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iOS编译过程的原理和应用

iOS编译过程的原理和应用

作者: cosWriter | 来源:发表于2017-08-25 14:17 被阅读124次

    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


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

    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
    #！ 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，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。

    # 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

    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

    __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

    @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 ignored "-Wundeclared-selector" 
///代码 
#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

    #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。

    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

    export LC_ALL=zh_CN.GB2312; 
export LANG=zh_CN.GB2312 
buildConfig="Release" //这里是build模式 
projectName=`find . -name *.xcodeproj | awk -F "[/.]" '{print $(NF-1)}'` 
projectDir=`pwd` 
wwwIPADir=~/Desktop/$projectName-IPA 
isWorkSpace=true 
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~开始编译~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
if [ -d "$wwwIPADir" ]; then 
echo $wwwIPADir 
echo "文件目录存在" 
else 
echo "文件目录不存在" 
mkdir -pv $wwwIPADir 
echo "创建${wwwIPADir}目录成功" 
fi 
cd $projectDir 
rm -rf ./build 
buildAppToDir=$projectDir/build 
infoPlist="$projectName/Info.plist" 
bundleVersion=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleShortVersionString" $infoPlist` 
bundleIdentifier=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleIdentifier" $infoPlist` 
bundleBuildVersion=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleVersion" $infoPlist` 
  
if $isWorkSpace ; then  #是否用CocoaPod 
echo  "开始编译workspace...." 
xcodebuild  -workspace $projectName.xcworkspace -scheme $projectName  -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir 
else 
echo  "开始编译target...." 
xcodebuild  -target  $projectName  -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir 
fi 
  
if test $? -eq 0 
then 
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~编译成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
else 
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~编译失败~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
exit 1 
fi 
  
ipaName=`echo $projectName | tr "[:upper:]" "[:lower:]"` #将项目名转小写 
findFolderName=`find . -name "$buildConfig-*" -type d |xargs basename` #查找目录 
appDir=$buildAppToDir/$findFolderName/  #app所在路径 
echo "开始打包$projectName.app成$projectName.ipa....." 
xcrun -sdk iphoneos PackageApplication -v $appDir/$projectName.app -o $appDir/$ipaName.ipa 
  
if [ -f "$appDir/$ipaName.ipa" ] 
then 
echo "打包$ipaName.ipa成功." 
else 
echo "打包$ipaName.ipa失败." 
exit 1 
fi 
  
path=$wwwIPADir/$projectName$(date +%Y%m%d%H%M%S).ipa 
cp -f -p $appDir/$ipaName.ipa $path   #拷贝ipa文件 
echo "复制$ipaName.ipa到${wwwIPADir}成功" 
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~结束编译，处理成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"

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