iOS-编译过程

编译器

iOS编译和打包时,编译器直接将代码编译成机器码,然后直接在CPU上运行。而不用使用解释器运行代码。因为这样执行效率更高,运行速度更快。C,C++,OC都是使用的编译器生成相关的可执行文件。

解释器:解释器会在运行时解释执行代码,获取一段代码后就会将其翻译成目标代码(就是字节码(Bytecode)),然后一句一句地执行目标代码。也就是说是在运行时才去解析代码,比直接运行编译好的可执行文件自然效率就低,但是跑起来之后可以不用重启启动编译,直接修改代码即可看到效果,类似热更新,可以帮我们缩短整个程序的开发周期和功能更新周期。

编译器:把一种编程语言(原始语言)转换为另一种编程语言(目标语言)的程序叫做编译器

采用编译器生成机器码执行的好处是效率高,缺点是调试周期长。
解释器执行的好处是编写调试方便,缺点是执行效率低。

编译器分为前端和后端
  • 前端:前端负责语法分析、词法分析,生成中间代码
  • 后端:后端以中间代码作为输入,进行架构无关的代码优化,接着针对不同架构生成不同的机器码
    在2007年之前LLVM使用GCC作为前端来对用户程序进行语义分析产生 IF(Intermidiate Format)。GCC系统庞大而笨重,因此,Apple决定从零开始写C、C++、Objective-C语言的前端Clang,以求完全替代掉GCC。
现在苹果公司使用的编译器是 LLVM,前端是Clang,相比于 Xcode 5 版本前使用的 GCC,编译速度提高了 3 倍。同时,苹果公司也反过来主导了 LLVM 的发展,让 LLVM 可以针对苹果公司的硬件进行更多的优化。
Clang于2007年开始开发,C编译器最早完成,在2009年的时候,Objective-C编译器已经完全可以用于生产环境,而在一年之后,Clang基本实现了对C++编译的支持。

对于Apple来说Objective C/C/C++使用的编译器前端是clang,后端都是LLVM

LLVM 是编译器工具链技术的一个集合。而其中的 lld 项目,就是内置链接器。编译器会对每个文件进行编译,生成 Mach-O(可执行文件);链接器会将项目中的多个 Mach-O 文件合并成一个。

编译过程

  • 预处理:Clang会预处理你的代码,比如把宏嵌入到对应的位置、注释被删除,条件编译被处理
  • 词法分析:词法分析器读入源文件的字符流,将他们组织称有意义的词素(lexeme)序列,对于每个词素,此法分析器产生词法单元(token)作为输出。并且会用Loc来记录位置。
  • 语法分析:这一步是把词法分析生成的标记流,解析成一个抽象语法树(abstract syntax tree -- AST),同样地,在这里面每一节点也都标记了其在源码中的位置。
    AST 是抽象语法树,结构上比代码更精简,遍历起来更快,所以使用 AST 能够更快速地进行静态检查。
  • 静态分析:把源码转化为抽象语法树之后,编译器就可以对这个树进行静态分析处理。静态分析会对代码进行错误检查,如出现方法被调用但是未定义、定义但是未使用的变量等,以此提高代码质量。当然,还可以通过使用 Xcode 自带的静态分析工具(Product -> Analyze)进行手动分析。最后 AST 会生成 IR,IR 是一种更接近机器码的语言,区别在于和平台无关,通过 IR 可以生成多份适合不同平台的机器码。静态分析的阶段会进行类型检查,比如给属性设置一个与其自身类型不相符的对象,编译器会给出一个可能使用不正确的警告。在此阶段也会检查时候有未使用过的变量等。
  • 中间代码生成和优化:此阶段LLVM 会对代码进行编译优化,例如针对全局变量优化、循环优化、尾递归优化等,最后输出汇编代码xx.ll文件。
    生成汇编代码: 汇编器LLVM会将汇编码转为机器码。此时的代码就是.o文件,即二进制文件。
  • 链接:连接器把编译产生的.o文件和(dylib,a,tbd)文件,生成一个mach-o文件。mach-o文件级可执行文件。编译过程全部结束,生成了可执行文件Mach-O

连接器

Mach-O 文件里面的内容,主要就是代码和数据:代码是函数的定义;数据是全局变量的定义,包括全局变量的初始值。不管是代码还是数据,它们的实例都需要由符号将其关联起来。

为什么呢?因为 Mach-O 文件里的那些代码,比如 if、for、while 生成的机器指令序列,要操作的数据会存储在某个地方,变量符号就需要绑定到数据的存储地址。你写的代码还会引用其他的代码,引用的函数符号也需要绑定到该函数的地址上。而链接器的作用,就是完成变量、函数符号和其地址绑定这样的任务。而这里我们所说的符号,就可以理解为变量名和函数名。

那为什么要让链接器做符号和地址绑定这样一件事儿呢?

如果地址和符号不做绑定的话,要让机器知道你在操作什么内存地址,你就需要在写代码时给每个指令设好内存地址。写这样的代码的过程,就像你直接在和不同平台的机器沟通,连编译生成 AST 和 IR 的步骤都省掉了,甚至优化平台相关的代码都需要你自己编写。

可读性和可维护性都会很差,比如修改代码后对地址的维护就会让你崩溃。而这种“崩溃”的罪魁祸首就是代码和内存地址绑定得太早。
用汇编语言来让这种绑定滞后。随着编程语言的进化,我们很快就发现,采用任何一种高级编程语言,都可以解决代码和内存绑定过早产生的问题,同时还能扫掉使用汇编写程序的烦恼。

链接器为什么还要把项目中的多个 Mach-O 文件合并成一个

项目中文件之间的变量和接口函数都是相互依赖的,所以这时我们就需要通过链接器将项目中生成的多个 Mach-O 文件的符号和地址绑定起来。

没有这个绑定过程的话,单个文件生成的 Mach-O 文件是无法正常运行起来的。因为,如果运行时碰到调用在其他文件中实现的函数的情况时,就会找不到这个调用函数的地址,从而无法继续执行。

链接器在链接多个目标文件的过程中,会创建一个符号表,用于记录所有已定义的和所有未定义的符号。链接时如果出现相同符号的情况,就会出现“ld: dumplicate symbols”的错误信息;如果在其他目标文件里没有找到符号,就会提示“Undefined symbols”的错误信息。

链接器做了什么
  • 在项目文件中查找目标代码文件里没有定义的变量
  • 扫描项目中的不同文件,将所有符号定义和引用地址收集起来,并放到全局符号表中
  • 计算合并后长度及位置,生成同类型的段进行合并,建立绑定
  • 对项目中不同文件里的变量进行地址重定位
  • 去除无用函数:链接器在整理函数的调用关系时,会以 main 函数为源头,跟随每个引用,并将其标记为 live。跟随完成后,那些未被标记 live 的函数,就是无用函数。然后,链接器可以通过打开 Dead code stripping 开关,来开启自动去除无用代码的功能。并且,这个开关是默认开启的。

动态库链接

在真实的 iOS 开发中,你会发现很多功能都是现成可用的,比如 系统库、GUI 框架、I/O、网络等。链接这些共享库到你的 Mach-O 文件,也是通过链接器来完成的。

链接的共用库分为静态库和动态库:静态库是编译时链接的库,需要链接进你的 Mach-O 文件里,如果需要更新就要重新编译一次,无法动态加载和更新;而动态库是运行时链接的库,使用 dyld 就可以实现动态加载。
Mach-O 文件是编译后的产物,而动态库在运行时才会被链接,并没参与 Mach-O 文件的编译和链接,所以 Mach-O 文件中并没有包含动态库里的符号定义。也就是说,这些符号会显示为“未定义”,但它们的名字和对应的库的路径会被记录下来。运行时通过 dlopen 和 dlsym 导入动态库时,先根据记录的库路径找到对应的库,再通过记录的名字符号找到绑定的地址。

dlopen 会把共享库载入运行进程的地址空间,载入的共享库也会有未定义的符号,这样会触发更多的共享库被载入。dlopen 也可以选择是立刻解析所有引用还是滞后去做。dlopen 打开动态库后返回的是引用的指针,dlsym 的作用就是通过 dlopen 返回的动态库指针和函数符号,得到函数的地址然后使用。

使用 dyld 加载动态库,有两种方式:有程序启动加载时绑定和符号第一次被用到时绑定。为了减少启动时间,大部分动态库使用的都是符号第一次被用到时再绑定的方式。
加载过程开始会修正地址偏移,iOS 会用 ASLR 来做地址偏移避免攻击,确定 Non-Lazy Pointer 地址进行符号地址绑定,加载所有类,最后执行 load 方法和 Clang Attribute 的 constructor 修饰函数。每个函数、全局变量和类都是通过符号的形式定义和使用的,当把目标文件链接成一个 Mach-O 文件时,链接器在目标文件和动态库之间对符号做解析处理。

dylib 这种格式,表示是动态链接的,编译的时候不会被编译到执行文件中,在程序执行的时候才 link,这样就不用算到包大小里,而且不更新执行程序就能够更新库。
系统上的动态链接器会使用共享缓存,共享缓存在 /var/db/dyld/。当加载 Mach-O 文件时,动态链接器会先检查是否有共享缓存。每个进程都会在自己的地址空间映射这些共享缓存,这样做可以起到优化 App 启动速度的作用。

编译和启动速度

编译阶段由于有了链接器,代码可以写在不同的文件里,每个文件都能够独立编成 Mach-O 文件进行标记。编译器可以根据你修改的文件范围来减少编译,通过这种方式提高每次编译的速度。

这也是为什么文件越多,链接器链接 Mach-O 文件所需绑定的遍历操作就会越多,编译速度也会越慢。
开发时启动优化:对于大型APP项目在开发调试阶段,是不是代码改完以后可以先不去链接项目里的所有文件,只编译当前修改的文件动态库,通过运行时加载动态库及时更新,看到修改的结果。这样调试的速度,不就能够得到质的提升了么?



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