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iOS编译过程

前言

iOS 开发中使用的是编译语言,所谓编译语言是在执行的时候,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。他是使用 Clang / LLVM 来编译的。LLVM是一个模块化和可重用的编译器和工具链技术的集合,Clang 是 LLVM 的子项目,是 C,C++ 和 Objective-C 编译器,目的是提供惊人的快速编译。下面我们来看看编译过程,总的来说编译过程分为几个阶段:
预处理 -> 词法分析 -> 语法分析 -> 静态分析 -> 生成中间代码和优化 -> 汇编 -> 链接

具体过程

一、预处理

我们以一个实际例子来看看,预处理的过程,源码:

#import "AppDelegate.h"

#define NUMBER 1
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
    
        NSLog(@"%d",NUMBER);
        
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}
复制代码

使用终端到main.m所在文件夹,使用命令:clang -E main.m,结果如下:

@interface AppDelegate : UIResponder <UIApplicationDelegate>

@property (strong, nonatomic) UIWindow *window;

@end
# 11 "main.m" 2

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        NSLog(@"%d",1);

        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}
复制代码

也可以使用Xcode的Product->Perform Action -> Preprocess得到相同的结果
这一步编译器所做的处理是:

  • 宏替换
    在源码中使用的宏定义会被替换为对应#define的内容)

    建议大家不要在需要预处理的代码中加入内联代码逻辑。

  • 头文件引入(#include,#import)
    使用对应文件.h的内容替换这一行的内容,所以尽量减少头文件中的#import,使用@class替代,把#import放到.m文件中。

  • 处理条件编译指令 (#if,#else,#endif)

二、词法解析

使用clang -Xclang -dump-tokens main.m词法分析结果如下:

int 'int'	 [StartOfLine]	Loc=<main.m:14:1>
identifier 'main'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:14:5>
l_paren '('		Loc=<main.m:14:9>
int 'int'		Loc=<main.m:14:10>
identifier 'argc'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:14:14>
comma ','		Loc=<main.m:14:18>
char 'char'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:14:20>
star '*'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:14:25>
identifier 'argv'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:14:27>
l_square '['		Loc=<main.m:14:31>
r_square ']'		Loc=<main.m:14:32>
r_paren ')'		Loc=<main.m:14:33>
l_brace '{'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:14:35>
at '@'	 [StartOfLine] [LeadingSpace]	Loc=<main.m:15:5>
identifier 'autoreleasepool'		Loc=<main.m:15:6>
l_brace '{'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:15:22>
identifier 'NSLog'	 [StartOfLine] [LeadingSpace]	Loc=<main.m:17:9>
l_paren '('		Loc=<main.m:17:14>
at '@'		Loc=<main.m:17:15>
string_literal '"%d"'		Loc=<main.m:17:16>
comma ','		Loc=<main.m:17:20>
numeric_constant '1'		Loc=<main.m:17:21 <Spelling=main.m:12:16>>
r_paren ')'		Loc=<main.m:17:27>
semi ';'		Loc=<main.m:17:28>
return 'return'	 [StartOfLine] [LeadingSpace]	Loc=<main.m:19:9>
identifier 'UIApplicationMain'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:19:16>
l_paren '('		Loc=<main.m:19:33>
identifier 'argc'		Loc=<main.m:19:34>
comma ','		Loc=<main.m:19:38>
identifier 'argv'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:19:40>
comma ','		Loc=<main.m:19:44>
identifier 'nil'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:19:46>
comma ','		Loc=<main.m:19:49>
identifier 'NSStringFromClass'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:19:51>
l_paren '('		Loc=<main.m:19:68>
l_square '['		Loc=<main.m:19:69>
identifier 'AppDelegate'		Loc=<main.m:19:70>
identifier 'class'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.m:19:82>
r_square ']'		Loc=<main.m:19:87>
r_paren ')'		Loc=<main.m:19:88>
r_paren ')'		Loc=<main.m:19:89>
semi ';'		Loc=<main.m:19:90>
r_brace '}'	 [StartOfLine] [LeadingSpace]	Loc=<main.m:20:5>
r_brace '}'	 [StartOfLine]	Loc=<main.m:21:1>
eof ''		Loc=<main.m:21:2>
复制代码

这一步把源文件中的代码转化为特殊的标记流,源码被分割成一个一个的字符和单词,在行尾Loc中都标记出了源码所在的对应源文件和具体行数,方便在报错时定位问题。

三、语法分析

执行 clang 命令 clang -Xclang -ast-dump -fsyntax-only maim.m得到如下结果:

|-FunctionDecl 0x7f9fa085a9b8 <main.m:14:1, line:21:1> line:14:5 main 'int (int, char **)'
| |-ParmVarDecl 0x7f9fa085a788 <col:10, col:14> col:14 used argc 'int'
| |-ParmVarDecl 0x7f9fa085a8a0 <col:20, col:32> col:27 used argv 'char **':'char **'
| `-CompoundStmt 0x7f9fa1002240 <col:35, line:21:1>
|   `-ObjCAutoreleasePoolStmt 0x7f9fa1002230 <line:15:5, line:20:5>
|     `-CompoundStmt 0x7f9fa1002210 <line:15:22, line:20:5>
|       `-CallExpr 0x7f9fa085aec0 <line:17:9, col:27> 'void'
|         |-ImplicitCastExpr 0x7f9fa085aea8 <col:9> 'void (*)(id, ...)' <FunctionToPointerDecay>
|         | `-DeclRefExpr 0x7f9fa085ac90 <col:9> 'void (id, ...)' Function 0x7f9fa085ab38 'NSLog' 'void (id, ...)'
|         |-ImplicitCastExpr 0x7f9fa085aef8 <col:15, col:16> 'id':'id' <BitCast>
|         | `-ObjCStringLiteral 0x7f9fa085ae08 <col:15, col:16> 'NSString *'
|         |   `-StringLiteral 0x7f9fa085acf8 <col:16> 'char [3]' lvalue "%d"
|         `-IntegerLiteral 0x7f9fa085ae28 <line:12:16> 'int' 1
|-FunctionDecl 0x7f9fa085ab38 <line:17:9> col:9 implicit used NSLog 'void (id, ...)' extern
| |-ParmVarDecl 0x7f9fa085abd0 <<invalid sloc>> <invalid sloc> 'id':'id'
| `-FormatAttr 0x7f9fa085ac38 <col:9> Implicit NSString 1 2
|-FunctionDecl 0x7f9fa085af60 <<invalid sloc>> line:19:16 implicit used UIApplicationMain 'int ()'
`-FunctionDecl 0x7f9fa085b098 <<invalid sloc>> col:51 implicit used NSStringFromClass 'int ()'
复制代码

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。

四、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)

  • 类型检查
    在此阶段clang会做检查,最常见的是检查程序是否发送正确的消息给正确的对象,是否在正确的值上调用了正常函数。如果你给一个单纯的 NSObject* 对象发送了一个 hello 消息,那么 clang 就会报错,同样,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。

    一般会把类型分为两类:动态的和静态的。动态的在运行时做检查,静态的在编译时做检查。以往,编写代码时可以向任意对象发送任何消息,在运行时,才会检查对象是否能够响应这些消息。由于只是在运行时做此类检查,所以叫做动态类型。

    至于静态类型,是在编译时做检查。当在代码中使用 ARC 时,编译器在编译期间,会做许多的类型检查:因为编译器需要知道哪个对象该如何使用。

  • 其他分析
    ObjCUnusedIVarsChecker.cpp是用来检查是否有定义了,但是从未使用过的变量。
    ObjCSelfInitChecker.cpp是检查在 你的初始化方法中中调用 self 之前,是否已经调用 [self initWith...] 或 [super init] 了。

    checkers
    更多请看:clang静态分析

五、中间代码生成和优化

使用clang -O3 -S -emit-llvm main.m -o main.ll生成main.ll文件,打开并查看转化结果:

; ModuleID = 'main.m'
source_filename = "main.m"
target datalayout = "e-m:o-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-apple-macosx10.13.0"

%struct.__NSConstantString_tag = type { i32*, i32, i8*, i64 }

@__CFConstantStringClassReference = external global [0 x i32]
@.str = private unnamed_addr constant [3 x i8] c"%d\00", section "__TEXT,__cstring,cstring_literals", align 1
@_unnamed_cfstring_ = private global %struct.__NSConstantString_tag { i32* getelementptr inbounds ([0 x i32], [0 x i32]* @__CFConstantStringClassReference, i32 0, i32 0), i32 1992, i8* getelementptr inbounds ([3 x i8], [3 x i8]* @.str, i32 0, i32 0), i64 2 }, section "__DATA,__cfstring", align 8

; Function Attrs: ssp uwtable
define i32 @main(i32, i8** nocapture readnone) local_unnamed_addr #0 {
  %3 = tail call i8* @objc_autoreleasePoolPush() #2
  notail call void (i8*, ...) @NSLog(i8* bitcast (%struct.__NSConstantString_tag* @_unnamed_cfstring_ to i8*), i32 1)
  tail call void @objc_autoreleasePoolPop(i8* %3)
  ret i32 0
}

declare i8* @objc_autoreleasePoolPush() local_unnamed_addr

declare void @NSLog(i8*, ...) local_unnamed_addr #1

declare void @objc_autoreleasePoolPop(i8*) local_unnamed_addr

attributes #0 = { ssp uwtable "correctly-rounded-divide-sqrt-fp-math"="false" "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-jump-tables"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="penryn" "target-features"="+cx16,+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+sse3,+sse4.1,+ssse3,+x87" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #1 = { "correctly-rounded-divide-sqrt-fp-math"="false" "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="penryn" "target-features"="+cx16,+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+sse3,+sse4.1,+ssse3,+x87" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #2 = { nounwind }

!llvm.module.flags = !{!0, !1, !2, !3, !4, !5, !6}
!llvm.ident = !{!7}

!0 = !{i32 1, !"Objective-C Version", i32 2}
!1 = !{i32 1, !"Objective-C Image Info Version", i32 0}
!2 = !{i32 1, !"Objective-C Image Info Section", !"__DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip"}
!3 = !{i32 4, !"Objective-C Garbage Collection", i32 0}
!4 = !{i32 1, !"Objective-C Class Properties", i32 64}
!5 = !{i32 1, !"wchar_size", i32 4}
!6 = !{i32 7, !"PIC Level", i32 2}
!7 = !{!"Apple LLVM version 9.1.0 (clang-902.0.39.2)"}
复制代码

接下来 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。

使用xcrun clang -S -o - main.m | open -f生成汇编代码:

	.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions
	.macosx_version_min 10, 13
	.globl	_main                   ## -- Begin function main
	.p2align	4, 0x90
_main:                                  ## @main
	.cfi_startproc
## BB#0:
	pushq	%rbp
Lcfi0:
	.cfi_def_cfa_offset 16
Lcfi1:
	.cfi_offset %rbp, -16
	movq	%rsp, %rbp
Lcfi2:
	.cfi_def_cfa_register %rbp
	subq	$32, %rsp
	movl	$0, -4(%rbp)
	movl	%edi, -8(%rbp)
	movq	%rsi, -16(%rbp)
	callq	_objc_autoreleasePoolPush
	leaq	L__unnamed_cfstring_(%rip), %rsi
	movl	$1, %edi
	movl	%edi, -20(%rbp)         ## 4-byte Spill
	movq	%rsi, %rdi
	movl	-20(%rbp), %esi         ## 4-byte Reload
	movq	%rax, -32(%rbp)         ## 8-byte Spill
	movb	$0, %al
	callq	_NSLog
	movq	-32(%rbp), %rdi         ## 8-byte Reload
	callq	_objc_autoreleasePoolPop
	xorl	%eax, %eax
	addq	$32, %rsp
	popq	%rbp
	retq
	.cfi_endproc
                                        ## -- End function
	.section	__TEXT,__cstring,cstring_literals
L_.str:                                 ## @.str
	.asciz	"%d"

	.section	__DATA,__cfstring
	.p2align	3               ## @_unnamed_cfstring_
L__unnamed_cfstring_:
	.quad	___CFConstantStringClassReference
	.long	1992                    ## 0x7c8
	.space	4
	.quad	L_.str
	.quad	2                       ## 0x2

	.section	__DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip
L_OBJC_IMAGE_INFO:
	.long	0
	.long	64


.subsections_via_symbols

复制代码

前面的三行:

    .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
    .macosx_version_min 10, 13
    .globl  _main                   ## -- Begin function main
    .p2align    4, 0x90
复制代码

他们是汇编指令而不是汇编代码。

  • .section指令指定了接下来会执行哪一个段
  • .globl指令说明_main是一个外部符号。这就是我们的main()函数。这个函数对外部是可见的,因为系统要调用它来运行可执行文件。
  • .p2align指令指出了后面代码的对齐方式。在我们的代码中,后面的代码会按照 16(2^4) 字节对齐,如果需要的话,用 0x90 补齐。

想要了解更多可以看一下这篇文章:《LLVM 全时优化》

六、汇编

在这一阶段,汇编器将上一步生成的可读的汇编代码转化为机器代码。最终产物就是 以 .o 结尾的目标文件。使用Xcode构建的程序会在DerivedData目录中找到这个文件。如图:

.o

七、链接

这一阶段是将上个阶段生成的目标文件和引用的静态库链接起来,最终生成可执行文件,链接器解决了目标文件和库之间的链接。

使用clang main.m生成可执行文件a.out(不指定名字默认为a.out),使用file a.out可以看到其类型信息:

a.out: Mach-O 64-bit executable x86_64
复制代码

可以看出可执行文件类型为 Mach-O 类型,在 MAC OS 和 iOS 平台的可执行文件都是这种类型。因为我使用的是模拟器,所以处理器指令集为 x86_64。

至此,编译过程结束。

Mach-O文件

Mach-O简介

根据官方文档的描述:

Mach-O是OS X中二进制文件的原生可执行格式,是传送代码的首选格式。可执行格式决定了二进制文件中的代码和数据读入内存的顺序。代码和数据的顺序会影响内存使用和分页活动,从而直接影响程序的性能。

Mach-O二进制文件被组织成段。每个部分包含一个或多个部分。段的大小由它所包含的所有部分的字节数来度量,并四舍五入到下一个虚拟内存页边界。因此,一个段总是4096字节或4千字节的倍数,其中4096字节是最小大小。

Mach-O结构

Mach-O文件的结构如下:

Mach-O

  1. Header
    保存了Mach-O的一些基本信息,包括了平台、文件类型、LoadCommands的个数等等。 使用otool -v -h a.out查看其内容:

    Mach-o Header

  2. Load commands
    这一段紧跟Header,加载Mach-O文件时会使用这里的数据来确定内存的分布

  3. Data
    包含 Load commands 中需要的各个 segment,每个 segment 中又包含多个 section。当运行一个可执行文件时,虚拟内存 (virtual memory) 系统将 segment 映射到进程的地址空间上。

    使用xcrun size -x -l -m a.out查看segment中的内容:

    • Segment __PAGEZERO。
      大小为 4GB,规定进程地址空间的前 4GB 被映射为不可读不可写不可执行。
    • Segment __TEXT。
      包含可执行的代码,以只读和可执行方式映射。
    • Segment __DATA。
      包含了将会被更改的数据,以可读写和不可执行方式映射。
    • Segment __LINKEDIT。
      包含了方法和变量的元数据,代码签名等信息。

资料:
Mach-O Executable Format
编译器
Mach-O 可执行文件

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