【iOS】—— 编译链接

编译流程

编译流程分为四个步骤：

• 预处理（Prepressing）
• 编译（Compilation）
• 汇编（Assembly）
• 链接（Linking）
  

预处理

编译的第一步，主要工作是将main.m文件编译成main.i文件。指令如下：

 clang -E main.m -o main.i

预处理是将main.m文件编译成main.i文件。但是具体的情况是要处理源代码中以#开头的所有预编译指令。如下：

• #define删除，展开对应的宏定义。
• 处理所有的条件预编译指令。如#if，#ifdef，#else，#endif。
• #include&#import包含的文件递归插入到此处。
• 删除所有的注释。
• 添加行号和文件标识。

编译

将main.i文件编译成main.s文件，指令如下:

 clang -S main.i -o main.s

对上面得到的main.i文件进行：词法分析，语法分析，静态分析，优化生成相应的汇编代码，最终生成main.s文件

解释一下：

• **词法分析：**把源代码的字符序列分割成一个个token（关键字、表示符、字面量、特殊符号），比如把标识符放到符号表里面。
• **语法分析：**生成抽象语法树AST，确定了符号的优先级，也确定了多重含义符号的意义。
• **静态分析：**分析类型声明和匹配问题。比如整型和字符串相加，肯定会报错。
• 中间语法生成：CodeGen根据AST(抽象语法树)自上向下逐步翻译成LLVM IR，并且对在编译期就可以确定的表达式进行优化，比如代码里面的a=1+3，可以优化成a=4。
• **目标代码生成与优化：**根据中间代码生成依赖具体机器的汇编语言，并优化汇编语言。个过程中，假如有变量且定义在同一个编译单元里，那么就给这个变量分配空间，确定变量的地址。假如变量或者函数不定义在这个编译单元里面，那就等到链接的时候才能确定地址。

汇编

将main.s文件编译成main.o文件(也就是我们常说的目标文件)，指令如下:

 clang -c main.s -o main.o

这个过程就是把上面得到的main.s文件里面的汇编指令翻译成机器指令，最终生成等到main.o。

链接

这个过程就是将main.o编译成对应的Mach-O文件，也就是我们常说的可执行文件，指令如下：

 clang main.o -o main

链接的本质是将一个或多个目标文件和需要的库（静态库/动态库，如果需要的话）组合成一个Mach-O可执行文件。

动态库和静态库

静态库

在链接阶段，会将汇编生成的目标文件.o与引用到的库一起链接打包到可执行文件中。这种链接方式称为静态链接。

优缺点

​ **优点：**在编译链接的时候被整合到可执行文件中，是程序运行的时候独立，不依赖外部库。由于不需要动态链接，因此可以快速的整合到可执行文件中，调用比动态库更快。
​ **缺点：**生成可执行程序较大，如果多个使用静态链接生成的程序同时运行会占用大量的内存空间。静态库一旦被编译链接到可执行文件中，想要更新或替换静态库的代码需要重新编译整个程序。

动态库

**动态库是动态链接库，是实现共享函数库的一种方式。**在编译的时候动态库不会被拷贝到程序中，只会存储下动态库的引用，等找到真正使用的时候才回去查找-绑定-使用函数。

优缺点

​ **优点：**节省磁盘空间，且多个用到相同动态库的程序同时运行，库文件会进行共享。动态库的更新和替换比较方便只需要替换动态库文件即可，不需要重新编译整个程序。使得程序文件小，易于分发和部署。
​ **缺点：**必须依赖动态库，负责无法运行。动态库在程序启动时需要加载，可能会增加程序启动的时间，并且要注意版本兼容问题。

动态库和静态库的区别

1. 编译方式

• 静态库是在编译阶段加载，将所用到的库函数的代码打包到生成的可执行文件中，静态库的生成在代码的编译阶段进行。
• 动态库是在运行时动态加载到程序中，可执行文件并不包含函数的实现代码，只是动态库的接口，当用到该函数的时候，从动态库文件中加载供程序使用。

2. 内存使用方式

• 静态库是在编译时将库的代码打包到可执行程序中，在程序运行的时候，静态库中的代码一直驻留在内存中，不会占用额外的空间。
• 动态库的代码是在程序运行的时候被加载到内存中，会占用额外的空间，但与静态库相比动态库的内存使用具有更好的空间和性能优势，多个程序可以共享同一个动态库，而不需要重复加载相同的库文件，从而减少了系统的内存占用。

3. 更新和维护方式

• 静态库的代码被打包成程序的一部分，静态库在更新和维护的时候需要重新编译和部署，才能更新静态库的代码。
• 动态库可以独立于程序进行更新，作为一个独立的文件，可以被多个程序共享。当需要更新的时候，只要替换掉旧的动态库文件不需要重新编译和部署使用的所有程序。

dyld

dyld（the dynamic link editor）是苹果的动态链接器，是苹果操作系统一个重要组成部分，在系统内核 XNU 完成 Mach-O 文件的加载，做好程序准备工作之后，交由 dyld 负责余下的工作。在 macOS 系统中，dyld 位于 D/usr/lib/dyld。

dyld2

在iOS13之前，所有的第三方app都是通过dyld2来启动的主要过程如下：

• 解析Mach-O的Head和Load Commands，找到其依赖的库，并递归找到所有依赖的库
• 加载Mach-O文件
• 进行符号查找
• 绑定和变基
• 运行初始化程序

图示如下：

上面的过程法尚在App启动的时候，包含大量的计算和I/O，因此经过优化之后正式提出了都有了dyld3。

dyld3

dyld3 被分为了三个组件：

• 进程外Mach-O分析器和编译器（out-of-process mach-o parser）
  ​ 由于 dyld 2 存在的问题，dyld3中将采用提前写入把结果数据缓存成文件的方式构成一个 lauch closure（可以理解为缓存文件）。
• 进程内引擎执行launch closure处理（in-process engine）
  ​ 验证”lauch closures“是否正确，映射dylib，执行main函数。此时，它不再需要分析mach-o header和执行符号查找，节省了不少时间。
• launch closure 缓存服务 (launch closure cache)
  ​ 系统程序的 lauch closure 直接内置在 shared cache 中，而对于第三方APP，将在APP安装或更新时生成，这样就能保证 launch closure 总是在 APP 打开之前准备好。

图示如下：