主要內容:
- 理解
C、C++以及OC的關系 - 編譯型語言與解釋型語言
- 編譯器
LLVM與CLang - 理解
iOS編譯流程 - 預處理
- 編譯
- 匯編
- 鏈接
一、理解C、C++以及OC的關系
1.C語言
-
C語言是一門面向過程的計算機編程語言，既可用于系統軟件開發，也適用于應用軟件開發； -
C語言編譯器普遍存在于各種不同的操作系統中，例如Microsoft Windows,Mac OS X,Linux,Unix等； -
C語言的設計影響了眾多后來的編程語言，例如C++、Objective-C、Java、C#等；
2.C++語言
- 兼容了
C語言面向過程特點，但又進行了擴充和完善； - 作為一種面向對象的語言，具有封裝、多繼承、多態等特性；
3.Objective-C語言
- 擴展了
C語言的能力，使其具備面向對象設計的能力，相當于C的超集； -
OC代碼中也可以有C和C++語句，它可以調用C函數，也可以通過C++對象訪問方法；
4.OC與C++的比較
-
OC與C++都是從C語言演變而來面向對象設計語言，也都兼容標準的C語言；但它們屬于不同的面向對象學派； - 兩者最大的不同在于：
OC提供了運行時的動態綁定機制，而C++是編譯時靜態綁定，并通過嵌入類和虛函數來模擬實現； -
OC在編譯階段降低了編譯要求提高了靈活性，而C++則是提高了編譯要求，在編譯過程中就發現更多的潛在錯誤，在運行前改正，降低了靈活性；
以下面的代碼為例，在編譯期間，C++認為是錯誤的，而OC則認為沒有問題：
NSString *test =(id) [[NSArray alloc] init];
OC與C++在使用細節上的不同如下：
- 定型：
OC是動態定型，可以允許根據字符串名字來訪問方法和類，還可以動態鏈接和添加類； - 繼承：
OC不支持多繼承，C++支持多繼承； - 函數調用：
OC通過消息傳遞實現函數調用，而C++直接進行函數調用； - 接口：
OC采用Protocol形式來定義接口，而C++采用虛函數形式來定義接口； - 重載：
OC不允許同一個類中兩個方法有相同的名字(即使只是參數類型不同)，但C++可以；
二、編譯型語言與解釋型語言
Objective-C屬于編譯型語言，這是為了保證iPhone的執行效率；
1.編譯型語言
- 程序運行前，必須先通過
編譯器生成機器碼，機器碼直接通過CPU執行，運行時不需要重新翻譯； - 程序執行效率高，但依賴編譯器，調試周期長、跨平臺性差些；
- 代表語言：
C、C++、OC等；
2.解釋型語言
- 程序運行前，不需要進行編譯，而是以文本方式存儲程序代碼，運行時需要解釋器解釋后再運行；
- 程序執行效率低下，但是程序具有動態性，運行后也可以隨時增加和更新代碼來改變程序邏輯；
- 代表語言：
Javascript、Python等；
三、編譯器LLVM與CLang
1.編譯器
概念：把一種編程語言(原始語言)轉換為另一種編程語言(目標語言)的程序;
大多數編譯器都分前端和后端兩部分：
- 前端：負責
詞法分析、語法分析、生成中間代碼； - 后端：以
中間代碼作為輸入，進行與架構無關的代碼優化，接著針對不同架構生成不同的機器碼；
補充：
- 前后端以
中間代碼作為媒介，使得前后端可以獨立的變化，互不影響； - 這樣的好處在于：新增一門語言只需要修改前端，而新增一種
CPU架構只需要修改后端即可；
2.LLVM與Clang
LLVM是蘋果當前使用的編譯器：
-
LLVM是一套編譯器基礎設施項目，為自由軟件，以C++寫成，包含一系列模塊化的編譯器組件和工具鏈，用來開發編譯器前端和后端； - 基于
LLVM衍生出了一些強大的子項目，比如：Clang和LLDB。
CLang基于LLVM，是一個高度模塊化開發的輕量級編譯器；
-
CLang主要來自蘋果電腦的支持，同時支持C、Objective-C以及C++； -
CLang用于替代Xcode5版本前使用的GCC，編譯速度提高了3倍：
3.理解iOS中的編譯器
- 在
iOS開發中，通常LLVM被認為是編譯器的后端，而Clang是作為編譯器的前端； - 二者以
IR（中間代碼）作為媒介，這樣前后端分離，使得前后端可以獨立的變化，互不影響； -
C語言家族的前端是clang，swift的前端是swiftc，但二者的后端都是LLVM；
四、理解iOS編譯流程
1.編譯流程圖
LLVM的編譯過程相當復雜，iOS代碼運行需要經過：預處理、編譯、匯編、鏈接四個關鍵階段，具體的流程如下圖：
2.準備測試文件
以OC語言為例，詳細分析代碼的編譯流程，準備一個main.m文件的內容如下：
#import <Foundation/Foundation.h>
/// 增加注釋：宏定義Name
#define Name "梧雨北辰"
int main(int argc, const char * argv[]) {
NSLog(@"Hello, %s", Name);
return 0;
}
五、預處理(Prepressing)
1.主要功能
- 替換宏：替換代碼中各種宏定義，如定義的常量、函數等；
- 導入頭文件：將
#include包含的文件插入到該指令位置等； - 清理注釋：刪除所有注釋：
//、/**/等； - 條件編譯：處理
#if、#ifdef，#endif等類似的條件編譯； - 添加行號和文件名標識：以便于編譯時編譯器能夠顯示警告和錯誤的所在行號；
2.查看預處理結果
使用xcrun命令，在終端執行預處理操作：
xcrun clang -E main.m
終端顯示效果如下：
# 1 "main.m"
# 1 "<built-in>" 1
...
# 1 "/Applications/Xcode13.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Headers/FoundationLegacySwiftCompatibility.h" 1 3
# 193 "/Applications/Xcode13.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Headers/Foundation.h" 2 3
# 2 "main.m" 2
int main(int argc, const char * argv[]) {
NSLog(@"Hello, %s", "梧雨北辰");
return 0;
}
結果分析：
- 預處理后的文件中，注釋已經被清理，宏定義也已經被替換；
- 預處理后的文件有很多行，因為該過程中導入了頭文件(
Foundation.h)，而且這個過程是遞歸的；
六、編譯(Compilation)
1. 詞法分析(Lexical Analysis)
主要功能：通過掃描器，分割識別源代碼符號(如大小括號、=、字符串)；
使用xcrun命令，在終端執行詞法分析操作：
xcrun clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
終端顯示效果如下：
annot_module_include '#import <Foundation/Foundation.h>
/' Loc=<main.m:1:1>
int 'int' [StartOfLine] Loc=<main.m:4:1>
identifier 'main' [LeadingSpace]
......
r_brace '}' [StartOfLine] Loc=<main.m:7:1>
eof '' Loc=<main.m:10:1>
結果分析：
- 每個被分割的源代碼符號都被記錄了位置，方便后續定位錯誤；
- 比如
Loc=<main.m:4:1>就表示：'int'這個符號是從源文件main.m的第4行的第1個字符開始的；
2.語法分析(Semantic Analysis)
主要功能：對源代碼符號進行分析，驗證語法是否正確，最后生成AST語法樹；
使用xcrun命令，查看語法分析結果：
xcrun clang -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.c | open -f
AST語法樹：
- 是抽象語法樹，結構上比代碼更精簡，遍歷速度更快；
- 能夠更快的進行靜態檢查，同時生成
IR(中間代碼)；
3.靜態分析(Static Analysis)
主要功能：對AST樹進行遍歷分析，包括類型檢查、方法實現檢查，會及時提示錯誤；
4.生成中間代碼(Code Generation)
主要功能：CodeGen負責將AST語法樹自頂向下遍歷，逐步翻譯成IR中間代碼；
IR中間代碼：
- 這是一種更接近于機器碼的語言，使得編譯器被分為前端和后端，不同的平臺可以利用各自的編譯器將中間代碼，轉化為適合不同平臺的機器碼；
- 對于
iOS系統來說，IR中間代碼生成的就是Mach-O可執行文件; -
IR是前端的輸出，后端的輸入；
七、匯編(Assembly)
輸出中間代碼標志著前端工作的完成，接下來將進入后端的處理流程。
1.LLVM優化中間代碼
中間代碼IR進入后端，LLVM會對其進行優化：
Optimization Levelbitcode
2.生成匯編代碼
LLVM對IR進行優化后，會針對不同架構生成不同匯編代碼；
匯編階段的目的：
- 將代碼匯編化，并將符號進行歸類；
- 將外部導入符號，放到重定位符號表；
- 最后生成一個或多個
.o目標文件；
使用xcrun命令，生成匯編文件：
xcrun clang -S main.m -o main.s
打開.s文件，摘取內容如下：
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version macos, 11, 0 sdk_version 11, 3
.globl _main ## -- Begin function main
// ......
callq _NSLog
// ......
.subsections_via_symbols
可以看到，匯編文件中的NSLog操作已經被轉化為匯編命令形式的調用，即callq _NSLog；
3.生成目標文件
該階段是匯編器將匯編代碼轉換為機器代碼，并輸出目標文件，即.o文件；
使用xcrun命令，生成目標文件:
xcrun clang -fmodules -c main.m -o main.o
使用file命令，查看目標文件類型:
% file main.o
main.o: Mach-O 64-bit object x86_64
可以看到，匯編器生成Mach-O格式的文件，而且是object類型，即目標文件類型：
-
Mach-O文件是用于iOS和OS平臺上的文件類型； -
Mach-O作為a.out格式的替代，提供了更強的擴展性，也提升了符號表中信息的訪問速度；
使用xcrun命令，查看下main.o中的符號：
xcrun nm -nm main.o
終端顯示效果如下：
(undefined) external _NSLog
(undefined) external ___CFConstantStringClassReference
0000000000000000 (__TEXT,__text) external _main
可以看到，此時我們使用的NSLog函數，對應著_NSLog符號：
-
undefined：表示在當前文件暫時找不到符號_NSLog； -
external：表示這個符號是外部可以訪問的，對應表示文件私有的符號是non-external；
八、鏈接(Linking)
主要功能：符號解析、重定位、合并目標文件，最終生成可執行文件；
1.使用xcrun命令執行鏈接，得到可執行文件
xcrun clang main.o -o main
2.使用file命令，查看文件類型
% file main
main: Mach-O 64-bit executable x86_64
% ./main
2021-10-01 19:06:41.846 main[5663:660299] Hello, 梧雨北辰
結果分析：雖然還是Mach-O格式，但此時已經是executable類型了，即可執行文件。而且運行該文件后也打印出了預期的結果；
3.再次使用xcrun命令，查看可執行文件的符號表
% xcrun nm -nm main
(undefined) external _NSLog (from Foundation)
(undefined) external ___CFConstantStringClassReference (from CoreFoundation)
(undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header
0000000100003f40 (__TEXT,__text) external _main
0000000100008008 (__DATA,__data) non-external __dyld_private
結果分析：_NSLog符號依然是undefined，不過此時多了一些信息，即from Foundation，表示這個符號來自于Foundation，會在運行時動態綁定；
4.鏈接階段的主要任務
1.符號解析
將每個符號引用和對應的符號定義關聯起來；
- 鏈接器鏈接多文件時會創建符號表，用于記錄所有已經定義和未定義的符號；
- 出現相同符號，會報錯：
"ld:dumplicate symbols"； - 在其他目標文件里沒有找到到符號，會報錯：
"Undefined symbols"；
- 出現相同符號，會報錯：
- 另外，鏈接器在整理函數的符號調用關系時，可以幫助我們理清那些函數沒有被調用，并自動去除掉；
2.重定位
將變量名、函數名這些符號定義與一個內存位置關聯起來；
- 因為只有通過了綁定，機器才知道需要操作什么內存地址；
- 否則，我們就需要在寫代碼時給每個指令設置好內存地址，不僅操作繁瑣，而且容易引起出錯；
3.合并目標文件
將多個.m文件編譯產生的.o目標文件與其他Mach-O文件(如dylib、a、tbd），合成一個Mach-O格式的可執行文件；
- 通常項目都會包含多個文件，不同文件之間的
變量和接口函數就會產生相互依賴關系； - 程序運行前，需要使用鏈接器將多個文件里的符號和地址綁定起來，才能保證整個程序里的變量、接口的正常調用；
5.理解靜態鏈接與動態鏈接
靜態鏈接：作用于編譯期，鏈接后的文件依然可能會存在一些"undefined"的符號。但是這些符號都會被記錄下來，在運行時再通過dlopen和dlsym動態鏈接綁定；
動態鏈接：作用于運行時，這樣的優勢在于：諸多類似UIKit這樣的共享庫將不必包含在每一個App包里。比如：我們使用到的UIKit系統庫，等到點擊App真正開始運行之前，才會去鏈接依賴的UIKit，鏈接完成再運行App；
