iOS 編譯過程的原理和應用
來源：黃文臣
blog.csdn.net/hello_hwc/article/details/53557308
前言
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直譯器將程式碼解釋為CPU可以執行的程式碼。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，寫程式碼也沒問題啊？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
- 插入編譯期指令碼
- 提高專案編譯速度
對於不想看我囉裡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，生成中間程式碼(intermediate representation )。在這個過程中，會進行型別檢查，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程式碼優化，生成機器語言，並且進行機器相關的程式碼優化。iOS的編譯過程，後端的處理如下
- LVVM優化器會進行BitCode的生成，連結期優化等等。
- 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
- 編譯資訊寫入輔助檔案，建立編譯後的檔案架構(name.app)
- 處理檔案打包資訊，例如在debug環境下
Entitlements:
{
"application-identifier" = "app的bundleid";
"aps-environment" = development;
}- 1
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- 執行CocoaPod編譯前指令碼
- 例如對於使用CocoaPod的工程會執行
CheckPods Manifest.lock
- 例如對於使用CocoaPod的工程會執行
- 編譯各個.m檔案，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 上文提到的檔案 -F 所需要的Framework -iquote 所需要的Framework ... -c ClassName.c -o ClassName.o- 1
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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等資訊。這個也就是為什麼你可以對單獨的一個.m檔案採用非ARC程式設計。
-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，指的是預編譯巨集，通過這些巨集可以實現條件編譯
-iPhoneSimulator10.1.sdk 制定了編譯採用的iOS SDK版本
-I 把編譯資訊寫入指定的輔助檔案
-F 連結所需要的Framework
-c ClassName.c 編譯檔案
-o ClassName.o 編譯產物- 1
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- 連結需要的Framework，例如
Foundation.framework,AFNetworking.framework,ALiPay.fframework - 編譯xib檔案
- 拷貝xib，圖片等資原始檔到結果目錄
- 編譯ImageAssets
- 處理info.plist
- 執行CocoaPod指令碼
- 拷貝Swift標準庫
- 建立.app檔案和對其簽名
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，重新命名為
.zip -
雙擊zip檔案，解壓縮後會得到一個資料夾。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。
二進位制檔案的內容
通過XCode的Link Map File，我們可以窺探二進位制檔案中佈局。
在XCode -> Build Settings -> 搜尋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檔案。
預設的目錄在
~/Library/Developer/Xcode/DerivedData/<TARGET-NAME>-對應ID/Build/Intermediates/<TARGET-NAME>.build/Debug-iphoneos/<TARGET-NAME>.build/- 1
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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- 1
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這個對映檔案的主要包含以下部分：
Object files
這個部分包括的內容
- .o 文檔案，也就是上文提到的.m檔案編譯後的結果。
- .a檔案
- 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
這個區域的儲存內容比較簡單：前面是檔案的編號，後面是檔案的路徑。檔案的編號在後續會用到
Sections
這個區域提供了各個段（Segment）和節（Section）在可執行檔案中的位置和大小。這個區域完整的描述克可執行檔案中的全部內容。
其中，段分為兩種
- __TEXT 程式碼段
- __DATA 資料段
例如，之前寫的一個App，Sections區域如下，可以看到，程式碼段的
__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 //程式碼
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 方法型別
0x1007F76DC 0x0000E760 __TEXT __gcc_except_tab
0x100805E40 0x00071693 __TEXT __cstring //字串
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- 1
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Symbols
Section部分將二進位制檔案進行了一級劃分。而，Symbols對Section中的各個段進行了二級劃分，
例如，對於__TEXT __text,表示程式碼段中的程式碼內容。
0x1000021B0 0x0077EBC3 __TEXT __text //程式碼- 1
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而對應的Symbols，起始地址也是0x1000021B0。其中，檔案編號和上文的編號對應
[2]/EPlusPan4Phone.build/Objects-normal/x86_64/ULWBigResponseButton.o- 1
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具體內容如下
# Symbols:
地址 大小 檔案編號 方法名
# Address Size File Name
0x1000021B0 0x00000109 [ 2] -[ULWBigResponseButton pointInside:withEvent:]
0x1000022C0 0x00000080 [ 3] -[ULWCategoryController liveAPI]
0x100002340 0x00000080 [ 3] -[ULWCategoryController categories]
....
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到這裡，我們知道OC的方法是如何儲存的，我們再來看看ivar是如何儲存的。
首先找到資料棧中__DATA __objc_ivar
0x100A4A248 0x0000A500 __DATA __objc_ivar- 1
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然後，搜尋這個地址0x100A4A248，就能找到ivar的儲存區域。
0x100A4A248 0x00000008 [ 3] _OBJC_IVAR_$_ULWCategoryController._liveAPI- 1
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值得一提的是，對於String，會顯式的儲存到資料段中，例如,
0x1008065C2 0x00000029 [ 11] literal string: http://sns.whalecloud.com/sina2/callback
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所以，若果你的加密Key以明文的形式寫在檔案裡，是一件很危險的事情。
dSYM 檔案
我們在每次編譯過後，都會生成一個dsym檔案。dsym檔案中，儲存了16進位制的函式地址對映。
在App實際執行的二進位制檔案中，是通過地址來呼叫方法的。在App crash的時候，第三方工具（Fabric,友盟等）會幫我們抓到崩潰的呼叫棧，呼叫棧裡會包含crash地址的呼叫資訊。然後，通過dSYM檔案，我們就可以由地址對映到具體的函式位置。
XCode中，選擇Window -> Organizer可以看到我們生成的archier檔案
然後，
- 右鍵 -> 在finder中顯示。
- 右鍵 -> 檢視包內容。
關於如何用dsym檔案來分析崩潰位置，可以檢視我之前的一篇部落格。
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的標頭檔案中，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- 1
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__attribtue__是一個高階的的編譯器指令，它允許開發者指定更更多的編譯檢查和一些高階的編譯期優化。
分為三種：
- 函式屬性 （Function Attribute）
- 型別屬性 (Variable Attribute )
- 變數屬性 (Type Attribute )
語法結構
__attribute__ 語法格式為：__attribute__ ((attribute-list))
放在宣告分號“;”前面。
比如，在三方庫中最常見的，宣告一個屬性或者方法在當前版本棄用了
@property (strong,nonatomic)CLASSNAME * property __deprecated;- 1
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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，程式碼無法運行了。
__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))
//帶描述資訊的棄用
#define __deprecated_msg(_msg) __attribute__((deprecated(_msg)))
//遇到__unavailable的變數/方法，編譯器直接丟擲Error
#define __unavailable __attribute__((unavailable))
//告訴編譯器，即使這個變數/方法 沒被使用，也不要丟擲警告
#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)))
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Clang警告處理
你一定還見過如下程式碼：
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
///程式碼
#pragma clang diagnostic pop- 1
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這段程式碼的作用是
- 對當前編譯環境進行壓棧
- 忽略
-Wundeclared-selector（未宣告的）Selector警告 - 編譯程式碼
- 對編譯環境進行出棧
通過clang diagnostic push/pop,你可以靈活的控制程式碼塊的編譯選項。
我在之前的一篇文章裡，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，這樣的程式碼很常見
#ifdef DEBUG
//...
#else
//...
#endif- 1
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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，搜尋proprecess。然後點選圖中藍色的加號，可以分別為debug和release兩種模式設定預處理巨集。
比如我們加上：TestServer，表示在這個巨集中的程式碼執行在測試伺服器
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程式碼了。
#ifdef TESTMODE
//測試伺服器相關的程式碼
#else
//生產伺服器相關程式碼
#endif- 1
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插入指令碼
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插入的指令碼。
- Check Pods Manifest.lock，用來檢查cocoapod管理的三方庫是否需要更新
- Embed Pods Framework，執行指令碼來連結三方庫的靜態/動態庫
- Copy Pods Resources，執行指令碼來拷貝三方庫的資原始檔
而這些配置資訊都儲存在這個檔案(.xcodeprog)裡
到這裡，CocoaPod的原理也就大致搞清楚了，通過修改xcodeproject，然後配置編譯期指令碼，來保證三方庫能夠正確的編譯連線。
同樣，我們也可以插入自己的指令碼，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，我們可以通過插入指令碼自動化。
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}"- 1
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這段指令碼其實很簡單，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
- 選擇新增Run Script Phase
- 然後把這段指令碼拷貝進去，並且勾選Run Script Only When installing，保證只有我們在安裝到裝置上的時候，才會執行這段指令碼。重新命名指令碼的名字為Auto Increase build number
- 然後，拖動這個指令碼的到Link Binary With Libraries下面
指令碼編譯打包
指令碼化編譯打包對於CI（持續整合）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，可以檢視到詳細的文件
info xcodebuild- 1
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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指令碼。
提高專案編譯速度
通常，當專案很大，原始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：
檢視編譯時間
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 write com.apple.dt.Xcode ShowBuildOperationDuration YES- 1
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然後，重啟XCode，然後編譯，你會在這裡看到編譯時間。
程式碼層面的優化
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程式碼就不需要重新編譯了。
常用標頭檔案放到預編譯檔案裡
XCode的pch檔案是預編譯檔案，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檔案裡了。
編譯器選項優化
Debug模式下，不生成dsym檔案
上文提到了，dysm檔案裡儲存了除錯資訊，在Debug模式下，我們可以藉助XCode和LLDB進行除錯。所以，不需要生成額外的dsym檔案來降低編譯速度。
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：
- 寫入額外的編譯資訊
- 函式的呼叫過程和執行時找到函式在二進位制檔案中的的地址
- ……
附錄
自動編譯打包指令碼
export LC_ALL=zh_CN.GB2312;
export LANG=zh_CN.GB2312
buildConfig="Release" //這裡是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 "檔案目錄存在"
else
echo "檔案目錄不存在"
mkdir -pv $wwwIPADir
echo
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ThreadLocal一般稱為執行緒本地變數，它是一種特殊的執行緒繫結機制，將變數和執行緒繫結在一起，為每一個執行緒維護一個獨立的變數副本，通過ThreadLocal可以將物件的可見範圍限制在同一個執行緒內，從而不會與其他執行緒副本衝突。
說白了就是解決對
【Python】with及上下文管理器的原理和應用
這篇部落格主要總結with用法，自定義上下文管理器，以及__exit__的引數相關內容。
with 語句是 Pyhton 提供的一種簡化語法，適用於對資源進行訪問的場合，確保不管使用過程中是否發生異常都會執行必要的“清理”操作，釋放資源，with 語句主要是為了簡化程式碼操
全面剖析Redis Cluster原理和應用
Redis3以上版本叢集方式，使用Ruby解本命令完成叢集、主從配置。前段時間配置redis主從時在配置哨兵模式時卡死了，主要是用YUM安裝的redis導致sentinel.conf配置失敗。現在使用Redis Cluster可以完美解決問題了，並且支援Jed
ThreadLocal 的實現原理和應用場景
一、ThreadLocal 是什麼
ThreadLocal 是一個執行緒內部的資料儲存類，通過它可以在指定的執行緒中儲存資料，資料儲存以後，只有在指定執行緒中可以獲取到儲存的資料，對於其他執行緒來說則無法獲取到資料
可以理解成執行緒本地變數或執行緒本地儲存，Th
CDN與智慧DNS原理和應用---筆記
之前在小公司的時候，沒用過CDN。簡單來說就是將一些靜態資源放在CDN裡面，這樣使用者訪問的速度會快很多。今天來了解下什麼叫CDN吧。相信在開發人員中，這些知識都必須要了解的。（不然怎樣挑戰更高的工資呢？）
一、什麼叫CDN呢？
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ZooKeeper原理和應用
目錄
1、ZooKeeper原理解析
1.1、叢集角色描述
1.2、Paxos演算法概述（ZAB協議）
1.2.1、ZooKeeper的全新叢集選主
1.2.2、ZooKeeper的非全新叢集選主
1.3、資料同步
1.4、ZooKeeper工作流程
1.4.1、
iOS編譯過程
前言
iOS 開發中使用的是編譯語言，所謂編譯語言是在執行的時候，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。他是使用 Clang / LLVM 來編譯的。LLVM是一個模組化和可重用的編譯器和工具鏈技術的集合，Clang 是 LLVM 的子專案，是 C，C++ 和 Obje
Java 中的異常處理機制的簡單原理和應用
異常是指 java 程式執行時（非編譯）所發生的非正常情況或錯誤，與現實生活中的事件很 相似，現實生活中的事件可以包含事件發生的時間、地點、人物、情節等資訊，可以用一個 物件來表示，Java 使用面向物件的方式來處理異常，它把程式中發生的每個異常也都分別封 裝到一個物件來表示
加速度感測器的原理和應用-手機翻轉、失重檢測、運動檢測、位置識別
本文介紹可穿戴裝置加速度感測器－Lis3dh的特性原理和應用場景。意法半導體研發的Lis3dh廣泛應用在智慧手環、智慧計步鞋等智慧穿戴產品中。Lis3dh有兩種工作方式，一種是其內建了多種演算法來處理常
AVL樹，紅黑樹，B-B+樹，Trie樹原理和應用
前言：本文章來源於我在知乎上回答的一個問題
AVL樹，紅黑樹，B樹，B+樹，Trie樹都分別應用在哪些現實場景中？
看完後您可能會了解到這些資料結構大致的原理及為什麼用在這些場景，文章