dyld加载应用启动原理详解

我们都知道APP的入口函数是main()，而在main()函数调用之前，APP的加载过程是怎样的呢？接下来我们一起来分析APP的加载流程。

一. 准备工作

由于load()比main()调用更早，因此我们创建一个工程，在控制器中写一个load()函数，并断点运行，如下图：

运行起来之后，可以清晰的看到比较详细的函数调用顺序，从_dyld_start()到dyld:notifySingle()，频率出现最多的就是这个dyld，那么dyld是什么？它在做什么？

简单来说dyld是一个动态链接器，用来加载所有的库和可执行文件。接下来我们将通过对dyld源码分析，去追踪dyld到底做了什么？

_dyld_start

二. dyld加载流程分析

1. 首先下载dyld源码。

2. 打开dyld源码工程，根据上图dyldbootstrap::start为关键字搜索dyldbootstrap中调用的start()，如下图：

dyldbootstrap::start

3. 进入dyld的start函数

其中rebaseDyld()分析如下：

4. 进入dyld的main函数

注：因为dyld::main()函数代码比较多，以下会分段介绍，也会介绍相对来说比较重要的函数。

4.1 内核检测

4.2 获取main执行文件的cdHash缓存区

4.3 获取CPU信息

    // 获取CPU信息
    getHostInfo(mainExecutableMH, mainExecutableSlide);

4.4 设置MachHeader和内存偏移量

    // 设置MachHeader和内存偏移量Slide
    uintptr_t result = 0;
    sMainExecutableMachHeader = mainExecutableMH;
    sMainExecutableSlide = mainExecutableSlide;

4.5 设置上下文

    // 设置上下文，保存信息
    setContext(mainExecutableMH, argc, argv, envp, apple);

4.6 配置进程限制

4.7 检测环境变量

4.8 打印环境配置信息

    // 打印环境配置信息
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_OPTS )
        printOptions(argv);
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_ENV ) 
        printEnvironmentVariables(envp);

此处可以自己定义环境变量配置，回到刚才创建的新工程中，在Edit Scheme -> Run -> Arguments -> Environment Variables 添加两个参数 DYLD_PRINT_OPTS 和 DYLD_PRINT_ENV，并设置测试value值，如下：

运行程序，可看到如下打印信息：

4.9 加载共享缓存（如果没有共享缓存，iOS将无法运行）

主要函数mapSharedCache()如下：

4.10 dyld配置

(1) dyld3(闭包模式)

iOS11版本之后，引入dyld3闭包模式(ClosureMode)：加载速度更快，效率更高。

开始执行闭包模式

判断是否开启了闭包模式

启动闭包模式加载

其中launchWithClosure加载闭包，会把后面说到的dyld2的大部分流程都封装到launchWithClosure()这个函数里面了，这里不再细说launchWithClosure，因为在接下来的dyld2(非闭包)中会详细解释整个dyld加载的流程，也就是launchWithClosure实现过程。

(2) dyld2(非闭包模式)

开始执行闭包模式

把dyld加入到UUID列表

    // 把dyld加入到UUID列表
    addDyldImageToUUIDList();

配置缓存代理

4.11 创建主程序的Image

开始创建主程序的Image，通过instantiateFromLoadedImage()，调用instantiateMainExecutable()，实例化具体的Image类，最后生成的对象，设置到gLinkContext中。

4.12 设置动态库的版本

    // 加载完共享缓存，设置动态库的版本
    checkVersionedPaths();

4.13 加载插入的动态库

    // 加载插入的动态库
    if  ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL ) {
        for (const char* const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES; *lib != NULL; ++lib) 
            oadInsertedDylib(*lib);
    }

4.14 链接主程序和动态库

• 其中的link()函数，函数体调用了image->link()，函数具体如下：

• 判断是否需要重新加载所有的Image

4.15 绑定主程序和动态库

4.16 初始化主程序

根据Demo上的堆栈信息，如下：

终于看到熟悉的函数了，那么dyld加载流程也快结束了。
根据堆栈信息，获取函数调用层级关系。

    // 初始化主程序
    initializeMainExecutable(); 

• 查找runInitializers()： dyld::initializeMainExecutable() -> ImageLoader::runInitializers()

加载主程序

• 查找processInitializers()： ImageLoader::runInitializers() -> ImageLoader::processInitializers()

runInitializers

• 查找recursiveInitialization()： ImageLoader::processInitializers() -> ImageLoader::recursiveInitialization()

processInitializers

• 查找notifySingle()： ImageLoader::recursiveInitialization() -> dyld::notifySingle()

recursiveInitialization

• 查找load_images()：在 dyld::notifySingle()中并没有找到load_images()，但是找到了sNotifyObjCInit()，该字段是objc函数回调。在 dyld::notifySingle()中执行了这个回调，那就需要追溯到谁去注册的这个回调了。
• 全局查找sNotifyObjCInit()赋值的地方。在registerObjCNotifiers()中赋值，如下：

• 全局查找registerObjCNotifiers，在_dyld_objc_notify_register()中调用，且第二个参数是我们需要的。如下：

• 全局查找_dyld_objc_notify_register()，并没有在dyld源码库里找到，此时需要在源工程中，打符号断点_dyld_objc_notify_register，重新编译执行，可以看到是_objc_init()调用了。此时只能去查找objc源码了。
• objc源码分析，在objc-os.mm文件中找到_objc_init()函数，其中注册了_dyld_objc_notify_register回调。

objc-os.mm

其中第二个参数就是load_images()，在load_images()中也找到了call_load_methods()。

此时初始化程序还未执行完成，回到之前的 ImageLoader::recursiveInitialization()方法中。

• 执行this->doInitialization()函数

• 发送通知，初始化主程序完成。

4.17 进入主程序

    // 通知此进程将要进入程序main()
    notifyMonitoringDyldMain();

到此，start() -> main()，全部执行完毕。

三. 总结

• dyld(动态链接器)：是苹果操作系统一个重要组成部分，加载所有的库和可执行文件。
• dyld加载流程：
  • 从_dyld_start()开始 -> dyldbootstrap::start()
  • 进入dyld的main()
  • 检测内核，配置重定向信息：rebase_dyld()
  • 加载共享缓存
  • dyld2 / dyld3(闭包模式)
    • 实例化主程序
    • 加载动态链接库 (主程序和动态库的image都会加载allImage里面：loadAllImage，主程序在第0位置)
    • 链接主程序、动态库、绑定符号(非懒加载、弱符号)等
    • 最关键：初始化方法initializeMainExecutable()
      • ImageLoader::runInitializers()
      • ImageLoader::processInitializers()
      • ImageLoader::processInitializers()
      • ImageLoader::recursiveInitialization()
      • dyld::notifySingle()
        • 此函数执行一个回调_dyld_objc_notify_register()
        • 通过断点调试：此回调是_objc_init()初始化时赋值的一个函数load_images()，里面执行了call_load_methods()函数，其作用是循环调用各个类的方法。
      • doModInitFunctions()函数：内部会调用全局C++对象的构造函数 __attribute__((constructor))的C函数
    • 返回主程序入口，执行main函数