dyld与objc的关联

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iOS 底层原理 文章汇总

本文的主要目的是理解dyld与objc是如何关联的

在上一篇文章dyld加载流程 中,我们梳理了dyld的加载流程,下面来详细介绍下dyld和objc的关联

_objc_init 源码解析

首先,来看下libObjc中的_objc_init方法源码

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根据源码所知,主要分为以下几部分:

  • environ_init:初始化一系列环境变量,并读取影响运行时的环境变量
  • tls_init:关于线程key的绑定
  • static_init:运行C++静态构造函数(只会运行系统级别的构造函数),在dyld调用静态析构函数之前,libc会调用_objc_init
  • runtime_init:runtime运行时环境初始化,里面操作是unattachedCategoriesallocatedClasses(表的初始化)
  • exception_init:初始化libObjc的异常处理系统
  • cache_init: cache缓存初始化
  • _imp_implementationWithBlock_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
  • _dyld_objc_notify_register: dyld的注册

下面主要针对以上几部分配合源码进行说明

1、environ_init方法:环境变量初始化

environ_init方法的源码如下,其中的关键代码是 for 循环

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以下两种方式可以打印所有的环境变量

  • 将for循环单独拿出来,去除所有条件,打印环境变量

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通过终端命令export OBJC_HELP=1,打印环境变量

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这些环境变量,均可以通过target -- Edit Scheme -- Run --Arguments -- Environment Variables配置,其中常用的环境变量主要有以下几个(环境变量汇总见文末!):

  • DYLD_PRINT_STATISTICS:设置 DYLD_PRINT_STATISTICS 为YES,控制台就会打印 App 的加载时长,包括整体加载时长和动态库加载时长,即main函数之前的启动时间(查看pre-main耗时),可以通过设置了解其耗时部分,并对其进行启动优化
  • OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA:杜绝生成相应的nonpointer isa(nonpointer isa指针地址 末尾为1 ),生成的都是普通的isa
  • OBJC_PRINT_LOAD_METHODS:打印 Class 及 Category 的 + (void)load 方法的调用信息
  • NSDoubleLocalizedStrings:项目做国际化本地化(Localized)的时候是一个挺耗时的工作,想要检测国际化翻译好的语言文字UI会变成什么样子,可以指定这个启动项。可以设置 NSDoubleLocalizedStringsYES
  • NSShowNonLocalizedStrings:在完成国际化的时候,偶尔会有一些字符串没有做本地化,这时就可以设置NSShowNonLocalizedStrings 为YES,所有没有被本地化的字符串全都会变成大写

环境变量 - OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA

OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA为例,将其设置为YES,如下图所示

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未设置 OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA前, isa地址的二进制打印,末尾为1

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设置OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA环境变量后,末尾变成了0

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所以OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA可以控制isa优化开关,从而优化整个内存结构

环境变量 - OBJC_PRINT_LOAD_METHODS

  • 配置打印load 方法的环境变量OBJC_PRINT_LOAD_METHODS,设置为YES
  • LGPerson类中重写+load函数,运行程序,load函数的打印如下

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所以,OBJC_PRINT_LOAD_METHODS可以监控所有的+load方法,从而处理启动优化(后续会总结下启动优化方法)

2、tls_init:线程key的绑定

主要是本地线程池初始化以及析构,源码如下

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3、static_init:运行系统级别的C++静态构造函数

主要是运行系统级别的C++静态构造函数,在dyld调用我们的静态构造函数之前,libc调用_objc_init方法,即系统级别的C++构造函数 先于 自定义的C++构造函数 运行

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4、runtime_init:运行时环境初始化

主要是运行时的初始化,主要分为两部分:分类初始化类的表初始化(后续会详细讲解对应的函数)

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5、exception_init:初始化libobjc的异常处理系统

主要是初始化libobjc的异常处理系统,注册异常处理的回调,从而监控异常的处理,源码如下

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  • 当有crash(crash是指系统发生的不允许的一些指令,然后系统给的一些信号)发生时,会来到_objc_terminate方法,走到uncaught_handler扔出异常

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  • 搜索uncaught_handler,在app层会传入一个函数用于处理异常,以便于调用函数,然后回到原有的app层中,如下所示,其中fn即为传入的函数,即 uncaught_handler 等于 fn

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crash分类

crash的主要原因是收到了未处理的信号,主要来源于三个地方:

  • kernel 内核
  • 其他进行
  • App本身

所以相对应的,crash也分为了3种

  • Mach异常:是指最底层的内核级异常。用户态的开发者可以直接通过Mach API设置thread,task,host的异常端口,来捕获Mach异常。
  • Unix信号:又称BSD 信号,如果开发者没有捕获Mach异常,则会被host层的方法ux_exception()将异常转换为对应的UNIX信号,并通过方法threadsignal()将信号投递到出错线程。可以通过方法signal(x, SignalHandler)来捕获single
  • NSException 应用级异常:它是未被捕获的Objective-C异常,导致程序向自身发送了SIGABRT信号而崩溃,对于未捕获的Objective-C异常,是可以通过try catch来捕获的,或者通过NSSetUncaughtExceptionHandler()机制来捕获

针对应用级异常,可以通过注册异常捕获的函数,即NSSetUncaughtExceptionHandler机制,实现线程保活, 收集上传崩溃日志

应用级crash拦截

所以在开发中,会针对crash进行拦截处理,即app代码中给一个异常句柄NSSetUncaughtExceptionHandler,传入一个函数给系统,当异常发生后,调用函数(函数中可以线程保活、收集并上传崩溃日志),然后回到原有的app层中,其本质就是一个回调函数,如下图所示

crash处理流程

上述方式只适合收集应用级异常,我们要做的就是用自定义的函数替代该ExceptionHandler即可

6、cache_t::init 缓存初始化

主要是缓存初始化,源码如下

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7、_imp_implementationWithBlock_init:启动回调机制

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,其源码如下

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8、_dyld_objc_notify_register:dyld注册

_dyld_objc_notify_register方法

这个方法的具体实现在dyld加载流程已经有详细说明,其源码实现是在dyld源码中,以下是_dyld_objc_notify_register方法的声明

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从注释中,可以得出:

  • 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

方法中的三个参数分别表示的含义如下:

  • map_images:dyld将image(镜像文件)加载进内存时,会触发该函数
  • load_image: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与Objc的关联

其方法的源码实现与调用如下,即dyld与Objc的关联可以通过源码体现

  • libobjc源码中--调用

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  • dyld源码--具体实现

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从上可以得出

  • mapped 等价于 map_images
  • init 等价于 load_images
  • unmapped 等价于 unmap_image

dyld加载流程中,我们知道了load_images是在notifySingle方法中,通过sNotifyObjCInit调用的,如下dyld中所示

sNotifyObjCInit调用

然后通过查找sNotifyObjCInit,最终找到了_dyld_objc_notify_register --> registerObjCNotifiers,在该方法中将_dyld_objc_notify_register传入的参数赋值给了3个回调方法

registerObjCNotifiers方法

所以 有以下等价关系

  • sNotifyObjCMapped == mapped == map_images
  • sNotifyObjCInit == init == load_images
  • sNotifyObjCUnmapped == unmapped == unmap_image

map_images调用时机

关于load_images的调用时机已经在dyld加载流程中讲解过了,下面以map_images为例,看看其调用时机

  • dyld中全局搜索 sNotifyObjcMapped :registerObjCNotifiers -- notifyBatchPartial -- sNotifyObjCMapped

sNotifyObjCMapped调用

全局搜索notifyBatchPartial,在registerObjCNotifiers方法中调用

notifyBatchPartial调用

所以有以下结论:map_images是先于load_images调用,即先map_images ,再load_images

dyld与Objc关联

结合dyld加载流程,dyld与Objc的关联如下图所示

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  • dyld中注册回调函数,可以理解为 添加观察者
  • 在objc中dyld注册,可以理解为发送通知
  • 触发回调,可以理解为执行通知selector

附录

环境变量汇总

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