OC底层原理15-dyld加载流程

作者: Gomu_iOS | 来源:发表于2020-09-27 22:31 被阅读0次

前言

在开发中，我们做的很多事情都是main函数之后的，那main之前Xcode为我们做了哪些事呢？

当我们用Xcode连接真机或者模拟器运行应用程序的的时候，都会有一个生成可执行文件的过程，称之为编译流程,如下图:

编译流程.jpg

我们这里只做简单介绍，由于内容过多，就不展开了，有兴趣请自行查阅资料，或购买书《程序员的自我修养：链接、装载与库》

预编译：Xcode会将我们写的.m .h等文件拿到，处理预编译指令，比如：删除#define并展开宏定义，将#include包含的文件插入到该指令位置等
编译：对预编译处理过的文件进行词法分析、语法分析、语义分析，并进行源代码优化，生成汇编代码
汇编：通过汇编器将汇编代码转为机器可以执行的指令，并生成目标.o文件
链接：将动态库（.so、.lib、.framework），静态库（.a、. framework）和所有目标文件进行链接，生成可执行文件

一、dyld的定义

dyld：全称the dynamic loader，动态加载器，是苹果操作系统的重要组成部分，在应用程序被编译打包成可执行文件后，交由dyld负责链接，加载程序

dyld源码

该定义来自官方文档

二、dyld的作用

加载应用程序的可执行文件，并检查可执行文件中的Mach加载命令，以查找应用程序所需的框架和动态库。然后，它将每个框架加载到内存中，并解析可执行文件中的动态符号，以指向动态库中的适当地址。

App启动流程：

App启动流程.jpg

三、dyld加载流程

3.1 定位入口函数_dyld_start

image.png

添加类GomuPerson
实现类方法load，并打下断点
运行项目拿到堆栈信息：
1. 从左边堆栈栏中看堆栈信息
2. 在lldb中用bt命令打印堆栈信息
定位到入口函数_dyld_start，并获取到_dyld_start位于dyld库
官网下载源码：dyld750.6

3.2 _dyld_start源码介绍

由于源码会根据架构不同，有不同的现实，这里以arm64为例

image.png

找到汇编入口：__dyld_start:
汇编看不懂就看后面的注释
__dyld_start:会执行到红框处，调用dyldbootstrap命名空间里面的start方法

3.2.1 dyldbootstrap源码和其中的start源码介绍

由于代码量过大，请自行查询，这里只介绍主要的一些方法

namespace dyldbootstrap {
//: -- 定义别名Initializer
typedef void (*Initializer)(int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[]);

//: -- 调用dyld的初始化方法
static void runDyldInitializers(int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[])
{
    for (const Initializer* p = &inits_start; p < &inits_end; ++p) {
        (*p)(argc, argv, envp, apple);
    }
}
#endif // DYLD_INITIALIZER_SUPPORT


//: -- 给dyld的数据段关联指针
static void rebaseDyld(const dyld3::MachOLoaded* dyldMH)
{
    ......
}

//: -- dyld的引导方法
uintptr_t start(const dyld3::MachOLoaded* appsMachHeader, int argc, const char* argv[],
                const dyld3::MachOLoaded* dyldsMachHeader, uintptr_t* startGlue)
{
//: -- 发送一个kdebug追踪点表面dyld已经开始引导
    dyld3::kdebug_trace_dyld_marker(DBG_DYLD_TIMING_BOOTSTRAP_START, 0, 0, 0, 0);

//: -- 查询设定dyld，dyld滑动之后，必须重新设定
    rebaseDyld(dyldsMachHeader);

//: -- 将env指针设置为刚好超出agv数组的末尾
    const char** envp = &argv[argc+1];
    
//: -- 将envp指针设置为刚好超出agv数组的末尾
    const char** apple = envp;
    while(*apple != NULL) { ++apple; }
    ++apple;

//: -- 为堆栈设置随机值
    __guard_setup(apple);

#if DYLD_INITIALIZER_SUPPORT
//: -- 在dyld中运行所有C ++ initializers
    runDyldInitializers(argc, argv, envp, apple);
#endif
//: -- 调用dyld::_main
    uintptr_t appsSlide = appsMachHeader->getSlide();
    return dyld::_main((macho_header*)appsMachHeader, appsSlide, argc, argv, envp, apple, startGlue);
}


#if TARGET_OS_SIMULATOR
//: -- 模拟器会多调用一次start_sim
uintptr_t start_sim(int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[],
                    const dyld3::MachOLoaded* mainExecutableMH, const dyld3::MachOLoaded* dyldSimMH, uintptr_t dyldSlide,
                    const dyld::SyscallHelpers* sc, uintptr_t* startGlue)
{
    ......
}
#endif
} // end of namespace

源码分析得出下一个流程dyld::_main调用

3.3 dyld::_main源码介绍

由于dyld::_main源量太大，但又极为重要，所以我们分步说明主要流程

3.3.1 配置环境变量

//: -- 给imageLoader设置平台id
if (gProcessInfo->version >= 16){...}

//: -- 检测并设置环境变量
checkEnvironmentVariables(envp);

//: -- 如果没有设置环境变量，则为DYLD_FALLBACK_FRAMEWORK_PATH赋默认值
defaultUninitializedFallbackPaths(envp);
....
//: -- 获取CPU架构
getHostInfo(mainExecutableMH, mainExecutableSlide);

3.3.2 共享缓存

//: -- 如果主可执行文件的区域与共享区域重叠，则禁用共享区域
//: -- iOS无法在没有共享区域的情况下运行
checkSharedRegionDisable((dyld3::MachOLoaded*)mainExecutableMH, mainExecutableSlide);
    if ( gLinkContext.sharedRegionMode != ImageLoader::kDontUseSharedRegion ) {
#if TARGET_OS_SIMULATOR
//: -- 判断共享缓存是否映射到了共享区域
    if ( sSharedCacheOverrideDir)
//: -- 共享缓存
            mapSharedCache();
#else
//: -- 共享缓存
    mapSharedCache();
#endif

3.3.3 主程序初始化

//: -- 主程序赋值，给主程序初始化ImageLoader
sMainExecutable = instantiateFromLoadedImage(mainExecutableMH, mainExecutableSlide, sExecPath);

给主程序变量sMainExecutable赋值了一个ImageLoaderMachO类型的对象

3.3.3.1 instantiateFromLoadedImage源码介绍

static ImageLoaderMachO* instantiateFromLoadedImage(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path)
{
    // try mach-o loader
    if ( isCompatibleMachO((const uint8_t*)mh, path) ) {
//: -- 实例化对象image接收实例主程序
        ImageLoader* image = ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, gLinkContext);
//: -- 添加到sAllImages里面
        addImage(image);
        return (ImageLoaderMachO*)image;
    }
//: -- 抛出异常
    throw "main executable not a known format";
}

通过instantiateMainExecutable方法创建一个ImageLoader的实例化对象，然后添加到sAllImages中

3.3.3.2 instantiateMainExecutable源码介绍

ImageLoader* ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path, const LinkContext& context)
{
    bool compressed;
    unsigned int segCount;
    unsigned int libCount;
    const linkedit_data_command* codeSigCmd;
    const encryption_info_command* encryptCmd;

//: -- 获取`Mach-O`类型文件的`Load Command`的相关信息，赋值给`compressed `等对象
    sniffLoadCommands(mh, path, false, &compressed, &segCount, &libCount, context, &codeSigCmd, &encryptCmd);
    // instantiate concrete class based on content of load commands
    if ( compressed ) 
//: -- 返回压缩过的Mach-O子类
        return ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, segCount, libCount, context);
    else
#if SUPPORT_CLASSIC_MACHO
//: -- 返回普通的Mach-O子类
        return ImageLoaderMachOClassic::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, segCount, libCount, context);
#else
        throw "missing LC_DYLD_INFO load command";
#endif
}

为主可执行文件创建映像，返回一个ImageLoader对象

3.3.4 插入动态库

//: -- 插入动态库
//: -- 加载所以DYLD_INSERT_LIBRARIES类型的库
if  ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL ) {
    for (const char* const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES; *lib != NULL; ++lib) 
    loadInsertedDylib(*lib);
}

3.3.5 链接主程序

link(sMainExecutable, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);

3.3.6 链接动态库

//: -- 链接所有插入的动态库
//: -- 链接主可执行文件后执行此操作，这样插入dylib（例如libSystem），将不会在程序使用的dylib之前
if ( sInsertedDylibCount > 0 ) {
    for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
        ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
        link(image, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
        image->setNeverUnloadRecursive();
    }
    if ( gLinkContext.allowInterposing ) {

//: -- 只有被表示 INSERTED 的库才能插入
//: -- 绑定所有插入的库后再注册插入信息，是为了链接
        for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
            ImageLoader* image = sAllImages[i+1];

//: -- 注册插入的image
            image->registerInterposing(gLinkContext);
        }
    }
}

3.3.7 弱符号绑定

//: -- 通知插入的的Image已经被绑定
if ( sInsertedDylibCount > 0 ) {
    for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
        ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
        image->recursiveBind(gLinkContext, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true);
    }
}

3.3.8 执行初始化方法

//: -- 执行所以初始化程序
initializeMainExecutable();

3.3.8.1 initializeMainExecutable源码介绍

void initializeMainExecutable()
{
//: -- 状态变量，记录已经进入这里
    gLinkContext.startedInitializingMainExecutable = true;

//: -- 运行所有的插入的dylib的initializers方法
    ImageLoader::InitializerTimingList initializerTimes[allImagesCount()];
    initializerTimes[0].count = 0;
    const size_t rootCount = sImageRoots.size();
    if ( rootCount > 1 ) {
        for(size_t i=1; i < rootCount; ++i) {
//: -- 关键方法
            sImageRoots[i]->runInitializers(gLinkContext, initializerTimes[0]);
        }
    }
    
//: -- 运行主要可执行文件以及他附带的一切的初始化方法 
    sMainExecutable->runInitializers(gLinkContext, initializerTimes[0]);
//: -- 当此进程退出时，调用cxa_atexit（）处理程序所有image加载的的静态终止符
    if ( gLibSystemHelpers != NULL ) 
        (*gLibSystemHelpers->cxa_atexit)(&runAllStaticTerminators, NULL, NULL);

    // dump info if requested
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_STATISTICS )
        ImageLoader::printStatistics((unsigned int)allImagesCount(), initializerTimes[0]);
    if ( sEnv.DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS )
        ImageLoaderMachO::printStatisticsDetails((unsigned int)allImagesCount(), initializerTimes[0]);
}

进入initializeMainExecutable方法后，循环遍历，为每一个插入的dylib执行initializers方法

3.3.8.2 runInitializers源码介绍

void ImageLoader::runInitializers(const LinkContext& context, InitializerTimingList& timingInfo)
{
    uint64_t t1 = mach_absolute_time();
    mach_port_t thisThread = mach_thread_self();
    ImageLoader::UninitedUpwards up;
    up.count = 1;
    up.imagesAndPaths[0] = { this, this->getPath() };
    processInitializers(context, thisThread, timingInfo, up);
    context.notifyBatch(dyld_image_state_initialized, false);
    mach_port_deallocate(mach_task_self(), thisThread);
    uint64_t t2 = mach_absolute_time();
    fgTotalInitTime += (t2 - t1);
}

调用runInitializers后，主要调用processInitializers方法

3.3.8.3 processInitializers源码介绍

void ImageLoader::processInitializers(const LinkContext& context, mach_port_t thisThread,
                                     InitializerTimingList& timingInfo, ImageLoader::UninitedUpwards& images)
{
    uint32_t maxImageCount = context.imageCount()+2;
    ImageLoader::UninitedUpwards upsBuffer[maxImageCount];
    ImageLoader::UninitedUpwards& ups = upsBuffer[0];
    ups.count = 0;

//: -- 在所有images类表中，递归调用init，构建未初始化的向上依赖关系新列表
    for (uintptr_t i=0; i < images.count; ++i) {
        images.imagesAndPaths[i].first->recursiveInitialization(context, thisThread, images.imagesAndPaths[i].second, timingInfo, ups);
    }
//: -- 如果还有向上依赖的，init他们
    if ( ups.count > 0 )
        processInitializers(context, thisThread, timingInfo, ups);
}
- `processInitializers `函数中，主要是对镜像列表调用`recursiveInitialization `函数进行递归实例化

3.3.8.4 recursiveInitialization源码介绍

void ImageLoader::recursiveInitialization(const LinkContext& context, mach_port_t this_thread, const char* pathToInitialize,
                                          InitializerTimingList& timingInfo, UninitedUpwards& uninitUps)
{
...
//: -- 关键代码
//: -- 通知objc，我们将要初始化此镜像
      context.notifySingle(dyld_image_state_dependents_initialized, this, &timingInfo);
            
//: -- 初始化镜像
      bool hasInitializers = this->doInitialization(context);

//: -- 通知所有的关联库，我们已完成此镜像的初始化      
      context.notifySingle(dyld_image_state_initialized, this, NULL);
...
}

初始化镜像之前，我们需要调用notifySingle，通知objc我们即将初始化这个镜像，猜想会在objc中有回调方法，需要在初始化之前执行
初始化镜像，调用doInitialization
通知所有的关联库，我们已完成此镜像的初始化

3.3.8.5 notifySingle源码介绍

static void notifySingle(dyld_image_states state, const ImageLoader* image, ImageLoader::InitializerTimingList* timingInfo)
{
...
//: -- 关键代码
(*sNotifyObjCInit)(image->getRealPath(), image->machHeader());
...
}

sNotifyObjCInit没有源码实现，只有一个赋值操作
image.png
registerObjCNotifiers会在_dyld_objc_notify_register中调用
image.png
但是_dyld_objc_notify_register并没有在dyld库被调用，它在objc库中的_objc_init中被调用

3.3.8.6 _objc_init源码介绍

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    runtime_init();
    exception_init();
    cache_init();
    _imp_implementationWithBlock_init();

//: -- 进行_dyld_objc_notify_register调用
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);

#if __OBJC2__
    didCallDyldNotifyRegister = true;
#endif
}

我们确实在_objc_init中找到了_dyld_objc_notify_register函数的调用
_objc_init位于objc， objc源码自行下载
_objc_init函数中，对_dyld_objc_notify_register函数进行了赋值，那我们可以判断出sNotifyObjCInit的值就是_dyld_objc_notify_register函数传值的load_images，所以notifySingle是一个回调函数

3.3.8.7 load函数加载流程

流程比较简单，请自行查找
在objc源码中，我们从load_images -> call_load_methods -> call_class_loads -> (*load_method)(cls, @selector(load))
在_objc_init中，在类的加载过程中，的确调用了load方法
那么_objc_init又在什么时候调用的呢，进入刚刚预留的一个函数doInitialization中

3.3.8.8 doInitialization源码介绍

bool ImageLoaderMachO::doInitialization(const LinkContext& context)
{
    CRSetCrashLogMessage2(this->getPath());

    // mach-o has -init and static initializers
//: -- 初始化Image
    doImageInit(context);
//: -- 初始化C++函数
    doModInitFunctions(context);
    
    CRSetCrashLogMessage2(NULL);
    
    return (fHasDashInit || fHasInitializers);
}

进入doInitialization源码后，找到了Image和C++函数的初始化方法
进入doImageInit,doModInitFunctions源码

3.3.8.9 doImageInit源码介绍（doModInitFunctions源码类似，这里就不过多赘述）

image.png

进入doImageInit后，是一个递归调用初始化image
这里依然没有找到_objc_init的调用，已经走到路的尽头
注意红框处，有一个加了注释的条件，libSystem initializer must run first，必须先加载系统库，柳暗花明又一村
那我们猜想，_objc_init的调用是否在libSystem库中呢
去苹果开源库中搜索发现，libSystem没有开源，那怎么办？跳到3.4 _objc_init调用流程查找

3.3.9 寻找主程序入口（main函数）

//: -- 寻找主程序入口
result = (uintptr_t)sMainExecutable->getEntryFromLC_MAIN();
if ( result != 0 ) {
//: -- 主程序使用 LC_MAIN, 我们需要在libdyld中使用helper来调用main（）
    if ( (gLibSystemHelpers != NULL) && (gLibSystemHelpers->version >= 9) )
        *startGlue = (uintptr_t)gLibSystemHelpers->startGlueToCallExit;
    else
        halt("libdyld.dylib support not present for LC_MAIN");
}
else {
//: -- 主可执行文件使用LC_UNIXTHREAD，dyld需要在为main（）设置的程序中让“启动”
    result = (uintptr_t)sMainExecutable->getEntryFromLC_UNIXTHREAD();
    *startGlue = 0;
//: -- 通知进入主函数
    notifyMonitoringDyldMain()
}

从Load Command读取LC_MAIN入口，如果没有，就读取LC_UNIXTHREAD，这样就来到了日常开发中熟悉的main函数了
回到汇编也可以看到注释call main()，如下图红框

image.png
注意：main是写定的函数，写入内存，读取到dyld，如果修改了main函数的名称，会报错

3.4 `_objc_init`调用流程

libSystem没有开源，那怎么办？既然是探究的_objc_init，那我们索性就下个_objc_init的符号断点，一探究竟

image.png

经过符号断点发现，libSystem会调用libdispatch库中的libdispatch_init
下载libdispatch源码

3.4.1 libdispatch_init源码查看

libdispatch_init(void)
{
...省略无关代码
    _os_object_init();
...
}

libdispatch_init中调用了_os_object_init()

3.4.2 _os_object_init源码查看

image.png

_os_object_init中调用了_objc_init，形成了闭环

四、总结

dyld 流程总结：

_dyld_start -> dyldbootstrap::start -> dyld::_main -> dyld::initializeMainExecutable -> ImageLoader::runInitializers -> ImageLoader::processInitializers -> ImageLoader::recursiveInitialization -> doInitialization -> libSystem_initializer（libSystem.B.dylib） -> libdispatch_init（libdispatch.dylib） -> _os_object_init（libdispatch.dylib） -> _objc_init(libobjc.A.dylib)

dyld流程图：

dyld加载流程.jpg

五、拓展知识

静态库和动态库

库：是资源文件和代码编译的集合

静态库：在编译时，完整的拷贝至可执行文件中，被多次使用就有多次冗余拷贝

动态库：程序运行时由系统动态加载到内存，而不是复制，供程序调用。系统只加载一次，多个程序共用，节省内存。因此，编译内容更小，而且因为动态库是需要时才被引用，所以更快。

动态库静态库对比：

动态库静态库对比.png

系统的库基本上都是动态库
使用场景：如果你有很多文件，静态库的多个副本意味着可执行文件的大小增加，那就建议使用动态库，可以节省时间。如果执行时间的好处超过节省空间的需要，那么静态库就是最佳选择。

OC底层原理15-dyld加载流程

前言

一、dyld的定义

二、dyld的作用

三、dyld加载流程

3.1 定位入口函数_dyld_start

3.2 _dyld_start源码介绍

3.2.1 dyldbootstrap源码和其中的start源码介绍

3.3 dyld::_main源码介绍

3.3.1 配置环境变量

3.3.2 共享缓存

3.3.3 主程序初始化

3.3.3.1 instantiateFromLoadedImage源码介绍

3.3.3.2 instantiateMainExecutable源码介绍

3.3.4 插入动态库

3.3.5 链接主程序

3.3.6 链接动态库

3.3.7 弱符号绑定

3.3.8 执行初始化方法

3.3.8.1 initializeMainExecutable源码介绍

3.3.8.2 runInitializers源码介绍

3.3.8.3 processInitializers源码介绍

3.3.8.4 recursiveInitialization源码介绍

3.3.8.5 notifySingle源码介绍

3.3.8.6 _objc_init源码介绍

3.3.8.7 load函数加载流程

3.3.8.8 doInitialization源码介绍

3.3.8.9 doImageInit源码介绍（doModInitFunctions源码类似，这里就不过多赘述）

3.3.9 寻找主程序入口（main函数）

3.4 _objc_init调用流程

3.4.1 libdispatch_init源码查看

3.4.2 _os_object_init源码查看

四、总结

dyld流程图：

五、拓展知识

静态库和动态库

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3.4 `_objc_init`调用流程