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iOS 编译知识小结

2020-07-13

简介

拖更很久了，今天水文一篇。简单介绍下iOS底层编译的相关知识，帮助我们充分理解了iOS编译的过程，相信会对我们后续的开发有一定帮助。

源码到可执行文件流程

首先看一下iOS代码是如何从源码变成可执行文件的，有助于我们了解程序从编译到运行的全流程

  1. 编译器Clang会将源码XXX.m编译为目标文件XXX.o
  2. 链接器会将目标文件链接打包进最终的可执行文件Mach-O中
  3. 点击App ICON时，动态链接器dyld会加载可执行文件以及依赖的动态库，并最终执行到main.m里，至此App启动完成

编译器

编译器是将编程语言转换为目标语言的程序，大多数编译器由两部分组成：前端和后端。

  • 前端负责词法分析，语法分析，生成中间代码；
  • 后端以中间代码作为输入，进行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。

前后端依赖统一格式的中间代码(IR)，使得前后端可以独立的变化。新增一门语言只需要修改前端，而新增一个CPU架构只需要修改后端即可。

Objective C/C/C++使用的编译器前端是clang，swift是swift，后端都是LLVM。

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，比 GCC 快3倍，

LLVM 还可以提供一种代码编写良好的中间表示 IR，这意味着它可以作为多种语言的后端，这样就能够提供语言无关的优化同时还能够方便的针对多种 CPU 的代码生成。

编译流程

Objective-C的编译器前端是Clang，诞生之初是为了替代GCC，提供更快的编译速度。我们可以通过下面这张图来了解Clang编译的大致流程：

下面我们通过clang命令来具体分析下源码编译的流程：

首先在命令行里输入

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clang -ccc-print-phases main.m

可以看到源文件编译需要的几个不同的阶段

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➜  clang -ccc-print-phases main.m
0: input, "main.m", objective-c
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output  //预编译
2: compiler, {1}, ir  //编译成中间代码ir
3: backend, {2}, assembler  //生成汇编
4: assembler, {3}, object  //生成目标文件.O
5: linker, {4}, image  //链接成可执行文件
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

接下来我们新建一个main.m并详细来看下每个步骤分别做了什么

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main.m
#include <stdio.h>

int main() {
  printf("hello world\n");
  return 0;
}

预处理(preprocessor)

我们用下面的命令来查看clang预处理的结果：

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clang -E main.m

注：如果main.m中用到了UIKit等类，可以在命令后添加-sysroot参数，记得将sdk换成你本机的版本，后续命令解决方法相同。如下所示：

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clang -E main.m -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk

可以看到预处理后的文件行数有很多，在最后可以找到main函数

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# 13 "/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk/System/Library/Frameworks/UIKit.framework/Headers/ShareSheet.h" 2 3
# 17 "/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk/System/Library/Frameworks/UIKit.framework/Headers/UIKit.h" 2 3
# 10 "main.m" 2
# 1 "./AppDelegate.h" 1
# 11 "./AppDelegate.h"
@interface AppDelegate : UIResponder <UIApplicationDelegate>
 
@property (strong, nonatomic) UIWindow *window;
 
@end
# 11 "main.m" 2
 
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, ((void *)0), NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

预处理会替进行头文件引入(递归操作)，宏替换#define，注释处理，条件编译(#ifdef)，#pargma处理等操作。比如#include “stdio.h”就是告诉预处理器将这一行替换成头文件stdio.h中的内容，这个过程是递归的：因为stdio.h也有可能包含其头文件。

词法分析(lexical anaysis)

预处理完成后就会进行词法分析，这里会把代码切成一个个 Token，比如大小括号，等于号还有字符串等。

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clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

语法分析(semantic analysis)

语法分析会校验语法的正确性，然后将所有的节点组成抽象语法树AST。有了抽象语法树，clang就可以对这个树进行分析，找出代码中的错误。比如类型不匹配，亦或Objective C中向target发送了一个未实现的消息。

业内对Clang自定义插件或者开发静态检测插件都是基于AST语法树来分析。相关知识后续会学到。AST是开发者编写clang插件主要交互的数据结构，clang也提供很多API去读取AST。更多细节：Introduction to the Clang AST。

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clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

在输出里可以看到相关的AST结果，如下图：

CodeGen

CodeGen 会负责将语法树自顶向下遍历逐步翻译成 LLVM IR，IR 是编译过程的前端的输出，也是后端的输入。
Objective C代码也在这一步会进行runtime的桥接：property合成，ARC处理等。

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clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

查看main.ll的内容如下：

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...
; Function Attrs: noinline optnone ssp uwtable
define i32 @main(i32, i8**) #0 {
  %3 = alloca i32, align 4
  %4 = alloca i32, align 4
  %5 = alloca i8**, align 8
  store i32 0, i32* %3, align 4
  store i32 %0, i32* %4, align 4
  store i8** %1, i8*** %5, align 8
  %6 = call i8* @llvm.objc.autoreleasePoolPush() #1
  %7 = load i32, i32* %4, align 4
  %8 = load i8**, i8*** %5, align 8
  %9 = load %struct._class_t*, %struct._class_t** @"OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_", align 8
  %10 = bitcast %struct._class_t* %9 to i8*
  %11 = call i8* @objc_opt_class(i8* %10)
  %12 = call %0* @NSStringFromClass(i8* %11)
  %13 = bitcast %0* %12 to i8*
  %14 = notail call i8* @llvm.objc.retainAutoreleasedReturnValue(i8* %13) #1
  %15 = bitcast i8* %14 to %0*
  %16 = call i32 @UIApplicationMain(i32 %7, i8** %8, %0* null, %0* %15)
  store i32 %16, i32* %3, align 4
  %17 = bitcast %0* %15 to i8*
  call void @llvm.objc.release(i8* %17) #1, !clang.imprecise_release !10
  call void @llvm.objc.autoreleasePoolPop(i8* %6)
  %18 = load i32, i32* %3, align 4
  ret i32 %18
}
 
; Function Attrs: nounwind
...

如果在项目配置中开启了 bitcode， 苹果还会做进一步的优化，有新的后端架构还是可以用这份优化过的 bitcode 去生成。

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clang -emit-llvm -c main.m -o main.bc

生成汇编代码

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clang -S -fobjc-arc main.m -o main.s

生成目标文件

汇编器以汇编代码作为输入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件(object file)

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clang -fmodules -c main.m -o main.o

接下来我们用nm命令，查看下main.o中的符号

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➜  BuildTest nm -nm main.o
                 (undefined) external _printf
0000000000000000 (__TEXT,__text) external _main

这里可以看到_printf是一个是undefined external的。undefined表示在当前文件暂时找不到符号_printf，而external表示这个符号是外部可以访问的，对应表示文件私有的符号是non-external。

生成可执行文件

链接器可以把编译产生的.o文件和（dylib,a,tbd）文件，生成一个mach-o文件

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clang main.o -o main

接着在命令行执行./main，可以看到输出了结果：hello world。
最后我们用nm命令来分析下可执行文件的符号表：

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➜  BuildTest nm -nm main
                 (undefined) external _printf (from libSystem)
                 (undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header
0000000100000f60 (__TEXT,__text) external _main
0000000100002008 (__DATA,__data) non-external __dyld_private

可以看到_printf仍然是undefined，但是后面多了一些信息：from libSystem，表示这个符号来自于libSystem，会在运行时动态绑定。

以上就是Clang编译源文件的完整流程了。

Xcode中查看Clang编译.m文件信息

如果你想在 Xcode 中查看，可以通过 Show the report navigator 里对应 target 的 build 中查看每个 .m 文件的 clang 编译信息，如下图：

随便找一个.m文件编译信息，可以看到Xcode会首先对任务进行描述：

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CompileC /Users/chenaibin/Library/Developer/Xcode/DerivedData/PodIntegrationDemo-achbuytjuwbatqbzvlwflifarxwa/Build/Intermediates.noindex/Pods.build/Debug-iphonesimulator/podLibB.build/Objects-normal/x86_64/podClsB.o /Users/chenaibin/Work/DiDi/iOSDemo/BuildErrorDemo/podLibB/Classes/podClsB.m normal x86_64 objective-c com.apple.compilers.llvm.clang.1_0.compiler (in target 'podLibB' from project 'Pods')

接下来对会更新工作路径，同时设置 PATH

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cd /Users/chenaibin/Work/DiDi/iOSDemo/BuildErrorDemo/PodIntegrationDemo/Pods
export LANG=en_US.US-ASCII
export PATH="/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/usr/bin:/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/usr/bin:/usr/local/bin:/usr/bin:/bin:/usr/sbin:/sbin"

接下来就是实际的编译命令

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/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/clang -x objective-c -target x86_64-apple-ios9.0-simulator -fmessage-length=0 -fobjc-arc… -Wno-missing-field-initializers ... -DDEBUG=1 ... -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk -iquote ... -I... -F...-c /.../podClsB.m -o /.../podClsB.o

clang 用到的命令参数如下：

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-x 编译语言比如objective-c
-arch 编译的架构，比如arm64
-f 以-f开头的。
-W 以-W开头的，可以通过这些定制编译警告
-D 以-D开头的，指的是预编译宏，通过这些宏可以实现条件编译
-iPhoneSimulator13.0.sdk 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 需要的Framework
-c 标识符指明需要运行预处理器，语法分析，类型检查，LLVM生成优化以及汇编代码生成.o文件
-o 编译结果

Xcode常见编译报错分析

1. duplicate symbols报错

第一个常见的编译报错原因就是duplicate symbols，如下图就是因为我们链接后的可执行文件存在了重复的类导致的。

注：由于我们工程是由CocoaPods构建的，在xcconfig中OTHER_LINK_FLAG都会被默认设置成$(inherited) -ObjC ……，这会导致工程配置里Other Linker Flags会带上 -ObjC标记，如果我们手动删除了-ObjC，就会发现在编译时不会有duplicate symbols的错误了。但是运行的时候可能会出现unrecognized selector sent to class XXX的错误，这是由于静态库中的分类并没被链接器链接进可执行文件中。

-ObjC会把静态库中所有的类和分类都链接进可执行文件，所以会出现duplicate symbols的错误。下面是官方描述：

This flag causes the linker to load every object file in the library that defines an Objective-C class or category. While this option will typically result in a larger executable (due to additional object code loaded into the application), it will allow the successful creation of effective Objective-C static libraries that contain categories on existing classes.

2. symbol(s) not found for architecture x86_64/arm64

第二个常见报错是在某个架构下找不到相关符号，这是因为引用的某个静态库并没有包含当前工程制式下的架构类型，解决方案是将静态库.a文件合并x86_64/arm64等架构为fat file，再集成到工程里使用。

报错原因如下图：

提示：遇到这种情况时，有时候多次pod update也不能解决报错原因。这是因为你本地缓存了有问题的静态库文件，可在以下目录下找到相关类库并删除，再执行pod install下载fix后的静态库文件。

CocoaPods官方缓存目录：~/Library/Caches/CocoaPods/Pods

这个错误还有另外一种情况，当同一个pod在多个不同的端集成时可能会遇到。报错信息大致如下：

问题原因：在ProjectA中集成了podA和podB，podA使用了#if __has_include(“podB中的cls.h”)集成了podB中的类；当切换到ProjectB时，只会依赖podA一个库，这个时候编译就会上图中的错误。

解决方案：在ProjectB中将podA以源码重新编译一遍即可。

应用场景

Clang Attributes

在平时开发中，我们经常会遇到头文件里有attribute的用法，它是一个高级的的编译器指令，它允许开发者指定更更多的编译检查和一些高级的编译期优化。

__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;

下面是 iOS开发中常见的几个 __attribute__ 用法：

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//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

当我们在XCode中屏蔽部分Warning信息时，可以使用下面的内容来解决。通过clang diagnostic push/pop来控制代码块的编译选项。

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

预处理

预处理可以让我们让我们自定义编译器变量，实现条件编译。 比如我们常用的DEBUG宏：

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

我们可以在XCode的Target中选中Build Setting选项，搜索proprecess，即可看到定义好的预处理宏。

目前iOS基本都是用CocoaPods来管理工程，我们也可以在每个Pod的podspec文件中配置预编译宏，CocoaPods会在构建工程时将这些信息写到Pod的xcconfig文件里。

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# Pod.podspec示例
s.subspec 'YourSubSpec' do | ss |
  ss.source_files = 'Pod/Classes/**/*'
  ss.pod_target_xcconfig = { 'GCC_PREPROCESSOR_DEFINITIONS' => '$(inherited) YOUR_CUSTOM_DEFINE=1' }
end

注意：podA定义的GCC_PREPROCESSOR_DEFINITIONS内容在podB中是不生效的！！！
如果想解决这个问题，推荐podB中单独定义一个subspec来配置预编译宏的值，在外层工程里通过区分是否引入podB的subspec来实现该预编译宏值的控制。

Clang插件开发

上面介绍到语法分析之后我们可以拿到抽象语法树AST，接着就可以对这个树进行分析，做静态代码分析或者无用代码分析都可以，网上也有很多资料介绍这块的研究。感兴趣的可以搜索下或者看下 Introduction to the Clang AST

总结

以上内容主要介绍了下iOS编译相关的知识，如有内容错误，欢迎指正。

Tags: 编译 iOS
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