iOS 編譯與鏈接一:編譯的過程

一:編譯器

編譯器是什么已不用多說,一句話從代碼到機器碼就是編譯器的工作.


編譯器的架構

左邊輸入源碼,右邊輸出機器碼

Frontend表示前端,主要負責詞法分析、語法分析、語義分析、生成中間代碼.這時就會進行各種檢查,會報錯或者警告.
Optimizer表示優化器,負責中間代碼的優化,去除冗余代碼,優化結構
Backend表示后端,生成機器碼,并且進行鏈接,也就是將不同的二進制文件合并成一個可執行文件.

1.LLVM
Xcode5之后完全使用LLVM作為編譯器.

LLVM的架構

LLVM也是上面說的那種Frontend -> Optimizer ->Backend架構.
不過LLVM路子很野,可以有很多個接口,也就是前端(Frontend),每一種前端對應一種或多種語言,這些前端最終都會生成相同的中間代碼,叫做LLVM IR;
優化器的從始至終只處理LLVM IR.
新增一個前端不需要對LLVM的優化器進行調整,只需要新增一個前端; 增加一個新的平臺只需要增加一個后端即可.
相比較而言,GCC就支持一個新的前端或者后端就要麻煩的多,原本的GCC家族(C,C++,OC),以及Java、.NET、Python、Ruby等都可以使用LLVM編譯.

LLVM IR有3種表示形式,
存在內存中.
存在硬盤中的.ll代碼文件,可以閱讀.
存在硬盤中的二進制文件,擴展名是.bc,也就是bitcode.

2.Clang
Clang就是一個LLVM前端,負責將C,C++,OC翻譯成LLVM IR.

Clang的工作內容:
預處理, 去掉注釋,頭文件的引用關系,把宏定義對應到各個位置
靜態分析,給出錯誤信息,警告信息和修復方案
詞法分析,這里會把代碼切成一個個 Token,括號,符號,關鍵字等等都被切割出來
語法分析,驗證語法是否正確,將所有節點組成抽象語法樹AST
生成 LLVM IR, CodeGen會負責將語法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成 LLVM IR

3.Swift
同樣LLVM中還需要一個前端負責對 Swift 源代碼進行靜態分析和糾錯,并轉換為 LLVM IR,這個前端也叫swift.
不過swift比clang的過程要復雜一些,多了一個生成SIL的過程.

Swift的工作內容:
導入Clang模塊并將它們導出的OC API 映射到相應的 Swift API
解析生成AST
生成SIL,將經過類型檢查的 AST 降級為 SIL
優化SIL,為程序執行額外的高級 Swift 特定優化,包括自動引用計數優化,虛擬化和通用專業化
將 SIL 降級到 LLVM IR

二.編譯流程

引用戴銘老師的例子走一遍,原文

1.編譯一個main.m
裝了Xcode就自帶LLVM,可以直接試一試.
創建一個項目,覆蓋main.m的代碼

#import <Foundation/Foundation.h>
#define DEFINEEight 8

#pragma 這是標記
//這是注釋
int main(){
    @autoreleasepool {
        int eight = DEFINEEight;
        int six = 6;
        NSString* site = [[NSString alloc] initWithUTF8String:"starming"];
        int rank = eight + six;
        NSLog(@"%@ rank %d", site, rank);
    }
    return 0;
}

運行:

clang -ccc-print-phases main.m

輸出:

               +- 0: input, "main.m", objective-c
            +- 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output
         +- 2: compiler, {1}, ir
      +- 3: backend, {2}, assembler
   +- 4: assembler, {3}, object
+- 5: linker, {4}, image
6: bind-arch, "arm64", {5}, image

第0步引入文件
第1步預編譯,輸出c++文件
第2步編譯為LLVM IR文件
第3步輸出匯編文件
第4步輸出二進制文件
第5步鏈接各二進制文件
第6步根據架構輸出對應可執行文件

執行:

clang -E main.m

輸出了非常多的東西,因為導入了foundation,先看最后幾行

# 1 "/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Headers/FoundationLegacySwiftCompatibility.h" 1 3
# 187 "/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Headers/Foundation.h" 2 3
# 22 "main.m" 2


#pragma 這是標記

int main(){
    @autoreleasepool {
        int eight = 8;
        int six = 6;
        NSString* site = [[NSString alloc] initWithUTF8String:"starming"];
        int rank = eight + six;
        NSLog(@"%@ rank %d", site, rank);
    }
    return 0;
}

除了foundation,還可以看到DEFINEEight被替換成了8,注釋沒了,但是#pragma還在
所以預編譯就做了這些事:導入文件,去除注釋,替換宏定義.

這一步會生成main.cpp文件,在main.m的同一路徑.幾萬行代碼,在最后可以找到替換為C++的main函數

int main(){
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        int eight = 8;
        int six = 6;
        NSString* site = ((NSString * _Nullable (*)(id, SEL, const char * _Nonnull))(void *)objc_msgSend)((id)((NSString *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSString"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("initWithUTF8String:"), (const char *)"starming");
        int rank = eight + six;
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_y4_681pp9bd3c31j1_m0jqnt4h00000gn_T_main_3eda9c_mi_0, site, rank);
    }
    return 0;
}

接下來是詞法分析
執行:

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

輸出

annot_module_include '#import <Foundation/Foundation.h>
#define DEFINEEight 8

#pragma 這是標記
//這是注釋
int main(){
    @autoreleasepool {
        int eight = DEFINEEight;
        int six = 6;
        NSString* site = [[NSString alloc] initWithUTF8String:"starming"];
        int rank = eight + six;
        NSLog(@"%@ rank %d", site, rank);
    }
    return 0;
}
@???W?\?V?A?`'      Loc=<main.m:21:1>
int 'int'    [StartOfLine]  Loc=<main.m:26:1>
identifier 'main'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:26:5>
l_paren '('     Loc=<main.m:26:9>
r_paren ')'     Loc=<main.m:26:10>
l_brace '{'     Loc=<main.m:26:11>
at '@'   [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:27:5>
identifier 'autoreleasepool'        Loc=<main.m:27:6>
l_brace '{'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:27:22>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:28:9>
identifier 'eight'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:28:13>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:28:19>
numeric_constant '8'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:28:21 <Spelling=main.m:22:21>>
semi ';'        Loc=<main.m:28:32>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:29:9>
identifier 'six'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:29:13>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:29:17>
numeric_constant '6'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:29:19>
semi ';'        Loc=<main.m:29:20>
identifier 'NSString'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:30:9>
star '*'        Loc=<main.m:30:17>
identifier 'site'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:30:19>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:30:24>
l_square '['     [LeadingSpace] Loc=<main.m:30:26>
l_square '['        Loc=<main.m:30:27>
identifier 'NSString'       Loc=<main.m:30:28>
identifier 'alloc'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:30:37>
r_square ']'        Loc=<main.m:30:42>
identifier 'initWithUTF8String'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:30:44>
colon ':'       Loc=<main.m:30:62>
string_literal '"starming"'     Loc=<main.m:30:63>
r_square ']'        Loc=<main.m:30:73>
semi ';'        Loc=<main.m:30:74>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:31:9>
identifier 'rank'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:31:13>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:31:18>
identifier 'eight'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:31:20>
plus '+'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:31:26>
identifier 'six'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:31:28>
semi ';'        Loc=<main.m:31:31>
identifier 'NSLog'   [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:32:9>
l_paren '('     Loc=<main.m:32:14>
at '@'      Loc=<main.m:32:15>
string_literal '"%@ rank %d"'       Loc=<main.m:32:16>
comma ','       Loc=<main.m:32:28>
identifier 'site'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:32:30>
comma ','       Loc=<main.m:32:34>
identifier 'rank'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:32:36>
r_paren ')'     Loc=<main.m:32:40>
semi ';'        Loc=<main.m:32:41>
r_brace '}'  [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:33:5>
return 'return'  [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:34:5>
numeric_constant '0'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:34:12>
semi ';'        Loc=<main.m:34:13>
r_brace '}'  [StartOfLine]  Loc=<main.m:35:1>
eof ''      Loc=<main.m:35:2>

可以看出詞法分析只需要處理main.m中的代碼,把所有的字符串,符號,括號都拆分開,拆出來的每一個部分,叫做token.

在接下來是語法分析
執行:

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

輸出

-FunctionDecl 0x15ab12390 <line:26:1, line:35:1> line:26:5 main 'int ()'
  `-CompoundStmt 0x15b026d48 <col:11, line:35:1>
    |-ObjCAutoreleasePoolStmt 0x15b026d00 <line:27:5, line:33:5>
    | `-CompoundStmt 0x15b026cc8 <line:27:22, line:33:5>
    |   |-DeclStmt 0x15ab12530 <line:28:9, col:32>
    |   | `-VarDecl 0x15ab124a8 <col:9, line:22:21> line:28:13 used eight 'int' cinit
    |   |   `-IntegerLiteral 0x15ab12510 <line:22:21> 'int' 8
    |   |-DeclStmt 0x15ab4e6f8 <line:29:9, col:20>
    |   | `-VarDecl 0x15ab12560 <col:9, col:19> col:13 used six 'int' cinit
    |   |   `-IntegerLiteral 0x15ab125c8 <col:19> 'int' 6
    |   |-DeclStmt 0x15b024be8 <line:30:9, col:74>
    |   | `-VarDecl 0x15ab4e750 <col:9, col:73> col:19 used site 'NSString *' cinit
    |   |   `-ObjCMessageExpr 0x15ab50b90 <col:26, col:73> 'NSString * _Nullable':'NSString *' selector=initWithUTF8String:
    |   |     |-ObjCMessageExpr 0x15ab4eb58 <col:27, col:42> 'NSString *' selector=alloc class='NSString'
    |   |     `-ImplicitCastExpr 0x15ab50b78 <col:63> 'const char * _Nonnull':'const char *' <NoOp>
    |   |       `-ImplicitCastExpr 0x15ab50b60 <col:63> 'char *' <ArrayToPointerDecay>
    |   |         `-StringLiteral 0x15ab4ebc8 <col:63> 'char [9]' lvalue "starming"
    |   |-DeclStmt 0x15b0252a8 <line:31:9, col:31>
    |   | `-VarDecl 0x15b024c18 <col:9, col:28> col:13 used rank 'int' cinit
    |   |   `-BinaryOperator 0x15b024d20 <col:20, col:28> 'int' '+'
    |   |     |-ImplicitCastExpr 0x15b024cf0 <col:20> 'int' <LValueToRValue>
    |   |     | `-DeclRefExpr 0x15b024c80 <col:20> 'int' lvalue Var 0x15ab124a8 'eight' 'int'
    |   |     `-ImplicitCastExpr 0x15b024d08 <col:28> 'int' <LValueToRValue>
    |   |       `-DeclRefExpr 0x15b024cb8 <col:28> 'int' lvalue Var 0x15ab12560 'six' 'int'
    |   `-CallExpr 0x15b026c48 <line:32:9, col:40> 'void'
    |     |-ImplicitCastExpr 0x15b026c30 <col:9> 'void (*)(id, ...)' <FunctionToPointerDecay>
    |     | `-DeclRefExpr 0x15b0252c0 <col:9> 'void (id, ...)' Function 0x15b024d48 'NSLog' 'void (id, ...)'
    |     |-ImplicitCastExpr 0x15b026c80 <col:15, col:16> 'id':'id' <BitCast>
    |     | `-ObjCStringLiteral 0x15b025340 <col:15, col:16> 'NSString *'
    |     |   `-StringLiteral 0x15b025318 <col:16> 'char [11]' lvalue "%@ rank %d"
    |     |-ImplicitCastExpr 0x15b026c98 <col:30> 'NSString *' <LValueToRValue>
    |     | `-DeclRefExpr 0x15b025360 <col:30> 'NSString *' lvalue Var 0x15ab4e750 'site' 'NSString *'
    |     `-ImplicitCastExpr 0x15b026cb0 <col:36> 'int' <LValueToRValue>
    |       `-DeclRefExpr 0x15b025398 <col:36> 'int' lvalue Var 0x15b024c18 'rank' 'int'
    `-ReturnStmt 0x15b026d38 <line:34:5, col:12>
      `-IntegerLiteral 0x15b026d18 <col:12> 'int' 0

這一步會檢查語法的正確性,給出警告,報錯,以及修改建議.生成的內容叫做抽象語法樹AST.

生成AST之后就可以開始生成IR代碼了
執行:

clang -O3 -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

輸出main.ll文件,路徑和main.m相同,是可讀的.
這里"-O3"是LLVM的優化策略,有-O1,-O3,-Os,也可以不設置.
如果設置了bitcode,還可以進一步優化.

接下來生成匯編

clang -S -fobjc-arc main.m -o main.s

生成目標文件

clang -fmodules -c main.m -o main.o

生成可執行文件并執行

clang main.o -o main
./main

輸出

starming rank 14

2.從Xcode觀察編譯過程

這里的過程可以在buildsetting,Build Phases 和 Build Rules中進行配置


查看

首先是預編譯,可以看到new build system等內容.


預編譯

然后是編譯cocoapods的targets,包括創建framework(cocoapods使用use framework),copy頭文件,以及編譯.m文件


targets

接下來是主target,其實是與cocoapods的targes一致的,這一步主target也會被打包成framework.
也是拷貝.h文件,編譯swift文件,編譯.m文件,編譯xib文件,拷貝資源文件,


主target

接下來執行cocoapods腳本,Build Phases的腳本.


腳本

最后拷貝swift標準庫以及簽名.


image.png

每一個都可以點開詳情.
比如編譯.m文件可以看到clang信息,這些基本是可以在build setting中進行配置的.
前面是CompileC任務描述
然后是切換路徑
最后clang -x objective-c -target x86_64-apple-ios12.0-simulator ...就是編譯的命令


編譯一個.m文件
  • 編譯的流程
    1.處理文件信息
    2.執行CocoaPod編譯前腳本
    3.編譯.m文件(h文件是不需要編譯的),執行clang命令
    4.鏈接framework
    5.拷貝和編譯xib,bundle文件
    6.編譯 ImageAssets
    7.處理 info.plist
    8.執行CocoaPod腳本
    9.拷貝Swift標準庫
    10.創建.app文件和簽名

3.配置編譯選項

  • Build settings設置在build的過程中各個階段的選項,clang的配置就屬于這個范圍.

  • Build Phases構建可執行文件的規則,指定 target 的依賴項目,指定在target build之前需要先build的依賴.
    在Compile Source中指定必須編譯的文件,這些文件同樣會根據Build Setting和Build Rules里的設置來處理.
    在Link Binary With Libraries里會列出所有的靜態庫和動態庫,它們會和編譯生成的目標文件鏈接.
    把靜態資源拷貝到bundle里.
    另外還可以通過在build phases里添加自定義腳本來做些事情,比如像CocoaPods所做的那樣.

  • Build Rules指定不同文件類型如何編譯,每條build rule指定了該類型如何處理以及輸出在哪,可以增加新規則對特定文件類型添加處理方法.

上面這些都是在Xcode UI中可視化的,這些信息最終需要以文件的格式保存下來,那就是.pbxproj文件,
路徑在[項目名稱].xcodeproj包里的project.pbxproj.

打開這個文件,在最后一行有一個

rootObject = F7036F002511EC050031CE83 /* Project object */;

搜索這個rootObject ID,可以找到PBXProject section,
這個文件就是以section為單位描述配置.

/* Begin PBXProject section */
        F7036F002511EC050031CE83 /* Project object */ = {
            isa = PBXProject;
            attributes = {
                CLASSPREFIX = XX;
                LastUpgradeCheck = 1310;
                ORGANIZATIONNAME = XXXX;
                TargetAttributes = {
                    F7036F072511EC050031CE83 = {
                        CreatedOnToolsVersion = 11.6;
                        LastSwiftMigration = 1240;
                    };
                };
            };
    ...

這PBXProject section里找到target

targets = (
            F7036F072511EC050031CE83 /* XXXXX */,
        );

再搜索這個ID,就可以找到更多配置,這個.pbxproj文件就是以這種id索引的方式進行記錄和查找.
比如繼續順著這個ID,可以找到更多的定義,可以看到buildPhases,buildConfiguration.
再順著找可以看到cocoapods, copy resource等等定義.

/* Begin PBXNativeTarget section */
        F7036F072511EC050031CE83 /* XXXXX */ = {
            isa = PBXNativeTarget;
            buildConfigurationList = F7036F212511EC080031CE83 /* Build configuration list for PBXNativeTarget "XXXXX" */;
            buildPhases = (
                2E9C3A1138A1AED934114EBC /* [CP] Check Pods Manifest.lock */,
                F7036F042511EC050031CE83 /* Sources */,
                F7036F052511EC050031CE83 /* Frameworks */,
                F7036F062511EC050031CE83 /* Resources */,
                34DB7EF940E3C9401AD2798F /* [CP] Embed Pods Frameworks */,
                25DB3E569FEFB4DC91CF364D /* [CP] Copy Pods Resources */,
            );
  ...
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