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iOS动态库的使用

目录

  1. 动态库和静态库的区别
  2. 创建动态库
  3. 使用动态库 3.1. 添加为依赖库-启动时加载 3.2. 运行时加载
  4. 注入动态库
  5. yololib

前言

说到动态库,就不得不提静态库。静态库可以看做是一个具有特定功能的代码块,如果app中引用了静态库,则在编译时会将静态库直接复制到app的可执行文件(也就是mach-o)中。 使用静态库会导致mach-o文件过大,而mach-o文件直接影响app的启动时间和执行时占用的内存大小。

为了减少mach-o文件的大小,需要用到动态库。当app中引用了动态库时,动态库并不会被复制到app的mach-o文件中,只有当动态库真正被用到时,才会去加载(加载到内存中)和链接(动态库可能引用了其他库)动态库,可能是在app启动时或者是运行时。

1. 动态库和静态库的区别

静态库的后缀名是以.a结尾,动态库的后缀名可以是.dylib.framework结尾,所有的系统库都属于动态库,在iOS中一般使用framework作为动态库。

下面是apple官方的两张图,表示app启动后内存的使用情况,很形象的说明了静态库和动态库的区别

使用静态库的app

使用动态库的app

在使用static linker链接app时,静态库会被完整的加载到app的mach-o文件(上图中的Application file)中,作为mach-o文件的一部分,而动态库不会被添加到mach-o文件中,这可以有效减少mach-o文件的大小。 如果app将动态库作为它的依赖库,则在mach-o文件中会添加了一个动态库的引用;如果app在运行时动态加载动态库,则在mach-o文件中不会添加动态库的引用。

在使用app时,静态库和动态库都会被加载到内存中。当多个app使用同一个库时,如果这个库是动态库,由于动态库是可以被多个app的进程共用的,所以在内存中只会存在一份;如果是静态库,由于每个app的mach-o文件中都会存在一份,则会存在多份。相对静态库,使用动态库可以减少app占用的内存大小。

另外,使用动态库可以缩短app的启动时间。原因是,使用动态库时,app的mach-o文件都会比较小;app依赖的动态库可能已经存在于内存中了(其他已启动的app也依赖了这个动态库),所以不需要重复加载。

2. 创建动态库

上文提到过,动态库一般有两种,分别以.framework.dylib后缀结尾,通常把它们叫做Framework和Shared Library。Framework本质上是由Shared Library加上头文件header和其他资源文件打包得来的。

下面以创建LibPersonFramework为例

  1. 创建一个新工程,选择iOS -> Cocoa Touch Framework

  2. 实现framework,并指定对外的头文件

定义头文件LibPerson.h

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface LibPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name ;

- (void)watch;

- (void)eat;

@end
复制代码

指定LibPersonFramework.hLibPerson.h为对外的头文件

指定framework的架构模式,这里选择了Generic iOS Device机型,然后build一下,就会创建一个通用mach-o文件,包含了arm64和arm_v7两种架构。如果选择了模拟器,会创建一个x86_64架构的mach-o文件。

需要注意的是,App和它依赖的framework的架构必须兼容,也就是说,在创建可执行文件时,要么都是真机,要么都是模拟器。当然,也可以分别在真机和模拟器两种模式下创建framwork,然后使用lipo命令来将两个framework内部的同名mach-o文件合并成一个通用mach-o文件,这样,不管App是什么架构模式,都能正确使用这个framework了。

3. 使用动态库

使用动态库有两种方式,一种是将动态库添加为依赖库,这样会在工程启动时加载动态库,一种是使用dlopen在运行时加载动态库,这两种方式的区别在于加载动态库的时机。

在iOS中一般使用第一种方法,第二种方式一般在mac开发中使用,如果在iOS中使用了这种方式,是不能上架到App Store的。

3.1. 添加为依赖库-启动时加载

创建一个新的工程DylibDemo,并引入LibPersonFramework.framework,在main.m文件中调用这个framework中的方法

这个时候,app工程已经对LibPersonFramework.framework产生了依赖,对于系统framework,到这一步就可以了,因为系统framework已经被预先安装在iphone上了。对于自定义的framework,还需要通过下面一步来将framework复制到app的安装包中。

最后运行一下,调用成功!

2018-06-04 16:32:09.076551+0800 DylibDemo[1790:700462] wang is watching TV!
2018-06-04 16:32:09.078597+0800 DylibDemo[1790:700462] wang is eating!
复制代码

3.2. 运行时加载

在运行时加载动态库,是指不需要在工程中引入动态库,作为替代,在代码中使用dlopen()这个函数来加载动态库,在调用完成之后,需要调用相同次数的dlclose()函数来关闭动态库。 除了dlopen()dlclose()以外,另外还有一个dlsym()函数来根据传入的symbol获取对应数据或函数的地址。在本例中,会使用runtime机制来代替dlsym()函数。(dlsym()一般是在c或c++中使用)

1. 创建新工程DylibDemo-Runtime,添加被调用库的头文件LibPerson.h(这里不需要添加LibPersonFramework.framework)

2. 在main.m文件中加载和调用LibPersonFramework.framework

void loadWhenRunTime(){
    

    // Open the library.
    NSString *bundlePath = [[NSBundle mainBundle]pathForResource:@"LibPersonFramework" ofType:nil];
    void* lib_handle = dlopen([bundlePath UTF8String], RTLD_LOCAL);
    
    if (!lib_handle) {
        
        NSLog(@"[%s] main: Unable to open library: %s\n",
              
              __FILE__, dlerror());
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    

    Class class_person = objc_getClass("LibPerson");
    LibPerson *person = [class_person new];
    person.name = @"wang";
    [person watch];
    [person eat];

    // Close the library.
    if (dlclose(lib_handle) != 0) {
        
        NSLog(@"[%s] Unable to close library: %s\n",
              __FILE__, dlerror());
        exit(EXIT_FAILURE);
        
    }
}
复制代码

dlopen()函数需要传入两个参数path和mode,path表示动态库的mach-o文件的路径,mode中可以包含多个标识符,比如RTLD_LAZYRTLD_NOW表示动态库中的symbol什么时候被加载,RTLD_GLOBALRTLD_LOCAL表示symbol的可见性。(详情可通过终端命令man dlopen查看)

上述代码中,path指定动态库是在生成的app包中,文件名为LibPersonFramework;mode的值是RTLD_LOCAL,表示在使用dlsym()函数时,只能通过dlopen()函数返回的handle来获取传入的symbol的地址,由于在例中并不会使用dlsym()函数,所以大可不必关注这个值。

另外,在上述代码中还有一点需要注意的,在创建LibPerson类的对象时,不能直接使用LibPerson *person = [LibPerson new],如果这样做,程序会报如下编译错误:

Undefined symbols for architecture arm64:
  "_OBJC_CLASS_$_LibPerson", referenced from:
      objc-class-ref in main.o
ld: symbol(s) not found for architecture arm64
复制代码

这是因为在编译时,如果调用了[LibPerson new],编译器会去验证app的mach-o文件以及它依赖的动态库的mach-o文件中是否有这个类的定义。 由于在编译时,程序还没有加载动态库LibPersonFramework,而程序只包含了LIbPerson类的头文件,并没有它对应的.m文件(编译器只会将.m文件编译到最终的mach-o文件中),所以编译器在app的mach-o文件以及它依赖的动态库中找不到LibPerson类的定义,然后编译器就报错了。

从上述代码可以看出,在创建LibPerson类的对象时,程序中其实已经加载了LibPersonFramework,也就是说,在那个时候程序中已经有这个类的定义了。所以,上述代码中使用了下列代码来”欺骗“编译器。

  Class class_person = objc_getClass("LibPerson");
  LibPerson *person = [class_person new];
复制代码

3. 添加动态库LibPersonFramework文件

首先build一下,生成app的包文件

这个时候可能会报编译错误,说找不到LibPersonFramework,所以接下来就需要添加LibPersonFramework。 在之前创建的LibPersonFramework.framework中,找到动态库LibPersonFramework

找到app的包文件,鼠标右键点击显示包内容,然后将这个LibPersonFramework文件复制到这里

4. 给动态库重签名

这个时候运行一下,dlopen()函数会报错,它不能加载LibPersonFramework,这个是签名出错了。虽然生成framework和运行app使用的是同一个证书,但是这里使用的并不是整个framework,所以这里需要使用codesign强制重签名一下。

添加一个脚本

/usr/bin/codesign --force --sign "$EXPANDED_CODE_SIGN_IDENTITY" "$BUILT_PRODUCTS_DIR/$TARGET_NAME.app/LibPersonFramework"

复制代码

到这里就做完了,运行一下,应该是成功的!

4. 注入动态库

注入动态库是指,给一个现有的mach-o添加一个动态库,这样可以在一个现有的app中执行动态库的代码。在给现有app注入动态库时,这个动态库只能作为一个依赖库被注入,这是因为在注入之前,不能在现有app中执行代码,所以也就不能使用dlopen()函数来加载动态库了。

首先,观察一下,当一个app添加了一个依赖库之后,会有哪些变化。在上文中,DylibDemo添加了一个依赖库LibPersonFramework.framework,下面就以这个项目作为例子。

  1. 项目生成的app包中增加了Frameworks文件,如果是系统动态库,则不会被添加到app包中。

  2. mach-o文件中增加了一条Load Commands数据,这条记录表示了app对指定的动态库的依赖。

使用MachOView打开app包中的mach-o文件

在app启动时,会自动根据Load Commands指定的路径去加载动态库,所以必须保证路径下存在对应的动态库。

下面举个例子

新建一个动态库LibInjectFramework,下面会将这个动态库注入到一个现有app中,如果注入成功,则图中的+[load]方法会被执行。

新建一个项目DylibDemo-Inject,这个项目什么代码都没有,只是一个空项目,下面需要将动态库LibInjectFramework注入到这个项目中。

  1. 将动态库LibInjectFramework复制到这个项目的app包中

  2. 添加动态库依赖

这一步需要修改被注入app的mach-o文件,这里使用yololib来完成。将yololib下载后,然后编译,将生产的命令复制到/usr/local/bin$PATH中的其他路径,这样就可以在终端使用这个命令了。 yololib需要两个参数,第一个参数指定被修改的mach-o文件的路径,第二个参数指定动态库的路径。

在项目中,添加两个脚本命令,分别用来重签名动态库和修改mach-o文件

/usr/bin/codesign --force --sign "$EXPANDED_CODE_SIGN_IDENTITY" "$BUILT_PRODUCTS_DIR/$TARGET_NAME.app/Frameworks/LibInjectFramework"
yololib "$BUILT_PRODUCTS_DIR/$TARGET_NAME.app/$TARGET_NAME" "Frameworks/LibInjectFramework"
复制代码

执行,控制台应该会输出下面这句

Inject success😊😊😊😊😊😊😊😊😊😊
复制代码

需要注意的是,这个项目只有在第一次运行时会成功,因为多次运行,会在mach-o文件中增加多个相同的Load Command。解决方法是保存一个原始的mach-o文件,然后每次运行前替换。

5. yololib

在使用yololib去添加动态库依赖时,会修改mach-o文件的两个地方

  1. 修改mach-o文件的头文件

mach header的定义

struct mach_header_64 {
	uint32_t	magic;		/* mach magic number identifier */
	cpu_type_t	cputype;	/* cpu specifier */
	cpu_subtype_t	cpusubtype;	/* machine specifier */
	uint32_t	filetype;	/* type of file */
	uint32_t	ncmds;		/* number of load commands */
	uint32_t	sizeofcmds;	/* the size of all the load commands */
	uint32_t	flags;		/* flags */
	uint32_t	reserved;	/* reserved */
};
复制代码

由于增加了一条Load Command,所以需要修改的是ncmdssizeofcmds这两个字段,它们分别表示Load Command的总数目和总大小。

  1. 添加一个dylib_command结构体

动态库的信息是以dylib_command结构体的形式被存储,dylib_command的定义

struct dylib_command {
	uint32_t	cmd;		/* LC_ID_DYLIB, LC_LOAD_{,WEAK_}DYLIB,
					   LC_REEXPORT_DYLIB */
	uint32_t	cmdsize;	/* includes pathname string */
	struct dylib	dylib;		/* the library identification */
};

struct dylib {
    union lc_str  name;			/* library's path name */
    uint32_t timestamp;			/* library's build time stamp */
    uint32_t current_version;		/* library's current version number */
    uint32_t compatibility_version;	/* library's compatibility vers number*/
};
复制代码

创建一个dylib_command结构体,并添加到所有Load Command之后,

       fseek(newFile, sizeofcmds, SEEK_CUR);
        
        struct dylib_command dyld;
        fread(&dyld, sizeof(struct dylib_command), 1, newFile);
        
        NSLog(@"Attaching dylib..\n\n");
        
        dyld.cmd = LC_LOAD_DYLIB;
        //cmd的大小是dylib_command结构体的大小加上path的大小。
        dyld.cmdsize = (uint32_t) dylib_size;
        dyld.dylib.compatibility_version = DYLIB_COMPATIBILITY_VERSION;
        dyld.dylib.current_version = DYLIB_CURRENT_VER;
        dyld.dylib.timestamp = 2;
        //指定从哪里开始是name
        dyld.dylib.name.offset = sizeof(struct dylib_command);
        fseek(newFile, -sizeof(struct dylib_command), SEEK_CUR);
        fwrite(&dyld, sizeof(struct dylib_command), 1, newFile);
复制代码

紧跟着被添加的Load_Command,添加动态库的path字符串。

fwrite([data bytes], [data length], 1, newFile);
复制代码

在添加新的Load_Command时,是直接使用新数据来覆盖就数据的,因为Load_CommandSection之间还预留了一部分空间,所以直接覆盖不会影响Section的数据。

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