Xcode Run之后发生的事

原文：点击 Run 之后发生了什么？

简单来说，点击 Run 之后 App 进行编译、汇编、链接、代码签名以及启动执行等操作

一 编译

编译主要依靠编译器来完成一系列的操作

主要操作有

• 预处理
• 词法分析
• 语法分析
• 语义分析
• 生成中间代码
• 生成目标代码
• 优化目标代码

OS X 现在使用的编译器是 LLVM （Low Level Virtual Machine），在最初使用的是 GCC作为官方的编译器，但是由于下面的众多限制，apple 使用了自己的一套编译器

• GCC 原名为GNU C语言编译器，它原本只能处理 C语言，后来扩展了Objective-C、Java等语言，但是对于Objective-C的处理还是存在众多不便
• GCC 效率低下、性能不强
• 苹果开发自己的编译器，有利于开展自己的工具链，比如后期做 Swift、lldb 等

llvm 的基本架构

1 编译器

• 编译器前端（clang）
  
  • 负责产生机器无关的中间代码
• 编译器后端
  
  • 负责对中间代码进行优化并转化为目标机器代码

中间代码（IR：intermediate representation）也称为中间表示

• 通过中间代码为不同的语言针对诸多架构生成代码
  

2 预处理

• 处理源文件中以 #开头的预编译命令，比如#include等

3 词法分析

将输入分解为一个个独立的词法符号，也叫单词符号（token）

• 注释、宏、空格、换行等都不是单词

例子：

// 1 find a zero
float  matchZero(char *s) {

}
//2 返回下列单词流
//大概了解即可，觉得背这些词法符号定义对目前 iOS 开发用处不大
FLOAT、ID(MATCHZERO)、LPAREN、CHAR、ID(S) 、RPAREN  

4 语法分析

• 将符号化的字符串，转化抽象为能被计算机存储的树形结构（即抽象语法树（AST））
• 验证语法的正确性
  
  • 例如：忘记带分号
• 只能完成语法层面的分析，无法判别整个语句的真正意义
  
  • 比如类型不匹配就无法检查

5 语义分析

• 类型检查、以及符号表管理

6 生成中间代码

• 编译器前端
  
  • 负责产生机器无关的中间代码

7 目标代码的生成与优化

编译器后端包括

• 代码生成器
  
  • 代码生成器将中间代码转换为目标代码
• 代码优化器
  
  • 代码优化器主要是进行一些优化，比如删除多余指令，选择合适寻址方式等

二 汇编

• 目标代码经过汇编器处理，变成机器上可以执行的指令。生成对应的.o文件

三 链接

• 链接器（这里指的是静态链接器）将多个目标文件合并为一个可执行文件
• 在 OS X 和 iOS中的可执行文件是 Mach-O

链接又分为静态链接和动态链接

• 静态链接
  
  • 在编译链接期间，把目标文件和静态库一起链接形成可执行文件
  • 静态库如果多个程序都用到了一个库，那么每个程序都要将其链接到可执行文件中，非常冗余
  • 不方便升级，必须重新编译

• 动态链接
  
  • 在运行时，把目标文件和动态库一起链接形成可执行文件
  • 多个程序可以共享同一段代码，不需要在磁盘上存多份拷贝
  • 增加启动时间，影响性能
    
    • 因为动态链接发生在启动或运行时
  • 方便升级

整个过程如下图

四 代码签名

• 应用构建（build）完成之后会自动调用命令行工具codesign 进行签名，形成一个可以在系统上跑起来的可执行程序
• 程序一旦签名，就没有办法更改其中的任何东西，包括资源文件，可执行文件等，iOS系统会检查这个签名
• 我们每次build之后，都会发现工程目录下多了一个.app文件
  
  • 在 .app目录中，包含一个叫_CodeSignature的子目录 ，它是一个 plist文件
    
    • 包含了程序的代码签名
      

五 启动

• 其实在启动过程中，dyld（动态链接器） 起了很重要的作用，进行动态链接，进行符号和地址的一个绑定

dyld 主要在启动过程中主要做了以下事情：

• 加载所依赖的dylibs
• Fix-ups：Rebase修正地址偏移，因为 OS X和 iOS 搞了一个叫 ASLR的东西来做地址偏移（随机化）来避免收到攻击
• Fix-ups：Binding确定 Non-Lazy Pointer地址，进行符号地址绑定。
• ObjC runtime初始化：加载所有类
• Initializers：执行load 方法和_attribute_((constructor))修饰的函数

对于如何减少启动时间，今年的 WWDC 也有详细的阐述，可以在参考链接中找到相关的资料。

总结

编译 - 汇编 - 静态链接 - 签名 - 启动（动态链接等操作）- 跑起来了

参考链接

• 虎书
• 程序员的自我修养
• MDCC 2016 - 孙源（Sunnyxx）- clang 概述
• iDev 2016 - 孙源（Sunnyxx）- 把玩链接器
• 优化 App 的启动时间
• WWDC 2016 Session 406

名词解释

• SPARC

  • 全称为“可扩充处理器架构”（Scalable Processor ARChitecture），是RISC微处理器架构之一

• MIPS(Million Instructions Per Second)：

  • 单字长定点指令平均执行速度 Million Instructions Per Second的缩写，每秒处理的百万级的机器语言指令数。这是衡量CPU速度的一个指标

• Pentium

  • Pentium（奔腾）是英特尔第五代x86架构的微处理器