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iOS编译过程的原理和应用

来源:LeoMobileDeveloper 发布时间:2016-12-13 阅读次数:

前言

一般可以将龙都娱乐分为两种,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
  1. __attribute__
  2. Clang警告处理
  3. 预处理
  4. 插入编译期脚本
  5. 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。

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。

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
  1. 编译信息写入辅助文件,创建编译后的文件架构(name.app)
  2. 处理文件打包信息,例如在debug环境下
Entitlements: { "application-identifier" = "app的bundleid"; "aps-environment" = development; }
  1. 执行CocoaPod编译前脚本
    例如对于使用CocoaPod的工程会执行CheckPods Manifest.lock
  2. 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 所需要的Framework ... -c ClassName.c -o ClassName.o 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
  1. 链接需要的Framework,例如Foundation.framework,AFNetworking.framework,ALiPay.fframework
  2. 编译xib文件
  3. 拷贝xib,图片等资源文件到结果目录
  4. 编译ImageAssets
  5. 处理info.plist
  6. 执行CocoaPod脚本
  7. 拷贝Swift标准库
  8. 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
  1. __TEXT 代码段
  2. __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

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,它允许龙都娱乐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:
  1. 函数属性 (Function Attribute)
  2. 类型属性 (Variable Attribute )
  3. 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:给龙都娱乐一个过渡的版本,让龙都娱乐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,会导致龙都娱乐在更新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 push #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

    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。
    1. Check Pods Manifest.lock,用来检查cocoapod管理的三方库是否需要更新
    2. Embed Pods Framework,运行脚本来链接三方库的静态/动态库
    3. 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:
    1. 写入额外的编译信息
    2. 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
    3. ……

    附录

    自动编译打包脚本 export LC_ALL=zh_CN.utf-8; export LANG=zh_CN.utf-8 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~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"
    QQ群:WEB龙都娱乐官方群(515171538),验证消息:10000
    微信群:加小编微信 849023636 邀请您加入,验证消息:10000
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