iOS編譯過程的原理和應用
作者丨黃文臣 ；
來源：https://blog.csdn.net/Hello_Hwc/article/details/53557308
前言
一般可以將編程語言分爲兩種，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上執行，所以執行效率較高。
像JavaScript,Python都是直譯式語言。直譯式語言不需要經過編譯的過程，而是在執行的時候通過一箇中間的解釋器將代碼解釋爲CPU可以執行的代碼。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，也就是爲啥JS大法好。
iOS開發目前的常用語言是：Objective和Swift。二者都是編譯語言，換句話說都是需要編譯才能執行的。二者的編譯都是依賴於Clang(swift) + LLVM. 篇幅限制，本文只關注Objective C，因爲原理上大同小異。
可能會有同學想問，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，會對你的開發大有幫助。本文的最後，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
預處理
插入編譯期腳本
提高項目編譯速度
對於不想看我囉裏八嗦講一大堆原理的同學，可以直接跳到本文的最後一個章節。
iOS編譯
Objective C採用Clang作爲前端，而Swift則採用swift()作爲前端，二者LLVM(Low level vritual machine)作爲編譯器後端。所以簡單的編譯過程如圖
其中，swift的編譯命令可以在這裏找到
/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/swift
可以通過Clang，來查看一個文件的編譯具體過程，新建Demo.m
#import
int main(){
@autoreleasepool {
NSLog(@"%@",@"Hello Leo");
}
return 0;
}
然後終端輸入：
clang -ccc-print-phases -framework Foundation Demo.m -o Demo
0: input, "Foundation", object
1: input, "Demo.m", objective-c
2: preprocessor, {1}, objective-c-cpp-output//預處理
3: compiler, {2}, ir //編譯生成IR(中間代碼)
4: backend, {3}, assembler//彙編器生成彙編代碼
5: assembler, {4}, object//生成機器碼
6: linker, {0, 5}, image//鏈接
7: bind-arch, "x86_64", {6}, image//生成Image，也就是最後的可執行文件
接着，就可以在終端直接運行這個程序了：
./Demo
Leo$ ./Demo
Demo[923:24816] Hello Leo
編譯器前端
編譯器前端的任務是進行：語法分析，語義分析，生成中間代碼(intermediate representation )。在這個過程中，會進行類型檢查，如果發現錯誤或者警告會標註出來在哪一行。
編譯器後端
編譯器後端會進行機器無關的代碼優化，生成機器語言，並且進行機器相關的代碼優化。iOS的編譯過程，後端的處理如下
LVVM優化器會進行BitCode的生成，鏈接期優化等等。
LLVM機器碼生成器會針對不同的架構，比如arm64等生成不同的機器碼。
執行一次XCode build的流程
當你在XCode中，選擇build的時候（快捷鍵command+B），會執行如下過程
編譯信息寫入輔助文件，創建編譯後的文件架構(name.app)
處理文件打包信息，例如在debug環境下
Entitlements:
{
"application-identifier" = "app的bundleid";
"aps-environment" = development;
}
執行CocoaPod編譯前腳本
例如對於使用CocoaPod的工程會執行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，類似還有arm7等
-fobjc-arc 一些列-f開頭的，指定了採用arc等信息。這個也就是爲什麼你可以對單獨的一個.m文件採用非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，通過這些你可以定製化編譯選項
-DDEBUG=1 一些列-D開頭的，指的是預編譯宏，通過這些宏可以實現條件編譯
-iPhoneSimulator10.1.sdk 制定了編譯採用的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果目錄
編譯ImageAssets
處理info.plist
執行CocoaPod腳本
拷貝Swift標準庫
創建.app文件和對其簽名
IPA包的內容
例如，我們通過iTunes Store下載微信，然後獲得ipa安裝包，然後實際看看其安裝包的內容。
右鍵ipa，重命名爲.zip
雙擊zip文件，解壓縮後會得到一個文件夾。所以，ipa包就是一個普通的壓縮包。
右鍵圖中的WeChat，選擇顯示包內容，然後就能夠看到實際的ipa包內容了。
二進制文件的內容
通過XCode的Link Map File，我們可以窺探二進制文件中佈局。
在XCode -> Build Settings -> 搜索map -> 開啓Write Link Map File
開啓後，在編譯，我們可以在對應的Debug/Release目錄下看到對應的link map的text文件。
默認的目錄在
~/Library/Developer/Xcode/DerivedData/-對應ID/Build/Intermediates/ .build/Debug-iphoneos/ .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
這個部分包括的內容
- .o 文文件，也就是上文提到的.m文件編譯後的結果。
- .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
這個區域的存儲內容比較簡單：前面是文件的編號，後面是文件的路徑。文件的編號在後續會用到
Sections
這個區域提供了各個段（Segment）和節（Section）在可執行文件中的位置和大小。這個區域完整的描述克可執行文件中的全部內容。
其中，段分爲兩種
__TEXT 代碼段
__DATA 數據段
例如，之前寫的一個App，Sections區域如下，可以看到，代碼段的
__text節的地址是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
# 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部分將二進制文件進行了一級劃分。而，Symbols對Section中的各個段進行了二級劃分，
例如，對於__TEXT __text,表示代碼段中的代碼內容。
0x1000021B0 0x0077EBC3 __TEXT __text //代碼
而對應的Symbols，起始地址也是0x1000021B0。其中，文件編號和上文的編號對應
[2]/EPlusPan4Phone.build/Objects-normal/x86_64/ULWBigResponseButton.o
具體內容如下
# 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]
....
到這裏，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。
首先找到數據棧中__DATA __objc_ivar
0x100A4A248 0x0000A500 __DATA __objc_ivar
然後，搜索這個地址0x100A4A248，就能找到ivar的存儲區域。
0x100A4A248 0x00000008 [ 3] _OBJC_IVAR_$_ULWCategoryController._liveAPI
值得一提的是，對於String，會顯式的存儲到數據段中，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裏，是一件很危險的事情。
dSYM 文件
我們在每次編譯過後，都會生成一個dsym文件。dsym文件中，存儲了16進制的函數地址映射。
在App實際執行的二進制文件中，是通過地址來調用方法的。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用棧，調用棧裏會包含crash地址的調用信息。然後，通過dSYM文件，我們就可以由地址映射到具體的函數位置。
XCode中，選擇Window -> Organizer可以看到我們生成的archier文件
然後，
- 右鍵 -> 在finder中顯示。
- 右鍵 -> 查看包內容。
關於如何用dsym文件來分析崩潰位置，可以查看
https://blog.csdn.net/hello_hwc/article/details/50036323
那些你想到和想不到的應用場景
__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，它允許開發者指定更更多的編譯檢查和一些高級的編譯期優化。
分爲三種：
函數屬性 （Function Attribute）
類型屬性 (Variable Attribute )
變量屬性 (Type Attribute )
語法結構
__attribute__ 語法格式爲：__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前版本棄用了
@property (strong,nonatomic)CLASSNAME * property __deprecated;
這樣的好處是：給開發者一個過渡的版本，讓開發者知道這個屬性被棄用了，應當使用最新的API，但是被__deprecated的屬性仍然可以正常使用。如果直接棄用，會導致開發者在更新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
1對當前編譯環境進行壓棧
2忽略-Wundeclared-selector（未聲明的）Selector警告
3編譯代碼
4對編譯環境進行出棧
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裏，詳細的介紹了XCode的警告相關內容。本文篇幅限制，就不詳細講解了。
https://blog.csdn.net/Hello_Hwc/article/details/46425503
預處理
所謂預處理，就是在編譯之前的處理。預處理能夠讓你定義編譯器變量，實現條件編譯。
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處理變量,在XCode-選中Target-build settings中，搜索proprecess。然後點擊圖中藍色的加號，可以分別爲debug和release兩種模式設置預處理宏。
比如我們加上：TestServer，表示在這個宏中的代碼運行在測試服務器
然後，配合多個Target（右鍵Target，選擇Duplicate），單獨一個Target負責測試服務器。這樣我們就不用每次切換測試服務器都要修改代碼了。
#ifdef TESTMODE
//測試服務器相關的代碼
#else
//生產服務器相關代碼
#endif
插入腳本
通常，如果你使用CocoaPod來管理三方庫，那麼你的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/動態庫
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)裏
到這裏，CocoaPod的原理也就大致搞清楚了，通過修改xcodeproject，然後配置編譯期腳本，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，每次進行archive的時候，我們都必須手動調整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，讀取當前pist的build版本號,然後對其加一，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
然後把這段腳本拷貝進去，並且勾選Run Script Only When installing，保證只有我們在安裝到設備上的時候，纔會執行這段腳本。重命名腳本的名字爲Auto Increase build number
然後，拖動這個腳本的到Link Binary With Libraries下面
腳本編譯打包
腳本化編譯打包對於CI（持續集成）來說，十分有用。iOS開發中，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，可以查看到詳細的文檔
info xcodebuild
在本文最後的附錄中，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，當項目很大，源代碼和三方庫引入很多的時候，我們會發現編譯的速度很慢。在瞭解了XCode的編譯過程後，我們可以從以下角度來優化編譯速度：
查看編譯時間
我們需要一個途徑，能夠看到編譯的時間，這樣纔能有個對比，知道我們的優化究竟有沒有效果。
對於XCode 8，關閉XCode，終端輸入以下指令
$ defaults write com.apple.dt.Xcode ShowBuildOperationDuration YES
然後，重啓XCode，然後編譯，你會在這裏看到編譯時間。
代碼層面的優化
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。
對常用的工具類進行打包（Framework/.a）
打包成Framework或者靜態庫，這樣編譯的時候這部分代碼就不需要重新編譯了。
常用頭文件放到預編譯文件裏
XCode的pch文件是預編譯文件，這裏的內容在執行XCode build之前就已經被預編譯，並且引入到每一個.m文件裏了。
編譯器選項優化
Debug模式下，不生成dsym文件
上文提到了，dysm文件裏存儲了調試信息，在Debug模式下，我們可以藉助XCode和LLDB進行調試。所以，不需要生成額外的dsym文件來降低編譯速度。
Debug開啓Build Active Architecture Only
在XCode -> Build Settings -> Build Active Architecture Only 改爲YES。這樣做，可以只編譯當前的版本，比如arm7/arm64等等，記得只開啓Debug模式。這個選項在高版本的XCode中自動開啓了。
Debug模式下，關閉編譯器優化
編譯器優化
後續
本來這篇文章還有很多內容想寫，篇幅限制，就先這樣吧。最近發生了很多不開心的事，這裏提醒自己一句：喫一塹，長一智。
後面有時間了，會介紹一些編譯期黑科技：
寫入額外的編譯信息
函數的調用過程和運行時找到函數在二進制文件中的的地址
……
附錄
自動編譯打包腳本
export LC_ALL=zh_CN.GB2312;
export LANG=zh_CN.GB2312
buildConfig="Release" //這裏是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 $path #拷貝ipa文件
echo "複製$ipaName.ipa到${wwwIPADir}成功"
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~結束編譯，處理成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"
