iOS編譯過程的原理和應(yīng)用

作者：佚名 2017-04-11 08:36:09

iOS開發(fā)目前的常用語言是：Objective和Swift。二者都是編譯語言，換句話說都是需要編譯才能執(zhí)行的。二者的編譯都是依賴于Clang + LLVM. 篇幅限制，本文只關(guān)注Objective C，因為原理上大同小異。

前言

一般可以將編程語言分為兩種，編譯語言和直譯式語言。

像C++,Objective C都是編譯語言。編譯語言在執(zhí)行的時候，必須先通過編譯器生成機器碼，機器碼可以直接在CPU上執(zhí)行，所以執(zhí)行效率較高。

像JavaScript,Python都是直譯式語言。直譯式語言不需要經(jīng)過編譯的過程，而是在執(zhí)行的時候通過一個中間的解釋器將代碼解釋為CPU可以執(zhí)行的代碼。所以，較編譯語言來說，直譯式語言效率低一些，但是編寫的更靈活，也就是為啥JS大法好。

可能會有同學(xué)想問，我不懂編譯的過程，寫代碼也沒問題啊?這點我是不否定的。但是，充分理解了編譯的過程，會對你的開發(fā)大有幫助。本文的最后，會以以下幾個例子，來講解如何合理利用XCode和編譯

__attribute__
Clang警告處理
預(yù)處理
插入編譯期腳本
提高項目編譯速度

對于不想看我啰里八嗦講一大堆原理的同學(xué)，可以直接跳到本文的最后一個章節(jié)。

iOS編譯

不管是OC還是Swift，都是采用Clang作為編譯器前端，LLVM(Low level vritual machine)作為編譯器后端。所以簡單的編譯過程如圖

編譯器前端

編譯器前端的任務(wù)是進(jìn)行：語法分析，語義分析，生成中間代碼(intermediate representation )。在這個過程中，會進(jìn)行類型檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯誤或者警告會標(biāo)注出來在哪一行。

編譯器后端

編譯器后端會進(jìn)行機器無關(guān)的代碼優(yōu)化，生成機器語言，并且進(jìn)行機器相關(guān)的代碼優(yōu)化。iOS的編譯過程，后端的處理如下

LVVM優(yōu)化器會進(jìn)行BitCode的生成，鏈接期優(yōu)化等等。

[[188090]]

LLVM機器碼生成器會針對不同的架構(gòu)，比如arm64等生成不同的機器碼。

執(zhí)行一次XCode build的流程

當(dāng)你在XCode中，選擇build的時候(快捷鍵command+B)，會執(zhí)行如下過程

編譯信息寫入輔助文件，創(chuàng)建編譯后的文件架構(gòu)(name.app)
處理文件打包信息，例如在debug環(huán)境下

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

執(zhí)行CocoaPod編譯前腳本
- 例如對于使用CocoaPod的工程會執(zhí)行CheckPods Manifest.lock
編譯各個.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 所需要的Framework  ... -c ClassName.c -o ClassName.o

通過這個編譯的命令，我們可以看到

clang是實際的編譯命令

-x objective-c 指定了編譯的語言

-arch x86_64制定了編譯的架構(gòu)，類似還有arm7等

-fobjc-arc 一些列-f開頭的，指定了采用arc等信息。這個也就是為什么你可以對單獨的一個.m文件采用非ARC編程。

-Wno-missing-field-initializers 一系列以-W開頭的，指的是編譯的警告選項，通過這些你可以定制化編譯選項

-DDEBUG=1 一些列-D開頭的，指的是預(yù)編譯宏，通過這些宏可以實現(xiàn)條件編譯

-iPhoneSimulator10.1.sdk 制定了編譯采用的iOS SDK版本

-I 把編譯信息寫入指定的輔助文件

-F 鏈接所需要的Framework

-c ClassName.c 編譯文件

-o ClassName.o 編譯產(chǎn)物

鏈接需要的Framework，例如Foundation.framework,AFNetworking.framework,ALiPay.fframework
編譯xib文件
拷貝xib，圖片等資源文件到結(jié)果目錄
編譯ImageAssets
處理info.plist
執(zhí)行CocoaPod腳本
拷貝Swift標(biāo)準(zhǔn)庫
創(chuàng)建.app文件和對其簽名

IPA包的內(nèi)容

例如，我們通過iTunes Store下載微信，然后獲得ipa安裝包，然后實際看看其安裝包的內(nèi)容。

右鍵ipa，重命名為.zip
雙擊zip文件，解壓縮后會得到一個文件夾。所以，ipa包就是一個普通的壓縮包。

右鍵圖中的WeChat，選擇顯示包內(nèi)容，然后就能夠看到實際的ipa包內(nèi)容了。

二進(jìn)制文件的內(nèi)容

通過XCode的Link Map File，我們可以窺探二進(jìn)制文件中布局。

在XCode -> Build Settings -> 搜索map -> 開啟Write Link Map File

開啟后，在編譯，我們可以在對應(yīng)的Debug/Release目錄下看到對應(yīng)的link map的text文件。

默認(rèn)的目錄在

~/Library/Developer/Xcode/DerivedData/TARGET-NAME>-對應(yīng)ID/Build/Intermediates/TARGET-NAME>.build/Debug-iphoneos/TARGET-NAME>.build/

例如，我的TargetName是EPlusPan4Phone，目錄如下

/Users/huangwenchen/Library/Developer/Xcode/DerivedData/EPlusPan4Phone-eznmxzawtlhpmadnbyhafnpqpizo/Build/Intermediates/EPlusPan4Phone.build/Debug-iphonesimulator/EPlusPan4Phone.build

這個映射文件的主要包含以下部分：

Object files

這個部分包括的內(nèi)容

– .o 文文件，也就是上文提到的.m文件編譯后的結(jié)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

這個區(qū)域的存儲內(nèi)容比較簡單：前面是文件的編號，后面是文件的路徑。文件的編號在后續(xù)會用到

Sections

這個區(qū)域提供了各個段(Segment)和節(jié)(Section)在可執(zhí)行文件中的位置和大小。這個區(qū)域完整的描述克可執(zhí)行文件中的全部內(nèi)容。

其中，段分為兩種

__TEXT 代碼段

__DATA 數(shù)據(jù)段

例如，之前寫的一個App，Sections區(qū)域如下，可以看到，代碼段的

__text節(jié)的地址是0x1000021B0，大小是0x0077EBC3，而二者相加的下一個位置正好是__stubs的位置0x100780D74。

# Sections: 
# 位置       大小        段       節(jié) 
# Address   Size        Segment Section 
0x1000021B0 0x0077EBC3  __TEXT  __text //代碼 
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 類名 
0x1007E7243 0x00010498  __TEXT  __objc_methtype  //OC 方法類型 
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協(xié)議列表 
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 父類引用 
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部分將二進(jìn)制文件進(jìn)行了一級劃分。而，Symbols對Section中的各個段進(jìn)行了二級劃分，

例如，對于__TEXT __text,表示代碼段中的代碼內(nèi)容。

0x1000021B0 0x0077EBC3 __TEXT __text //代碼

而對應(yīng)的Symbols，起始地址也是0x1000021B0。其中，文件編號和上文的編號對應(yīng)

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

具體內(nèi)容如下

# Symbols: 
  地址     大小          文件編號    方法名 
# Address   Size        File       Name 
0x1000021B0 0x00000109  [  2]     -[ULWBigResponseButton pointInside:withEvent:] 
0x1000022C0 0x00000080  [  3]     -[ULWCategoryController liveAPI] 
0x100002340 0x00000080  [  3]     -[ULWCategoryController categories] 
....

到這里，我們知道OC的方法是如何存儲的，我們再來看看ivar是如何存儲的。

首先找到數(shù)據(jù)棧中__DATA __objc_ivar

0x100A4A248 0x0000A500 __DATA __objc_ivar

然后，搜索這個地址0x100A4A248，就能找到ivar的存儲區(qū)域。

0x100A4A248 0x00000008 [ 3] _OBJC_IVAR_$_ULWCategoryController._liveAPI

值得一提的是，對于String，會顯式的存儲到數(shù)據(jù)段中，例如,

0x1008065C2 0x00000029 [ 11] literal string: http://sns.whalecloud.com/sina2/callback

所以，若果你的加密Key以明文的形式寫在文件里，是一件很危險的事情。

dSYM 文件

我們在每次編譯過后，都會生成一個dsym文件。dsym文件中，存儲了16進(jìn)制的函數(shù)地址映射。

在App實際執(zhí)行的二進(jìn)制文件中，是通過地址來調(diào)用方法的。在App crash的時候，第三方工具(Fabric,友盟等)會幫我們抓到崩潰的調(diào)用棧，調(diào)用棧里會包含crash地址的調(diào)用信息。然后，通過dSYM文件，我們就可以由地址映射到具體的函數(shù)位置。

XCode中，選擇Window -> Organizer可以看到我們生成的archier文件

然后，

右鍵 -> 在finder中顯示。
右鍵 -> 查看包內(nèi)容。

關(guān)于如何用dsym文件來分析崩潰位置，可以查看我之前的一篇博客。

iOS 如何調(diào)試第三方統(tǒng)計到的崩潰報告

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

那些你想到和想不到的應(yīng)用場景

__attribute__

或多或少，你都會在第三方庫或者iOS的頭文件中，見到過attribute。

比如

__attribute__ ((warn_unused_result)) //如果沒有使用返回值，編譯的時候給出警告

__attribtue__ 是一個高級的的編譯器指令，它允許開發(fā)者指定更更多的編譯檢查和一些高級的編譯期優(yōu)化。

分為三種：

函數(shù)屬性 (Function Attribute)
類型屬性 (Variable Attribute )
變量屬性 (Type Attribute )

語法結(jié)構(gòu)

__attribute__ 語法格式為：__attribute__ ((attribute-list))

放在聲明分號“;”前面。

比如，在三方庫中最常見的，聲明一個屬性或者方法在當(dāng)前版本棄用了

@property (strong,nonatomic)CLASSNAME * property __deprecated;

這樣的好處是：給開發(fā)者一個過渡的版本，讓開發(fā)者知道這個屬性被棄用了，應(yīng)當(dāng)使用最新的API，但是被__deprecated的屬性仍然可以正常使用。如果直接棄用，會導(dǎo)致開發(fā)者在更新Pod的時候，代碼無法運行了。

__attribtue__的使用場景很多，本文只列舉iOS開發(fā)中常用的幾個：

//棄用API，用作API更新 
#define __deprecated    __attribute__((deprecated)) 
  
//帶描述信息的棄用 
#define __deprecated_msg(_msg) __attribute__((deprecated(_msg))) 
  
//遇到__unavailable的變量/方法，編譯器直接拋出Error 
#define __unavailable   __attribute__((unavailable)) 
  
//告訴編譯器，即使這個變量/方法 沒被使用，也不要拋出警告 
#define __unused    __attribute__((unused)) 
  
//和__unused相反 
#define __used      __attribute__((used)) 
  
//如果不使用方法的返回值，進(jìn)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警告處理

你一定還見過如下代碼：

#pragma clang diagnostic push 
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector" 
///代碼 
#pragma clang diagnostic pop

這段代碼的作用是

對當(dāng)前編譯環(huán)境進(jìn)行壓棧
忽略-Wundeclared-selector(未聲明的)Selector警告
編譯代碼
對編譯環(huán)境進(jìn)行出棧

通過clang diagnostic push/pop,你可以靈活的控制代碼塊的編譯選項。

我在之前的一篇文章里，詳細(xì)的介紹了XCode的警告相關(guān)內(nèi)容。本文篇幅限制，就不詳細(xì)講解了。

iOS 合理利用Clang警告來提高代碼質(zhì)量

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

預(yù)處理

所謂預(yù)處理，就是在編譯之前的處理。預(yù)處理能夠讓你定義編譯器變量，實現(xiàn)條件編譯。

比如，這樣的代碼很常見

#ifdef DEBUG 
//... 
#else 
//... 
#endif

同樣，我們同樣也可以定義其他預(yù)處理變量,在XCode-選中Target-build settings中，搜索proprecess。然后點擊圖中藍(lán)色的加號，可以分別為debug和release兩種模式設(shè)置預(yù)處理宏。

比如我們加上：TestServer，表示在這個宏中的代碼運行在測試服務(wù)器

然后，配合多個Target(右鍵Target，選擇Duplicate)，單獨一個Target負(fù)責(zé)測試服務(wù)器。這樣我們就不用每次切換測試服務(wù)器都要修改代碼了。

#ifdef TESTMODE 
//測試服務(wù)器相關(guān)的代碼 
#else 
//生產(chǎn)服務(wù)器相關(guān)代碼 
#endif

插入腳本

通常，如果你使用CocoaPod來管理三方庫，那么你的Build Phase是這樣子的：

其中：[CP]開頭的，就是CocoaPod插入的腳本。

Check Pods Manifest.lock，用來檢查cocoapod管理的三方庫是否需要更新
Embed Pods Framework，運行腳本來鏈接三方庫的靜態(tài)/動態(tài)庫
Copy Pods Resources，運行腳本來拷貝三方庫的資源文件

而這些配置信息都存儲在這個文件(.xcodeprog)里

到這里，CocoaPod的原理也就大致搞清楚了，通過修改xcodeproject，然后配置編譯期腳本，來保證三方庫能夠正確的編譯連接。

同樣，我們也可以插入自己的腳本，來做一些額外的事情。比如，每次進(jìn)行archive的時候，我們都必須手動調(diào)整target的build版本，如果一不小心，就會忘記。這個過程，我們可以通過插入腳本自動化。

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}"

這段腳本其實很簡單，讀取當(dāng)前pist的build版本號,然后對其加一，重新寫入。

使用起來也很簡單：

Xcode – 選中Target – 選中build phase
選擇添加Run Script Phase

然后把這段腳本拷貝進(jìn)去，并且勾選Run Script Only When installing，保證只有我們在安裝到設(shè)備上的時候，才會執(zhí)行這段腳本。重命名腳本的名字為Auto Increase build number

然后，拖動這個腳本的到Link Binary With Libraries下面

腳本編譯打包

腳本化編譯打包對于CI(持續(xù)集成)來說，十分有用。iOS開發(fā)中，編譯打包必備的兩個命令是：

//編譯成.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 
  
通過info命令，可以查看到詳細(xì)的文檔 
info xcodebuild

在本文最后的附錄中，提供了我之前使用的一個自動打包的腳本。

提高項目編譯速度

通常，當(dāng)項目很大，源代碼和三方庫引入很多的時候，我們會發(fā)現(xiàn)編譯的速度很慢。在了解了XCode的編譯過程后，我們可以從以下角度來優(yōu)化編譯速度：

查看編譯時間

我們需要一個途徑，能夠看到編譯的時間，這樣才能有個對比，知道我們的優(yōu)化究竟有沒有效果。

對于XCode 8，關(guān)閉XCode，終端輸入以下指令

$ defaults write com.apple.dt.Xcode ShowBuildOperationDuration YES

然后，重啟XCode，然后編譯，你會在這里看到編譯時間。

代碼層面的優(yōu)化

forward declaration

所謂forward declaration，就是@class CLASSNAME，而不是#import CLASSNAME.h。這樣，編譯器能大大提高#import的替換速度。

對常用的工具類進(jìn)行打包(Framework/.a)

打包成Framework或者靜態(tài)庫，這樣編譯的時候這部分代碼就不需要重新編譯了。

常用頭文件放到預(yù)編譯文件里

XCode的pch文件是預(yù)編譯文件，這里的內(nèi)容在執(zhí)行XCode build之前就已經(jīng)被預(yù)編譯，并且引入到每一個.m文件里了。

編譯器選項優(yōu)化

Debug模式下，不生成dsym文件

上文提到了，dysm文件里存儲了調(diào)試信息，在Debug模式下，我們可以借助XCode和LLDB進(jìn)行調(diào)試。所以，不需要生成額外的dsym文件來降低編譯速度。

Debug開啟Build Active Architecture Only

在XCode -> Build Settings -> Build Active Architecture Only 改為YES。這樣做，可以只編譯當(dāng)前的版本，比如arm7/arm64等等，記得只開啟Debug模式。這個選項在高版本的XCode中自動開啟了。

Debug模式下，關(guān)閉編譯器優(yōu)化

編譯器優(yōu)化

后續(xù)

本來這篇文章還有很多內(nèi)容想寫，篇幅限制，就先這樣吧。最近發(fā)生了很多不開心的事，這里提醒自己一句：吃一塹，長一智。

后面有時間了，會介紹一些編譯期黑科技：

寫入額外的編譯信息
函數(shù)的調(diào)用過程和運行時找到函數(shù)在二進(jìn)制文件中的的地址
……

附錄

自動編譯打包腳本

export LC_ALL=zh_CN.GB2312; 
export LANG=zh_CN.GB2312 
buildConfig="Release" //這里是build模式 
projectName=`find . -name *.xcodeproj | awk -F "[/.]" '{print $(NF-1)}'` 
projectDir=`pwd` 
wwwIPADir=~/Desktop/$projectName-IPA 
isWorkSpace=true 
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~開始編譯~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
if [ -d "$wwwIPADir" ]; then 
echo $wwwIPADir 
echo "文件目錄存在" 
else 
echo "文件目錄不存在" 
mkdir -pv $wwwIPADir 
echo "創(chuàng)建${wwwIPADir}目錄成功" 
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  "開始編譯workspace...." 
xcodebuild  -workspace $projectName.xcworkspace -scheme $projectName  -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir 
else 
echo  "開始編譯target...." 
xcodebuild  -target  $projectName  -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir 
fi 
  
if test $? -eq 0 
then 
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~編譯成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
else 
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~編譯失敗~~~~~~~~~~~~~~~~~~~" 
exit 1 
fi 
  
ipaName=`echo $projectName | tr "[:upper:]" "[:lower:]"` #將項目名轉(zhuǎn)小寫 
findFolderName=`find . -name "$buildConfig-*" -type d |xargs basename` #查找目錄 
appDir=$buildAppToDir/$findFolderName/  #app所在路徑 
echo "開始打包$projectName.app成$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失敗." 
exit 1 
fi 
  
path=$wwwIPADir/$projectName$(date +%Y%m%d%H%M%S).ipa 
cp -f -p $appDir/$ipaName.ipa $path   #拷貝ipa文件 
echo "復(fù)制$ipaName.ipa到${wwwIPADir}成功" 
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~結(jié)束編譯，處理成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"

責(zé)任編輯：龐桂玉來源： iOS大全

iOS 編譯應(yīng)用