatedClasses.init(); // 类初始化表
}

runtime运行时环境初始化，里面主要是俩部分

unattachedCategories 分类初始化

allocatedClasses 类的存储表初始化

exception_init

/***********************************************************************
* exception_init
* Initialize libobjc's exception handling system.
* Called by map_images().
**********************************************************************/
void exception_init(void)
{
    old_terminate = std::set_terminate(&_objc_terminate);//crash 违反系统规定，系统给app的一些信号 ， 中断
}

主要libOjbc异常处理系统初始化，程序中触发的异常都会来到这里，执行异常回调

当程序有Crash发生时， 程序中的Crash是指违背了系统的一些指令，然后OS执行中断，会来到_objc_terminate， 抛出异常给到程序处理。

/***********************************************************************
* _objc_terminate
* Custom std::terminate handler.
*
* The uncaught exception callback is implemented as a std::terminate handler. 
* 1. Check if there's an active exception
* 2. If so, check if it's an Objective-C exception
* 3. If so, call our registered callback with the object.
* 4. Finally, call the previous terminate handler.
**********************************************************************/
static void (*old_terminate)(void) = nil;
static void _objc_terminate(void)
{
    if (PrintExceptions) {
        _objc_inform("EXCEPTIONS: terminating");
    }

    if (! __cxa_current_exception_type()) {
        // No current exception.
        (*old_terminate)();
    }
    else {
        // There is a current exception. Check if it's an objc exception.
        @try {
            __cxa_rethrow();
        } @catch (id e) {
            // It's an objc object. Call Foundation's handler, if any.
            (*uncaught_handler)((id)e);
            (*old_terminate)();
        } @catch (...) {
            // It's not an objc object. Continue to C++ terminate.
            (*old_terminate)();
        }
    }
}

发生异常会走到uncaught_handler，通过搜索看到这写内容

/***********************************************************************
* _objc_default_uncaught_exception_handler
* Default uncaught exception handler. Expected to be overridden by Foundation.
**********************************************************************/
static void _objc_default_uncaught_exception_handler(id exception)
{
}
static objc_uncaught_exception_handler uncaught_handler = _objc_default_uncaught_exception_handler;
/***********************************************************************
* objc_setUncaughtExceptionHandler
* Set a handler for uncaught Objective-C exceptions. 
* Returns the previous handler. 
**********************************************************************/
objc_uncaught_exception_handler 
objc_setUncaughtExceptionHandler(objc_uncaught_exception_handler fn)
{
    objc_uncaught_exception_handler result = uncaught_handler;
    uncaught_handler = fn;//fn为设置的异常句柄 传入的函数，为外界给的
    return result;
}

如果没有设置uncaught_handler，默认就为_objc_default_uncaught_exception_handler，什么也不做处理。

也可以通过objc_setUncaughtExceptionHandler传一个自定义函数fn设置给uncaught_handler，发生异常就可以回调到我们自己的函数中作处理了。

针对日常App开发中的Crash，可以通过NSSetUncaughtExceptionHandler机制来设置异常，实现线程保活， 手机上传崩溃日志。

应用程序Crash捕获

- (void)_caughtException
{
    // NSException
    // objc_uncaught_exception_handler
//    objc_setUncaughtExceptionHandler(objc_uncaught_exception_handler fn)
    NSSetUncaughtExceptionHandler(HandleNSException);
}


void HandleNSException(NSException *exception)
{
    __unused NSString *reason = exception.reason;
    __unused NSString *name   = exception.name;
    //存储crash信息。
}

cache_init

void cache_init()
{
#if HAVE_TASK_RESTARTABLE_RANGES
    mach_msg_type_number_t count = 0;
    kern_return_t kr;

    while (objc_restartableRanges[count].location) {
        count++;
    }
    //为当前任务注册一组可重新启动的缓存
    kr = task_restartable_ranges_register(mach_task_self(),
                                          objc_restartableRanges, count);
    if (kr == KERN_SUCCESS) return;
    _objc_fatal("task_restartable_ranges_register failed (result 0x%x: %s)",
                kr, mach_error_string(kr));
#endif // HAVE_TASK_RESTARTABLE_RANGES
}

主要是做一些缓存初始化

_imp_implementationWithBlock_init 启动回调机制

void
_imp_implementationWithBlock_init(void)
{
#if TARGET_OS_OSX
    // Eagerly load libobjc-trampolines.dylib in certain processes. Some
    // programs (most notably QtWebEngineProcess used by older versions of
    // embedded Chromium) enable a highly restrictive sandbox profile which
    // blocks access to that dylib. If anything calls
    // imp_implementationWithBlock (as AppKit has started doing) then we'll
    // crash trying to load it. Loading it here sets it up before the sandbox
    // profile is enabled and blocks it.
    // 在某些进程中渴望加载libobjc-trampolines.dylib。一些程序（最著名的是嵌入式Chromium的较早版本使用的QtWebEngineProcess）启用了严格限制的沙箱配置文件，从而阻止了对该dylib的访问。如果有任何调用imp_implementationWithBlock的操作（如AppKit开始执行的操作），那么我们将在尝试加载它时崩溃。将其加载到此处可在启用沙箱配置文件之前对其进行设置并阻止它。
    // This fixes EA Origin (rdar://problem/50813789)
    // and Steam (rdar://problem/55286131)
    if (__progname &&
        (strcmp(__progname, "QtWebEngineProcess") == 0 ||
         strcmp(__progname, "Steam Helper") == 0)) {
        Trampolines.Initialize();
    }
#endif
}

该方法主要是启动回调机制，通常这不会做什么，因为所有的初始化都是惰性的，但是对于某些进程，我们会迫不及待地加载libobjc-trampolines.dylib

_dyld_objc_notify_register

dyld注册回调函数

//
// Note: only for use by objc runtime
// Register handlers to be called when objc images are mapped, unmapped, and initialized.
// Dyld will call back the "mapped" function with an array of images that contain an objc-image-info section.
// Those images that are dylibs will have the ref-counts automatically bumped, so objc will no longer need to
// call dlopen() on them to keep them from being unloaded.  During the call to _dyld_objc_notify_register(),
// dyld will call the "mapped" function with already loaded objc images.  During any later dlopen() call,
// dyld will also call the "mapped" function.  Dyld will call the "init" function when dyld would be called
// initializers in that image.  This is when objc calls any +load methods in that image.
// 仅供objc运行时使用
// 注册处理程序，以便在映射、取消映射和初始化objc图像时调用
// dyld将会通过一个包含objc-image-info的镜像文件的数组回调mapped函数
void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped    mapped,
                                _dyld_objc_notify_init      init,
                                _dyld_objc_notify_unmapped  unmapped);

_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
 

• map_images：dyld将image（镜像文件）加载进内存时，会触发该函数
• load_images： dyld初始化image会触发该函数
• unmap_image： dyld将image移除时，会触发该函数

在上一篇应用程序加载之dydl的流程中，我们知道了load_images是在notifySingle方法中， 通过sNotifyObjCInit调用的，如下所示：

map_images调用时机

在dyld中，全局搜索sNotifyObjcMapped,

搜索notifyBatchPartial，

也就是说，map_images的调用时机比load_images要提前，即先map_images ，再load_images

环境变量说明

环境变量名	说明
OBJC_PRINT_OPTIONS	输出OBJC已设置的选项
OBJC_PRINT_IMAGES	输出已load的image信息
OBJC_PRINT_LOAD_METHODS	打印 Class 及 Category 的 + (void)load 方法的调用信息
OBJC_PRINT_INITIALIZE_METHODS	打印 Class 的 + (void)initialize 的调用信息
OBJC_PRINT_RESOLVED_METHODS	打印通过 +resolveClassMethod: 或 +resolveInstanceMethod: 生成的类方法
OBJC_PRINT_CLASS_SETUP	打印 Class 及 Category 的设置过程
OBJC_PRINT_PROTOCOL_SETUP	打印 Protocol 的设置过程
OBJC_PRINT_IVAR_SETUP	打印 Ivar 的设置过程
OBJC_PRINT_VTABLE_SETUP	打印 vtable 的设置过程
OBJC_PRINT_VTABLE_IMAGES	打印 vtable 被覆盖的方法
OBJC_PRINT_CACHE_SETUP	打印方法缓存的设置过程
OBJC_PRINT_FUTURE_CLASSES	打印从 CFType 无缝转换到 NSObject 将要使用的类（如 CFArrayRef 到 NSArray * ）
OBJC_PRINT_GC	打印一些垃圾回收操作
OBJC_PRINT_PREOPTIMIZATION	打印 dyld 共享缓存优化前的问候语
OBJC_PRINT_CXX_CTORS	打印类实例中的 C++ 对象的构造与析构调用
OBJC_PRINT_EXCEPTIONS	打印异常处理
OBJC_PRINT_EXCEPTION_THROW	打印所有异常抛出时的 Backtrace
OBJC_PRINT_ALT_HANDLERS	打印 alt 操作异常处理
OBJC_PRINT_REPLACED_METHODS	打印被 Category 替换的方法
OBJC_PRINT_DEPRECATION_WARNINGS	打印所有过时的方法调用
OBJC_PRINT_POOL_HIGHWATER	打印 autoreleasepool 高水位警告
OBJC_PRINT_CUSTOM_RR	打印含有未优化的自定义 retain/release 方法的类
OBJC_PRINT_CUSTOM_AWZ	打印含有未优化的自定义 allocWithZone 方法的类
OBJC_PRINT_RAW_ISA	打印需要访问原始 isa 指针的类
OBJC_DEBUG_UNLOAD	卸载有不良行为的 Bundle 时打印警告
OBJC_DEBUG_FRAGILE_SUPERCLASSES	当子类可能被对父类的修改破坏时打印警告
OBJC_DEBUG_FINALIZERS	警告实现了 -dealloc 却没有实现 -finalize 的类
OBJC_DEBUG_NIL_SYNC	警告 @synchronized(nil) 调用，这种情况不会加锁
OBJC_DEBUG_NONFRAGILE_IVARS	打印突发地重新布置 non-fragile ivars 的行为
OBJC_DEBUG_ALT_HANDLERS	记录更多的 alt 操作错误信息
OBJC_DEBUG_MISSING_POOLS	警告没有 pool 的情况下使用 autorelease，可能内存泄漏
OBJC_DEBUG_DUPLICATE_CLASSES	当出现类重名时停机
OBJC_USE_INTERNAL_ZONE	在一个专用的 malloc 区分配运行时数据
OBJC_DISABLE_GC	强行关闭自动垃圾回收，即使可执行文件需要垃圾回收
OBJC_DISABLE_VTABLES	关闭 vtable 分发
OBJC_DISABLE_PREOPTIMIZATION	关闭 dyld 共享缓存优化前的问候语
OBJC_DISABLE_TAGGED_POINTERS	关闭 NSNumber 等的 tagged pointer 优化
OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA	关闭 non-pointer isa 字段的访问

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