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iOS编译过程的原理和应用

iOS开发目前的常用语言是:Objective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 + LLVM. 篇幅限制,本文只关注Objective C,因为原理上大同小异。

作者:佚名来源:iOS大全|2017-04-11 08:36

Tech Neo技术沙龙 | 11月25号,九州云/ZStack与您一起探讨云时代网络边界管理实践


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。直译式语言不需要经过编译的过程,而是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开发目前的常用语言是:Objective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 + LLVM. 篇幅限制,本文只关注Objective C,因为原理上大同小异。

可能会有同学想问,我不懂编译的过程,写代码也没问题啊?这点我是不否定的。但是,充分理解了编译的过程,会对你的开发大有帮助。本文的最后,会以以下几个例子,来讲解如何合理利用XCode和编译

  • __attribute__
  • Clang警告处理
  • 预处理
  • 插入编译期脚本
  • 提高项目编译速度

对于不想看我啰里八嗦讲一大堆原理的同学,可以直接跳到本文的最后一个章节。

iOS编译

不管是OC还是Swift,都是采用Clang作为编译器前端,LLVM(Low level vritual machine)作为编译器后端。所以简单的编译过程如图  

iOS编译过程

编译器前端

编译器前端的任务是进行:语法分析,语义分析,生成中间代码(intermediate representation )。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。  

编译器前端

编译器后端

编译器后端会进行机器无关的代码优化,生成机器语言,并且进行机器相关的代码优化。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,选择build的时候(快捷键command+B),会执行如下过程

  • 编译信息写入辅助文件,创建编译后的文件架构(name.app)
  • 处理文件打包信息,例如在debug环境下
  1. Entitlements: 
  2.     "application-identifier" = "app的bundleid"
  3.     "aps-environment" = development; 
  4. }  
  • 执行CocoaPod编译前脚本
    • 例如对于使用CocoaPod的工程会执行CheckPods Manifest.lock
  • 编译各个.m文件,使用CompileC和clang命令。
  1. CompileC ClassName.o ClassName.m normal x86_64 objective-c com.apple.compilers.llvm.clang.1_0.compiler 
  2. export LANG=en_US.US-ASCII 
  3. export PATH="..." 
  4. 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

  • 链接需要的Framework,例如Foundation.framework,AFNetworking.framework,ALiPay.fframework
  • 编译xib文件
  • 拷贝xib,图片等资源文件到结果目录
  • 编译ImageAssets
  • 处理info.plist
  • 执行CocoaPod脚本
  • 拷贝Swift标准库
  • 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

  1. #! Arch: x86_64 
  2. #Object files: 
  3. [0] linker synthesized 
  4. [1] /EPlusPan4Phone.build/EPlusPan4Phone.app.xcent 
  5. [2]/EPlusPan4Phone.build/Objects-normal/x86_64/ULWBigResponseButton.o 
  6. … 
  7. [1175]/UMSocial_Sdk_4.4/libUMSocial_Sdk_4.4.a(UMSocialJob.o) 
  8. [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,Sections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。

  1. # Sections: 
  2. # 位置       大小        段       节 
  3. # Address   Size        Segment Section 
  4. 0x1000021B0 0x0077EBC3  __TEXT  __text //代码 
  5. 0x100780D74 0x00000FD8  __TEXT  __stubs 
  6. 0x100781D4C 0x00001A50  __TEXT  __stub_helper 
  7. 0x1007837A0 0x0001AD78  __TEXT  __const //常量 
  8. 0x10079E518 0x00041EF7  __TEXT  __objc_methname //OC 方法名 
  9. 0x1007E040F 0x00006E34  __TEXT  __objc_classname //OC 类名 
  10. 0x1007E7243 0x00010498  __TEXT  __objc_methtype  //OC 方法类型 
  11. 0x1007F76DC 0x0000E760  __TEXT  __gcc_except_tab 
  12. 0x100805E40 0x00071693  __TEXT  __cstring  //字符串 
  13. 0x1008774D4 0x00004A9A  __TEXT  __ustring   
  14. 0x10087BF6E 0x00000149  __TEXT  __entitlements 
  15. 0x10087C0B8 0x0000D56C  __TEXT  __unwind_info 
  16. 0x100889628 0x000129C0  __TEXT  __eh_frame 
  17. 0x10089C000 0x00000010  __DATA  __nl_symbol_ptr 
  18. 0x10089C010 0x000012C8  __DATA  __got 
  19. 0x10089D2D8 0x00001520  __DATA  __la_symbol_ptr 
  20. 0x10089E7F8 0x00000038  __DATA  __mod_init_func 
  21. 0x10089E840 0x0003E140  __DATA  __const //常量 
  22. 0x1008DC980 0x0002D840  __DATA  __cfstring 
  23. 0x10090A1C0 0x000022D8  __DATA  __objc_classlist // OC 方法列表 
  24. 0x10090C498 0x00000010  __DATA  __objc_nlclslist 
  25. 0x10090C4A8 0x00000218  __DATA  __objc_catlist 
  26. 0x10090C6C0 0x00000008  __DATA  __objc_nlcatlist 
  27. 0x10090C6C8 0x00000510  __DATA  __objc_protolist // OC协议列表 
  28. 0x10090CBD8 0x00000008  __DATA  __objc_imageinfo 
  29. 0x10090CBE0 0x00129280  __DATA  __objc_const // OC 常量 
  30. 0x100A35E60 0x00010908  __DATA  __objc_selrefs 
  31. 0x100A46768 0x00000038  __DATA  __objc_protorefs 
  32. 0x100A467A0 0x000020E8  __DATA  __objc_classrefs 
  33. 0x100A48888 0x000019C0  __DATA  __objc_superrefs // OC 父类引用 
  34. 0x100A4A248 0x0000A500  __DATA  __objc_ivar // OC iar 
  35. 0x100A54748 0x00015CC0  __DATA  __objc_data 
  36. 0x100A6A420 0x00007A30  __DATA  __data 
  37. 0x100A71E60 0x0005AF70  __DATA  __bss 
  38. 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。

  1. 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

  1. [2]/EPlusPan4Phone.build/Objects-normal/x86_64/ULWBigResponseButton.o 

具体内容如下

  1. # Symbols: 
  2.   地址     大小          文件编号    方法名 
  3. # Address   Size        File       Name 
  4. 0x1000021B0 0x00000109  [  2]     -[ULWBigResponseButton pointInside:withEvent:] 
  5. 0x1000022C0 0x00000080  [  3]     -[ULWCategoryController liveAPI] 
  6. 0x100002340 0x00000080  [  3]     -[ULWCategoryController categories] 
  7. ....  

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

  1. 0x100A4A248 0x0000A500 __DATA __objc_ivar 

然后,搜索这个地址0x100A4A248,就能找到ivar的存储区域。

  1. 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,

  1. 0x1008065C2 0x00000029 [ 11] literal string: 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 

然后,

  • 右键 -> 在finder中显示。
  • 右键 -> 查看包内容。

关于如何用dsym文件来分析崩溃位置,可以查看我之前的一篇博客。

  • iOS 如何调试第三方统计到的崩溃报告

http://blog.csdn.net/hello_hwc/article/details/50036323

那些你想到和想不到的应用场景

__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

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

__attribtue__ 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

  1. @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:

  1. //弃用API,用作API更新 
  2. #define __deprecated    __attribute__((deprecated)) 
  3.   
  4. //带描述信息的弃用 
  5. #define __deprecated_msg(_msg) __attribute__((deprecated(_msg))) 
  6.   
  7. //遇到__unavailable的变量/方法,编译器直接抛出Error 
  8. #define __unavailable   __attribute__((unavailable)) 
  9.   
  10. //告诉编译器,即使这个变量/方法 没被使用,也不要抛出警告 
  11. #define __unused    __attribute__((unused)) 
  12.   
  13. //和__unused相反 
  14. #define __used      __attribute__((used)) 
  15.   
  16. //如果不使用方法的返回值,进行警告 
  17. #define __result_use_check __attribute__((__warn_unused_result__)) 
  18.   
  19. //OC方法在Swift中不可用 
  20. #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:

  1. #pragma clang diagnostic push 
  2. #pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector" 
  3. ///代码 
  4. #pragma clang diagnostic pop  

这段代码的作用是

  • 对当前编译环境进行压栈
  • 忽略-Wundeclared-selector(未声明的)Selector警告
  • 编译代码
  • 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。

我在之前的一篇文章里,详细的介绍了XCode的警告相关内容。本文篇幅限制,就不详细讲解了。

  • iOS 合理利用Clang警告来提高代码质量

http://blog.csdn.net/Hello_Hwc/article/details/46425503

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

  1. #ifdef DEBUG 
  2. //... 
  3. #else 
  4. //... 
  5. #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。

  1. #ifdef TESTMODE 
  2. //测试服务器相关的代码 
  3. #else 
  4. //生产服务器相关代码 
  5. #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cocoapod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。

  1. buildNumber=$(/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleVersion" "${PROJECT_DIR}/${INFOPLIST_FILE}"
  2. buildNumber=$(($buildNumber + 1)) 
  3. /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:

  1. //编译成.app 
  2. xcodebuild  -workspace $projectName.xcworkspace -scheme $projectName  -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir 
  3. //打包 
  4. xcrun -sdk iphoneos PackageApplication -v $appDir/$projectName.app -o $appDir/$ipaName.ipa 
  5.   
  6. 通过info命令,可以查看到详细的文档 
  7. 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

  1. $ 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

编译器优化  

后续

本来这篇文章还有很多内容想写,篇幅限制,就先这样吧。最近发生了很多不开心的事,这里提醒自己一句:吃一堑,长一智。

后面有时间了,会介绍一些编译期黑科技:

  • 写入额外的编译信息
  • 函数的调用过程和运行时找到函数在二进制文件中的的地址
  • ……

附录

自动编译打包脚本

  1. export LC_ALL=zh_CN.GB2312; 
  2. export LANG=zh_CN.GB2312 
  3. buildConfig="Release" //这里是build模式 
  4. projectName=`find . -name *.xcodeproj | awk -F "[/.]" '{print $(NF-1)}'
  5. projectDir=`pwd` 
  6. wwwIPADir=~/Desktop/$projectName-IPA 
  7. isWorkSpace=true 
  8. echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~开始编译~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
  9. if [ -d "$wwwIPADir" ]; then 
  10. echo $wwwIPADir 
  11. echo "文件目录存在" 
  12. else 
  13. echo "文件目录不存在" 
  14. mkdir -pv $wwwIPADir 
  15. echo "创建${wwwIPADir}目录成功" 
  16. fi 
  17. cd $projectDir 
  18. rm -rf ./build 
  19. buildAppToDir=$projectDir/build 
  20. infoPlist="$projectName/Info.plist" 
  21. bundleVersion=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleShortVersionString" $infoPlist` 
  22. bundleIdentifier=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleIdentifier" $infoPlist` 
  23. bundleBuildVersion=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleVersion" $infoPlist` 
  24.   
  25. if $isWorkSpace ; then  #是否用CocoaPod 
  26. echo  "开始编译workspace...." 
  27. xcodebuild  -workspace $projectName.xcworkspace -scheme $projectName  -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir 
  28. else 
  29. echo  "开始编译target...." 
  30. xcodebuild  -target  $projectName  -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir 
  31. fi 
  32.   
  33. if test $? -eq 0 
  34. then 
  35. echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~编译成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
  36. else 
  37. echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~编译失败~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
  38. exit 1 
  39. fi 
  40.   
  41. ipaName=`echo $projectName | tr "[:upper:]" "[:lower:]"` #将项目名转小写 
  42. findFolderName=`find . -name "$buildConfig-*" -type d |xargs basename` #查找目录 
  43. appDir=$buildAppToDir/$findFolderName/  #app所在路径 
  44. echo "开始打包$projectName.app成$projectName.ipa....." 
  45. xcrun -sdk iphoneos PackageApplication -v $appDir/$projectName.app -o $appDir/$ipaName.ipa 
  46.   
  47. if [ -f "$appDir/$ipaName.ipa" ] 
  48. then 
  49. echo "打包$ipaName.ipa成功." 
  50. else 
  51. echo "打包$ipaName.ipa失败." 
  52. exit 1 
  53. fi 
  54.   
  55. path=$wwwIPADir/$projectName$(date +%Y%m%d%H%M%S).ipa 
  56. cp -f -p $appDir/$ipaName.ipa $path   #拷贝ipa文件 
  57. echo "复制$ipaName.ipa到${wwwIPADir}成功" 
  58. echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~结束编译,处理成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"  

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