iOS 編譯過程的原理和應用

來源：黃文臣

前言

一般可以將編程語言分為兩種，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個中間的解釋器將代碼解釋為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，也就是為啥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 + LLVM. 篇幅限制，本文只關注Objective C，因為原理上大同小異。

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

對於不想看我啰里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

不管是OC還是Swift，都是採用Clang作為編譯器前端，LLVM(Low level vritual machine)作為編譯器後端。所以簡單的編譯過程如圖

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

編譯各個.m文件，使用和命令。

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。這個也就是為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，重命名為.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。

二進位文件的內容

通過XCode的Link Map File，我們可以窺探二進位文件中布局。

在XCode -> Build Settings -> 搜索map -> 開啟Write Link Map File

開啟後，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/TARGET-NAME>-對應ID/Build/Intermediates/TARGET-NAME>.build/Debug-iphoneos/TARGET-NAME>.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，段分為兩種

__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

0x1000021B00x0077EBC3__TEXT__text//代碼

0x100780D740x00000FD8__TEXT__stubs

0x100781D4C0x00001A50__TEXT__stub_helper

0x1007837A00x0001AD78__TEXT__const//常量

0x10079E5180x00041EF7__TEXT__objc_methname//OC 方法名

0x1007E040F0x00006E34__TEXT__objc_classname//OC 類名

0x1007F76DC0x0000E760__TEXT__gcc_except_tab

0x1008774D40x00004A9A__TEXT__ustring

0x10087C0B80x0000D56C__TEXT__unwind_info

0x10089C0100x000012C8__DATA__got

0x10089E8400x0003E140__DATA__const//常量

0x1008DC9800x0002D840__DATA__cfstring

0x10090A1C00x000022D8__DATA__objc_classlist// OC 方法列表

0x100A467A00x000020E8__DATA__objc_classrefs

0x100A488880x000019C0__DATA__objc_superrefs// OC 父類引用

0x100A4A2480x0000A500__DATA__objc_ivar// OC iar

0x100A547480x00015CC0__DATA__objc_data

0x100A6A4200x00007A30__DATA__data

0x100A71E600x0005AF70__DATA__bss

0x100ACCDE00x00053A4C__DATA__common

Symbols

Section部分將二進位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。

0x1000021B00x0077EBC3__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

....

到這裡，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

0x100A4A2480x0000A500__DATA__objc_ivar

然後，搜索這個地址0x100A4A248，就能找到ivar的存儲區域。

值得一提的是，對於String，會顯式的存儲到數據段中，例如,

所以，若果你的加密Key以明文的形式寫在文件里，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進位的函數地址映射。

在App實際執行的二進位文件中，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，調用棧里會包含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，可以查看我之前的一篇博客。

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

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。

分為三種：

函數屬性 （Function Attribute）

類型屬性 (Variable Attribute )

變數屬性 (Type Attribute )

語法結構

__attribute__ 語法格式為：__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的變數/方法，編譯器直接拋出Error

#define __unavailable __attribute__((unavailable))

//告訴編譯器，即使這個變數/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

對當前編譯環境進行壓棧

忽略-Wundeclared-selector（未聲明的）Selector警告

編譯代碼

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里，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。

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數，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數,在XCode-選中Target-build settings中，搜索proprecess。然後點擊圖中藍色的加號，可以分別為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伺服器

然後，配合多個Target（右鍵Target，選擇Duplicate），單獨一個Target負責測試伺服器。這樣我們就不用每次切換測試伺服器都要修改代碼了。

#ifdef TESTMODE

//測試伺服器相關的代碼

#else

//生產伺服器相關代碼

#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)里

到這裡，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=$(/usr/libexec/PlistBuddy-c"Print CFBundleVersion""$/$")

buildNumber=$(($buildNumber+1))

/usr/libexec/PlistBuddy-c"Set :CFBundleVersion $buildNumber""$/$"

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，才會執行這段腳本。重命名腳本的名字為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$buildConfig clean buildSYMROOT=$buildAppToDir

//打包

xcrun-sdk iphoneosPackageApplication-v$appDir/$projectName.app-o$appDir/$ipaName.ipa

通過info命令，可以查看到詳細的文檔

infoxcodebuild

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。在了解了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，這樣才能有個對比，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 writecom.apple.dt.Xcode ShowBuildOperationDurationYES

然後，重啟XCode，然後編譯，你會在這裡看到編譯時間。

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里

XCode的pch文件是預編譯文件，這裡的內容在執行XCode build之前就已經被預編譯，並且引入到每一個.m文件里了。

編譯器選項優化

Debug模式下，不生成dsym文件

上文提到了，dysm文件里存儲了調試信息，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開啟Build Active Architecture Only

在XCode -> Build Settings -> Build Active Architecture Only 改為YES。這樣做，可以只編譯當前的版本，比如arm7/arm64等等，記得只開啟Debug模式。這個選項在高版本的XCode中自動開啟了。

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，這裡提醒自己一句：吃一塹，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位文件中的的地址

……

附錄

自動編譯打包腳本

exportLC_ALL=zh_CN.GB2312;

exportLANG=zh_CN.GB2312

buildConfig="Release"//這裡是build模式

projectName=`find.-name *.xcodeproj|awk-F"[/.]" `

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$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$buildConfig clean buildSYMROOT=$buildAppToDir

else

echo"開始編譯target...."

xcodebuild-target$projectName-configuration$buildConfig clean buildSYMROOT=$buildAppToDir

fi

iftest$?-eq

then

echo"~~~~~~~~~~~~~~~~~~~編譯成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"

else

echo"~~~~~~~~~~~~~~~~~~~編譯失敗~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"

exit1

fi

ipaName=`echo$projectName|tr"[:upper:]""[:lower:]"`#將項目名轉小寫

findFolderName=`find.-name"$buildConfig-*"-typed|xargsbasename`#查找目錄

appDir=$buildAppToDir/$findFolderName/#app所在路徑

echo"開始打包$projectName.app成$projectName.ipa....."

xcrun-sdk iphoneosPackageApplication-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."

exit1

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$ipaName.ipa到$成功"

echo"~~~~~~~~~~~~~~~~~~~結束編譯，處理成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"

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