iOS小知识之应用程序的加载

叶秋主
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小知识，大挑战！本文正在参与“程序员必备小知识”创作活动。

1.程序加载的原理

系统内核将可执行文件从磁盘中加载到内存中，内存中的二进制文件，我们称之为image镜像文件。之后，系统会加载动态链接器dyld。dyld只会负责动态库的加载，主程序也会作为镜像形式被dyld管理起来。
dyld从可执行文件的依赖开始，递归加载所有以来的动态库。无论是动态链还是APP本身的可执行文件，它们都是image镜像，而每个APP都是以image为单位进行加载的。

2.编译过程

编译过程如下图所示：

image-7.png

  • 源文件：.h、.m、.cpp等文件
  • 预编译：替换宏，删除注释，展开头文件，词法分析、语法分析。生成.i文件
  • 编译：转换成汇编语言，生成.s文件
  • 汇编：把汇编语言文件转换为机器码文件，产生.o文件
  • 链接：对.o文件中引用其他库的地方进行引用，生成最后的可执行文件

3.静态库&动态库

库（Library）：就是一段编译好的二进制代码，可以被系统加载，加上头文件就可以供别人使用，常用的库文件格式有：.a、.dyld、.framework、.xcframework、.tdb

3.1 什么时候会用到库？
  • 某些代码需要给别人使用，但是我们不希望别人看到源码，就需要以库的形式进行封装，只暴露出头文件
  • 对于某些不会进行大改动的代码，我们想减少编译的时间，就可以把它打包成库。因为库是已经编译好的二进制，编译的时候只需要Link一下，不会浪费编译时间
3.2 什么是链接

库（Library）在使用的时候需要链接（Link） 链接的方式有两种:静态和动态。

3.3 什么是静态库？

静态库即静态链接库：可以简单的看成一组目标文件的集合。即很多目标文件经过压缩打包成形成的文件。Windows下的.lib，Linux和Mac下的.a，Mac独有的.framework。
缺点：浪费内存和磁盘空间，模块更新困难

3.4 什么是动态库？

与静态库相反，动态库在编译时并不会被拷贝到目标程序中，目标程序中只会存储指向动态库的引用。等到程序运行时，动态库才会被真正加载进来。格式有：.framework、.dyld、.tdb
缺点：会导致一些性能损失。但是可以优化，比如延迟绑定（Lazy Binding）技术

4. dyld

4.1 dyld是什么？

dyld：动态链接器，加载所有的库和可执行文件
libdyld.dylib：给我们的程序提供在Runtime期间能使用动态连接功能

4.2 加载程序的过程
  • 调用fork函数，创建一个process（进程）调用execve或其衍生函数，在该进程上加载，执行我们的Mach-O文件
  • 将文件加载到内存
  • 开始分析Mach-O中的mach_header，以确认它时有效的Mach-O文件
  • 验证通过，根据mach_header解析load commands。根据解析结果，将程序各个部分加载到指定的地址空间，同时设置保护标记
  • 从LC_LOAD_DYLINKEN中加载dyld
  • dyld开始工作
4.3 dyld的工作是什么？
  • 执行自身初始化配置加载环境LC_DYLD_INFO_ONLY
  • 加载当前程序链接的所有动态库到指定的内存中LC_LOAD_DYLIB
  • 搜索所有的动态库，绑定需要在调用程序之前用的符号（非懒加载符号）LC_DYSYMTAB
  • 在间接符号表（indirect symbol table）中，将需要绑定的导入符号真是地址替换LC_DYSYMTAB
  • 向程序提供在Runtime时使用dyld的接口函数（存在libdyld.dylib中，由LC_LOAD_DYLIB提供）
  • 配置Runtime，执行所有动态库。image中使用的全局构造函数
  • dyld调用程序入口函数，开始执行程序LC_MAIN
4.4 程序启动的初始方法

在ViewController中，加入load方法

@implementation ViewController 

+ (void)load{
    NSLog(@"ViewController load方法");
}

@end

在main.m中加入C++构造函数

__attribute__((constructor)) void func(){ 
    printf("\n C++构造函数：%s \n",__func__); 
}

在main.m函数中，增加NSLog打印

int main(int argc, char * argv[]) { 
    NSString * appDelegateClassName; 
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"main函数");
        // Setup code that might create autoreleased objects goes here.
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]); 
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName); 
}

------------------------- 

//输出结果： 
ViewController load方法 
C++构造函数：func 
main函数
  • load方法 -> C++构造函数 -> main函数

main函数为程序入口，但load方法和C++构造函数的执行时机比main函数更早，它们时被谁调用的？ 在load方法中设置断点，查看函数调用栈

image-8.png 可以发现应用启动时的初始方法，由dyld中的_dyld_start开始的。

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