從Mach-O到iOS Library

做過(guò)iOS的Library開(kāi)發(fā)的都知道，開(kāi)發(fā)者可以創(chuàng)建靜態(tài)庫(kù)工程(Static Library)，編譯出來(lái)的產(chǎn)物是.a文件；也可以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)庫(kù)工程(Dynamic Library)，編譯出來(lái)的產(chǎn)物是.framework文件。然而，你也有可能遇到過(guò)，外面是.framework文件，里面包含的卻是.a的文件，還有的二進(jìn)制文件根本沒(méi)有格式后綴。但是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件卻是.dylib(xcode 8.0以前)和.tbd(xcode 8.0及以后)格式的。剛開(kāi)始接觸時(shí)肯定對(duì)這些充滿了疑惑，本文將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行一些探討。

在進(jìn)行探討之前，首先要介紹一下Mach-O。

Mach-O

Mach-O格式全稱為Mach Object文件格式的縮寫(xiě)，是mac上可執(zhí)行文件的格式，類似于windows上的PE格式 (Portable Executable ), linux上的elf格式 (Executable and Linking Format)。

mach-o文件類型分為：
  • Executable：應(yīng)用的主要二進(jìn)制
  • Dylib Library：動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（又稱DSO或DLL）
  • Static Library：靜態(tài)鏈接庫(kù)
  • Bundle：不能被鏈接的Dylib，只能在運(yùn)行時(shí)使用dlopen( )加載，可當(dāng)做macOS的插件
  • Relocatable Object File：可重定向文件類型
    看著貌似很陌生，我們可以類比著相對(duì)熟悉一點(diǎn)的Linux看。Linux中常見(jiàn)的庫(kù)文件有.o文件、.a文件、.so文件。
    以一個(gè)簡(jiǎn)單的add函數(shù)源文件為例，介紹一下編譯過(guò)程。
int add(int a,int b)
{
    return a+b;
}

先預(yù)處理為.i文件gcc -E add.c -o add.i
再編譯為匯編文件
gcc -S add.i -o add.s
再匯編為二進(jìn)制的.o文件
gcc -c add.s -o add.o
現(xiàn)在.o文件出來(lái)了。它就是C/C++編譯的產(chǎn)物，因?yàn)镃/C++編譯的單元編譯。每一個(gè).c/.cpp文件就是一個(gè)編譯單元，把所有單元都編譯好之后，再連接成一個(gè)完整的程序。所以可以看出：

  • .o文件
    .o文件是源碼編譯出的二進(jìn)制文件。
  • .a文件
    .a文件實(shí)質(zhì)上就是.o文件打了個(gè)包。一般把它叫做靜態(tài)庫(kù)文件。它在使用的時(shí)候，效果和使用.o文件是一樣的。
  • .so文件
    .so文件就不一樣了,它不是簡(jiǎn)單的.o文件打了一個(gè)包，它是一個(gè)ELF格式的文件，也就是linux的可執(zhí)行文件。.so文件可以用于多個(gè)進(jìn)程的共享使用（位置無(wú)關(guān)的才行），所以又叫共享庫(kù)文件。程序在使用它的時(shí)候，會(huì)在運(yùn)行時(shí)把它映射到自己進(jìn)程空間的某一處，其不在使用它的程序中。

OSX或者iOS是類Unix系統(tǒng)，和Linux很相似。文件格式也很類似，其中Relocatable Object File和.o文件類型對(duì)應(yīng)；Static Library和.a文件類型對(duì)應(yīng)；Dylib Library和.so文件類型對(duì)應(yīng)。

iOS Library

在任意一個(gè)iOS工程中，可以進(jìn)入到Build Settings，搜索"Mach-O"，可以搜出"Mach-O Type"配置項(xiàng)，在下拉菜單里可以看到有5個(gè)選項(xiàng)，如圖所示：
編譯產(chǎn)物類型配置項(xiàng)

可以看到，正好和前面的幾種Mach-O文件類型對(duì)應(yīng)。其中Executable用于編譯應(yīng)用，Bundle用于編譯資源包，Relocatable Object File用于編譯單元二進(jìn)制文件。Static Library和Dynamic Library分別用于編譯靜態(tài)和動(dòng)態(tài)庫(kù)。Executable、Bundle以及Relocatable Object File比較好區(qū)分，這里主要探討Static Library和Dynamic Library。

前面提到過(guò)，靜態(tài)庫(kù)一般是.a文件，動(dòng)態(tài)庫(kù)一般是.framework文件。為什么說(shuō)一般，因?yàn)殪o態(tài)庫(kù)也可能沒(méi)有后綴；.framework文件其實(shí)只是個(gè)文件夾，真正的二進(jìn)制文件在.framework里面。.framework里面的二進(jìn)制文件也可能是靜態(tài)庫(kù)，也有可能是動(dòng)態(tài)庫(kù)。有后綴也可能沒(méi)有后綴。因此有時(shí)候不通過(guò)工具很難區(qū)分。所以這里推薦一款Mach-O格式文件瀏覽器：MachOView。

MachOView下載地址：http://sourceforge.net/projects/machoview/
MachOView源碼地址：https://github.com/gdbinit/MachOView

用MachOView打開(kāi)Mach-O格式文件，可以清楚地看到文件類型，是動(dòng)態(tài)庫(kù)還是靜態(tài)庫(kù)。如果是動(dòng)態(tài)庫(kù)，可以看到Shared Library標(biāo)志；如果是靜態(tài)庫(kù)，可以看到Static Library標(biāo)志。

動(dòng)態(tài)庫(kù)（這里只講自己編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)，因?yàn)橄到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)還有些不一樣，后面會(huì)講到）和靜態(tài)庫(kù)的主要區(qū)別有以下幾點(diǎn)：

  • 在使用靜態(tài)庫(kù)時(shí)，把庫(kù)拖進(jìn)工程，設(shè)置好library search path即可使用；在使用動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)，多一個(gè)步驟，要在Build Settings——>General——>Embeeded Binaries中add一下，否則應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)會(huì)崩潰。
  • 靜態(tài)庫(kù)里不能有資源文件；動(dòng)態(tài)庫(kù)有.framework文件夾包裹著，可以帶資源文件。
  • 靜態(tài)庫(kù)會(huì)被編譯進(jìn)應(yīng)用的二進(jìn)制文件里；動(dòng)態(tài)庫(kù)只是被完整地拷貝到應(yīng)用的沙盒里，不會(huì)被編譯進(jìn)應(yīng)用的二進(jìn)制文件里。
  • 靜態(tài)庫(kù)實(shí)質(zhì)上就是源碼編譯出的多個(gè).o二進(jìn)制文件打了個(gè)包；動(dòng)態(tài)庫(kù)可以用于多個(gè)進(jìn)程的共享使用（位置無(wú)關(guān)的才行），所以又叫共享庫(kù)文件。程序在使用它的時(shí)候，會(huì)在運(yùn)行時(shí)把它映射到自己進(jìn)程空間的某一處，其不在使用它的程序中。
  • 在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把應(yīng)用所鏈接的所有靜態(tài)庫(kù)（包括系統(tǒng)的和自己編譯的）全部放進(jìn)分配好的內(nèi)存空間里，如果一次性加載的內(nèi)容過(guò)多，會(huì)造成App啟動(dòng)慢；動(dòng)態(tài)庫(kù)分兩種情況，如果是自己編譯的，則會(huì)被通過(guò)load的方式全部加載進(jìn)內(nèi)存；如果是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)則相對(duì)智能些，只有當(dāng)應(yīng)用用到這個(gè)庫(kù)時(shí)，系統(tǒng)才把這個(gè)庫(kù)加載進(jìn)內(nèi)存。

現(xiàn)在對(duì)靜態(tài)庫(kù)應(yīng)該沒(méi)有什么疑問(wèn)了，很容易區(qū)分。但是自己編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)還不是很清晰。有人把自己編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)歸類靜態(tài)庫(kù)，可能有兩點(diǎn)理由：1、自己編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)用法和靜態(tài)庫(kù)很類似，而且不能動(dòng)態(tài)加載；2、自己編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)是.framework文件，而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)是.tbd文件，格式都不一樣。

目前，自己編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)用法和靜態(tài)庫(kù)用法確實(shí)很類似，而且不能動(dòng)態(tài)加載。但是不能動(dòng)態(tài)加載的原因是系統(tǒng)的限制。查看蘋(píng)果的API文檔，會(huì)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)方法提供了加載可執(zhí)行文件的功能，那就是NSBundle的load方法（底層實(shí)現(xiàn)為dlopen函數(shù)）， 如下所示：

加載可執(zhí)行文件方法
詳見(jiàn)官方文檔：https://developer.apple.com/documentation/foundation/nsbundle/1415927-load?language=objc
然而，這個(gè)方法的使用是有前提的。那就是庫(kù)和app的簽名必需一致。iOS可能是出于安全考慮，在加載可執(zhí)行代碼前，需要校驗(yàn)簽名。load方法的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是調(diào)用了dlopen，而dlopen內(nèi)部還會(huì)調(diào)用dlopen_preflight先校驗(yàn)簽名。如果庫(kù)不是事先打包進(jìn)app，和app使用同一簽名，就會(huì)報(bào)簽名錯(cuò)誤，從而加載不成功。如下圖所示：
加載framework代碼
加載失敗信息

那么肯定有人會(huì)問(wèn)，既然無(wú)法加載成功，蘋(píng)果為什么要提供這個(gè)方法？答案是，雖然iOS無(wú)法使用，但是Mac OS可以使用，很明顯這個(gè)方法目前是提供給Mac OS使用的。如果以后系統(tǒng)放開(kāi)簽名校驗(yàn)，那么iOS中也就可以動(dòng)態(tài)加載了。

至于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)是.tbd文件，不妨先調(diào)查一下這個(gè).tbd。詳見(jiàn)：http://www.cocoachina.com/ios/20160506/16141.html
簡(jiǎn)而言之，其實(shí)tbd文件不是一個(gè)庫(kù)，而是一個(gè)文本文件，其中包含架構(gòu)信息，和在真實(shí)運(yùn)行時(shí)候二進(jìn)制所在的位置，以及動(dòng)態(tài)庫(kù)的符號(hào)表還有類的一些信息，這些信息在編譯階段足夠了。在系統(tǒng)要使用時(shí)才通過(guò)tbd文件中的鏈接信息加載真正的二進(jìn)制文件。

總結(jié)

  • Mach-O格式的幾種文件和iOS工程Build Settings里面的配置項(xiàng)是對(duì)應(yīng)的。
  • 可以通過(guò)MachOView工具查看Mach-O格式，不能只看文件后綴。
  • iOS工程Build Settings里面的配置項(xiàng)選擇Static Library和Dynamic Library分別編譯出的二進(jìn)制文件還是有本質(zhì)區(qū)別的。
  • 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)庫(kù)和自己編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)本質(zhì)上是一樣的，只是使用方式不一樣。自己編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)由于簽名校驗(yàn)限制，只能當(dāng)作靜態(tài)庫(kù)一樣使用；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)不受簽名校驗(yàn)限制，可以動(dòng)態(tài)加載。

參考鏈接：
http://blog.csdn.net/zhangjie1989/article/details/54614246
http://www.lxweimin.com/p/54d842db3f69
http://www.cocoachina.com/ios/20160506/16141.html

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