[iOS进阶] - iOS编译原理

我用代码成就你的梦想
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前言

一般可以将编程语言分为两种，编译语言和直译式语言。

像C++、Objective-C都是编译语言。编译语言在执行的时候，必须先通过编译器生成机器码，机器码可以直接在CPU上执行，所以执行效率较高。

像JavaScript、Python都是直译式语言。直译式语言不需要要经过编译的过程，而在执行的时候通过一个中间的解释器将代码解释为CPU可以执行的代码。所以，较编译语言来说，直译式语言效率较低一些，但是编写的更灵活，也就是为啥JS大法好。

iOS开发目前常用的语言是：Objective-C和Swift。二者都是编译语言，换句话说都是需要编译才能执行的。二者的编译都是依赖于Clang(swift) + LLVM. 篇幅限制，本文只关注Objective C，因为原理上大同小异。

iOS编译

Objective-C采用Clang作为前端，而 Swift 则自己实现了一个前端来进行 Swift 编译，二者都以LLVM(Low level vritual machine)作为编译器后端。所以简单的编译过程如图

其中，swift编译命令可以在这里找到

/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/swift

可以通过Clang，来查看一个文件的编译具体过程，新建Demo

#import <Foundation/Foundation.h>
  
int main(){
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%@",@"Hello World");
    }
    return 0;
}

然后终端输入：

clang -ccc-print-phases -framework Foundation Demo.m -o Demo 
0: input, "Foundation", object 
1: input, "Demo.m", objective-c
2: preprocessor, {1}, objective-c-cpp-output//预处理
3: compiler, {2}, ir //编译生成IR(中间代码)
4: backend, {3}, assembler//汇编器生成汇编代码
5: assembler, {4}, object//生成机器码
6: linker, {0, 5}, image//链接
7: bind-arch, "x86_64", {6}, image//生成Image，也就是最后的可执行文件

接着，就可以在终端直接运行这个程序了：

./Demo
Leo$ ./Demo 
Demo[923:24816] Hello World

编译器前端

编译器前端的任务是：对目标语言代码进行语法分析，语义分析，生成中间代码。在这个过程中，会进行类型检查，如果发现错误或者警告会标注出来在哪一行。我们在开发的过程中，其实 Xcode 也会使用前端工具对你的代码进行分析，并实时的检查出来某些错误。

共用优化器

共用优化器将生成的中间文件进行优化，去除冗余代码，进行结构优化。

编译器后端

编译器后段将优化后的中间代码再次转换，变成汇编语言，并再次进行优化，最后将各个文件代码转换为机器代码并链接。链接是指将不同代码文件编译后的不同机器代码文件合并成一个可执行文件。iOS的编译过程，后端的处理如下。

  • LVVM优化器会进行BitCode的生成，链接期优化等等。

  • LLVM机器码生成器会针对不同的架构，比如arm64等生成不同的机器码。

执行一次Xcode build的流程

当你在Xcode中，执行build的时候，会执行如下过程

  • 写入辅助文件：将项目的文件结构对应表、将要执行的脚本、项目依赖库的文件结构对应表写成文件，方便后面使用；并且创建一个.app包，后面编译后的文件都会被放入包中。

  • 处理文件打包信息，例如在debug环境下。

    Entitlements:
{
    "application-identifier" = "app的bundleid";
    "aps-environment" = development;
}

  • 运行预设脚本：执行CocoaPod编译前脚本，例如对于使用CocoaPod的工程会执行CheckPods Manifest.lock

  • 编译文件：编译各个.m文件，使用CompileC和clang命令。生成可执行文件 Mach-O，这过程 LLVM 的完整流程，前端、优化器、后端。

    CompileC ClassName.o ClassName.m normal x86_64 objective-c com.apple.compilers.llvm.clang.1_0.compiler
export LANG=en_US.US-ASCII
export PATH="..."
clang -x objective-c -arch x86_64 -fmessage-length=0 -fobjc-arc... -Wno-missing-field-initializers ... -DDEBUG=1 ... -isysroot iPhoneSimulator10.1.sdk -fasm-blocks ... -I 上文提到的文件 -F 所需要的Framework  -iquote 所需要的Framework  ... -c ClassName.c -o ClassName.o

    通过这个编译的命令，我们可以看到

    clang是实际的编译命令
-x 		objective-c 指定了编译的语言
-arch 	x86_64制定了编译的架构，类似还有arm7等
-fobjc-arc 一些列-f开头的，指定了采用arc等信息。这个也就是为什么你可以对单独的一个.m文件采用非ARC编程。
-Wno-missing-field-initializers 一系列以-W开头的，指的是编译的警告选项，通过这些你可以定制化编译选项
-DDEBUG=1 一些列-D开头的，指的是预编译宏，通过这些宏可以实现条件编译
-iPhoneSimulator10.1.sdk 制定了编译采用的iOS SDK版本
-I 把编译信息写入指定的辅助文件
-F 链接所需要的Framework
-c ClassName.c 编译文件
-o ClassName.o 编译产物

  • 链接文件：链接需要的Framework，例如Foundation.framework,AFNetworking.framework,ALiPay.fframework

  • 拷贝资源文件：将项目中的资源文件拷贝到目标包。

  • 编译 storyboard 文件：storyboard 文件也是会被编译的。

  • 链接 storyboard 文件：将编译后的 storyboard 文件链接成一个文件。

  • 编译 Asset 文件：我们的图片如果使用 Assets.xcassets 来管理图片，那么这些图片将会被编译成机器码，除了 icon 和 launchImage。

  • 处理info.plist

  • 运行 Cocoapods 脚本：将在编译项目之前已经编译好的依赖库和相关资源拷贝到包中。

  • 将 Swift 标准库拷贝到包中。

  • 创建.app文件和对其签名。

IPA包的内容

例如，我们通过iTunes Store下载微信，然后获得ipa安装包，然后实际看看其安装包的内容。

  • 右键ipa，重命名为.zip

  • 双击zip文件，解压缩后会得到一个文件夹。所以，ipa包就是一个普通的压缩包。

右键图中的WeChat，选择显示包内容，然后就能够看到实际的ipa包内容了。

二进制文件的内容

通过XCode的Link Map File，我们可以窥探二进制文件中布局。

在XCode -> Build Settings -> 搜索map -> 开启Write Link Map File

开启后，在编译，我们可以在对应的Debug/Release目录下看到对应的link map的text文件。

默认的目录在：

~/Library/Developer/Xcode/DerivedData/<TARGET-NAME>-对应ID/Build/Intermediates/<TARGET-NAME>.build/Debug-iphoneos/<TARGET-NAME>.build/

例如，我的TargetName是EPlusPan4Phone，目录如下：

/Users/huangwenchen/Library/Developer/Xcode/DerivedData/EPlusPan4Phone-eznmxzawtlhpmadnbyhafnpqpizo/Build/Intermediates/EPlusPan4Phone.build/Debug-iphonesimulator/EPlusPan4Phone.build

这个映射文件的主要包含以下部分：

Object files

这个部分包括的内容

  • .o 文文件，也就是上文提到的.m文件编译后的结果。

  • .a文件

  • 需要link的framework

    #！ Arch: x86_64 #Object files: [0] linker synthesized [1] /EPlusPan4Phone.build/EPlusPan4Phone.app.xcent [2]/EPlusPan4Phone.build/Objects-normal/x86_64/ULWBigResponseButton.o … [1175]/UMSocial_Sdk_4.4/libUMSocial_Sdk_4.4.a(UMSocialJob.o) [1188]/iPhoneSimulator10.1.sdk/System/Library/Frameworks//Foundation.framework/Foundation

这个区域的存储内容比较简单：前面是文件的编号，后面是文件的路径。文件的编号在后续会用到

Sections

这个区域提供了各个段（Segment）和节（Section）在可执行文件中的位置和大小。这个区域完整的描述克可执行文件中的全部内容。

其中，段分为两种

__TEXT 代码段 __DATA 数据段 例如，之前写的一个App，Sectio区域如下，可以看到，代码段的

__text节的地址是0x1000021B0，大小是0x0077EBC3，而二者相加的下一个位置正好是__stubs的位置0x100780D74。

# Sections:
# 位置       大小        段       节
# Address	Size    	Segment	Section
0x1000021B0	0x0077EBC3	__TEXT	__text //代码
0x100780D74	0x00000FD8	__TEXT	__stubs
0x100781D4C	0x00001A50	__TEXT	__stub_helper
0x1007837A0	0x0001AD78	__TEXT	__const //常量
0x10079E518	0x00041EF7	__TEXT	__objc_methname //OC 方法名
0x1007E040F	0x00006E34	__TEXT	__objc_classname //OC 类名
0x1007E7243	0x00010498	__TEXT	__objc_methtype  //OC 方法类型
0x1007F76DC	0x0000E760	__TEXT	__gcc_except_tab 
0x100805E40	0x00071693	__TEXT	__cstring  //字符串
0x1008774D4	0x00004A9A	__TEXT	__ustring  
0x10087BF6E	0x00000149	__TEXT	__entitlements 
0x10087C0B8	0x0000D56C	__TEXT	__unwind_info 
0x100889628	0x000129C0	__TEXT	__eh_frame
0x10089C000	0x00000010	__DATA	__nl_symbol_ptr
0x10089C010	0x000012C8	__DATA	__got
0x10089D2D8	0x00001520	__DATA	__la_symbol_ptr
0x10089E7F8	0x00000038	__DATA	__mod_init_func
0x10089E840	0x0003E140	__DATA	__const //常量
0x1008DC980	0x0002D840	__DATA	__cfstring
0x10090A1C0	0x000022D8	__DATA	__objc_classlist // OC 方法列表
0x10090C498	0x00000010	__DATA	__objc_nlclslist 
0x10090C4A8	0x00000218	__DATA	__objc_catlist
0x10090C6C0	0x00000008	__DATA	__objc_nlcatlist
0x10090C6C8	0x00000510	__DATA	__objc_protolist // OC协议列表
0x10090CBD8	0x00000008	__DATA	__objc_imageinfo
0x10090CBE0	0x00129280	__DATA	__objc_const // OC 常量
0x100A35E60	0x00010908	__DATA	__objc_selrefs
0x100A46768	0x00000038	__DATA	__objc_protorefs 
0x100A467A0	0x000020E8	__DATA	__objc_classrefs 
0x100A48888	0x000019C0	__DATA	__objc_superrefs // OC 父类引用
0x100A4A248	0x0000A500	__DATA	__objc_ivar // OC iar
0x100A54748	0x00015CC0	__DATA	__objc_data
0x100A6A420	0x00007A30	__DATA	__data
0x100A71E60	0x0005AF70	__DATA	__bss
0x100ACCDE0	0x00053A4C	__DATA	__common

Symbols

Section部分将二进制文件进行了一级划分。而，Symbols对Section中的各个段进行了二级划分，例如，对于__TEXT __text,表示代码段中的代码内容。

0x1000021B0	0x0077EBC3	__TEXT	__text //代码

而对应的Symbols，起始地址也是0x1000021B0。其中，文件编号和上文的编号对应

[2]/EPlusPan4Phone.build/Objects-normal/x86_64/ULWBigResponseButton.o

具体内容如下

# Symbols:
  地址     大小          文件编号    方法名
# Address	Size    	File       Name
0x1000021B0	0x00000109	[  2]     -[ULWBigResponseButton pointInside:withEvent:]
0x1000022C0	0x00000080	[  3]     -[ULWCategoryController liveAPI]
0x100002340	0x00000080	[  3]     -[ULWCategoryController categories]
....

到这里，我们知道OC的方法是如何存储的，我们再来看看ivar是如何存储的。 首先找到数据栈中__DATA __objc_ivar

0x100A4A248	0x0000A500	__DATA	__objc_ivar

然后，搜索这个地址0x100A4A248，就能找到ivar的存储区域。

0x100A4A248	0x00000008	[  3] *OBJC_IVAR*$_ULWCategoryController._liveAPI

值得一提的是，对于String，会显式的存储到数据段中，例如：

0x1008065C2	0x00000029	[ 11] literal string: [<http://sns.whalecloud.com/sina2/callback>](<http://sns.whalecloud.com/sina2/callback>)

所以，若果你的加密Key以明文的形式写在文件里，是一件很危险的事情。

dSYM 文件

我们在每次编译过后，都会生成一个dsym文件。dsym文件中，存储了16进制的函数地址映射。

在App实际执行的二进制文件中，是通过地址来调用方法的。在App crash的时候，第三方工具（Fabric,友盟等）会帮我们抓到崩溃的调用栈，调用栈里会包含crash地址的调用信息。然后，通过dSYM文件，我们就可以由地址映射到具体的函数位置。

Xcode中，选择Window -> Organizer可以看到我们生成的archier文件。

其他场景

attribute

或多或少，你都会在第三方库或者iOS的头文件中，见到过__attribute__ 比如:

__attribute__ ((warn_unused_result)) //如果没有使用返回值，编译的时候给出警告

attribute **** 是一个高级的的编译器指令，它允许开发者指定更更多的编译检查和一些高级的编译期优化。

分为三种：

  • 函数属性 （Function Attribute）
  • 类型属性 (Variable Attribute )
  • 变量属性 (Type Attribute )

语法结构

attribute 语法格式为：attribute ((attribute-list)) 放在声明分号";"前面。

比如，在三方库中最常见的，声明一个属性或者方法在当前版本弃用了

@property (strong,nonatomic)CLASSNAME * property __deprecated;

这样的好处是：给开发者一个过渡的版本，让开发者知道这个属性被弃用了，应当使用最新的API，但是被__deprecated的属性仍然可以正常使用。如果直接弃用，会导致开发者在更新Pod的时候，代码无法运行了。

__attribtue__的使用场景很多，本文只列举iOS开发中常用的几个：

//弃用API，用作API更新
#define __deprecated	**attribute**((deprecated))

//带描述信息的弃用
#define __deprecated_msg(_msg) **attribute**((deprecated(_msg)))

//遇到__unavailable的变量/方法，编译器直接抛出Error
#define __unavailable	**attribute**((unavailable))

//告诉编译器，即使这个变量/方法 没被使用，也不要抛出警告
#define __unused	**attribute**((unused))

//和__unused相反
#define __used		**attribute**((used))

//如果不使用方法的返回值，进行警告
#define __result_use_check **attribute**((**warn_unused_result**))

//OC方法在Swift中不可用
#define __swift_unavailable(_msg)	**attribute**((**availability**(swift, unavailable, message=_msg)))

Clang警告处理

你一定还见过如下代码：

#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
///代码
#pragma clang diagnostic pop

这段代码的作用是:

  1. 对当前编译环境进行压栈
  2. 忽略-Wundeclared-selector（未声明的）Selector警告
  3. 编译代码
  4. 对编译环境进行出栈

通过clang diagnostic push/pop,你可以灵活的控制代码块的编译选项。

预处理

所谓预处理，就是在编译之前的处理。预处理能够让你定义编译器变量，实现条件编译。 比如，这样的代码很常见

#ifdef DEBUG
//...
#else
//...
#endif

同样，我们同样也可以定义其他预处理变量,在XCode-选中Target-build settings中，搜索proprecess。然后点击图中蓝色的加号，可以分别为debug和release两种模式设置预处理宏。 比如我们加上：TestServer，表示在这个宏中的代码运行在测试服务器

然后，配合多个Target（右键Target，选择Duplicate），单独一个Target负责测试服务器。这样我们就不用每次切换测试服务器都要修改代码了。

#ifdef TESTMODE
//测试服务器相关的代码
#else
//生产服务器相关代码
#endif

插入脚本

通常，如果你使用CocoaPod来管理三方库，那么你的Build Phase是这样子的：

其中：[CP]开头的，就是CocoaPod插入的脚本。

  • Check Pods Manifest.lock，用来检查Cocoapods管理的三方库是否需要更新
  • Embed Pods Framework，运行脚本来链接三方库的静态/动态库
  • Copy Pods Resources，运行脚本来拷贝三方库的资源文件

而这些配置信息都存储在这个文件(.xcodeprog)里

到这里，CocoaPod的原理也就大致搞清楚了，通过修改xcodeproject，然后配置编译期脚本，来保证三方库能够正确的编译连接。

同样，我们也可以插入自己的脚本，来做一些额外的事情。比如，每次进行archive的时候，我们都必须手动调整target的build版本，如果一不小心，就会忘记。这个过程，我们可以通过插入脚本自动化。

buildNumber=$(/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleVersion" "${PROJECT_DIR}/${INFOPLIST_FILE}")
buildNumber=$(($buildNumber + 1))
/usr/libexec/PlistBuddy -c "Set :CFBundleVersion $buildNumber" "${PROJECT_DIR}/${INFOPLIST_FILE}"

这段脚本其实很简单，读取当前pist的build版本号,然后对其加一，重新写入。

使用起来也很简单：

  • Xcode - 选中Target - 选中build phase

  • 选择添加Run Script Phase

  • 然后把这段脚本拷贝进去，并且勾选Run Script Only When installing，保证只有我们在安装到设备上的时候，才会执行这段脚本。重命名脚本的名字为Auto Increase build number

  • 然后，拖动这个脚本的到Link Binary With Libraries下面

脚本编译打包

脚本化编译打包对于CI（持续集成）来说，十分有用。iOS开发中，编译打包必备的两个命令是：

//编译成.app
xcodebuild  -workspace $projectName.xcworkspace -scheme $projectName  -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir
//打包
xcrun -sdk iphoneos PackageApplication -v $appDir/$projectName.app -o $appDir/$ipaName.ipa

通过info命令，可以查看到详细的文档
info xcodebuild

在本文最后的附录中，提供了我之前使用的一个自动打包的脚本。

提高项目编译速度

通常，当项目很大，源代码和三方库引入很多的时候，我们会发现编译的速度很慢。在了解了XCode的编译过程后，我们可以从以下角度来优化编译速度：

查看编译时间

我们需要一个途径，能够看到编译的时间，这样才能有个对比，知道我们的优化究竟有没有效果。 对于XCode 8，关闭XCode，终端输入以下指令

$ defaults write com.apple.dt.Xcode ShowBuildOperationDuration YES

然后，重启XCode，然后编译，你会在这里看到编译时间。

代码层面的优化

forward declaration

所谓forward declaration，就是@class CLASSNAME，而不是#import CLASSNAME.h。这样，编译器能大大提高#import的替换速度。

对常用的工具类进行打包（Framework/.a）

打包成Framework或者静态库，这样编译的时候这部分代码就不需要重新编译了。

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。

编译器选项优化

Debug模式下，不生成dsym文件

上文提到了，dysm文件里存储了调试信息，在Debug模式下，我们可以借助XCode和LLDB进行调试。所以，不需要生成额外的dsym文件来降低编译速度。

Debug开启Build Active Architecture Only

在XCode -> Build Settings -> Build Active Architecture Only 改为YES。这样做，可以只编译当前的版本，比如arm7/arm64等等，记得只开启Debug模式。这个选项在高版本的XCode中自动开启了。

Debug模式下，关闭编译器优化

编译器优

原文链接：blog.csdn.net/hello_hwc/a…

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