iOS编译过程

栏目: Objective-C · 发布时间: 6年前

内容简介：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

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（abstractsyntax 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。

    iOS编译过程
    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：

iOS编译过程

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：

iOS编译过程

  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：

    iOS编译过程

  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：

    iOS编译过程
    • 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。

以上就是本文的全部内容，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，也希望大家多多支持 码农网

查看所有标签

猜你喜欢:

本站部分资源来源于网络，本站转载出于传递更多信息之目的，版权归原作者或者来源机构所有，如转载稿涉及版权问题，请联系我们。

码农书籍
走进搜索引擎

走进搜索引擎

梁斌 / 电子工业出版社 / 2007-1 / 49.80元

《走进搜索引擎》由搜索引擎开发研究领域年轻而有活力的科学家精心编写，作者将自己对搜索引擎的深刻理解和实际应用巧妙地结合，使得从未接触过搜索引擎原理的读者也能够轻松地在搜索引擎的大厦中邀游一番。《走进搜索引擎》作为搜索引擎原理与技术的入门书籍，面向那些有志从事搜索引擎行业的青年学生、需要完整理解并优化搜索引擎的专业技术人员、搜索引擎的营销人员，以及网站的负责人等。《走进搜索引擎》是从事搜索引擎开发的......一起来看看 《走进搜索引擎》 这本书的介绍吧!

码农工具
JS 压缩/解压工具
JS 压缩/解压工具

在线压缩/解压 JS 代码

RGB转16进制工具
RGB转16进制工具

RGB HEX 互转工具

Markdown 在线编辑器
Markdown 在线编辑器

Markdown 在线编辑器

  • New
  • 文章
  • 话题
  • 教程
    • 关注 码农网 公众号
    版权所有，保留一切权利！© 2018-2024 码农网 粤ICP备17054400号-3