前言
在开发中,我们做的很多事情都是main函数之后的,那main之前Xcode为我们做了哪些事呢?
当我们用Xcode连接真机或者模拟器运行应用程序的的时候,都会有一个生成可执行文件
的过程,称之为编译流程,如下图:
我们这里只做简单介绍,由于内容过多,就不展开了,有兴趣请自行查阅资料,或购买书《程序员的自我修养:链接、装载与库》
-
预编译:Xcode会将我们写的.m .h等文件拿到,处理预编译指令,比如:
删除#define
并展开宏定义
,将#include
包含的文件插入到该指令位置
等 -
编译:对预编译处理过的文件进行
词法分析
、语法分析
、语义分析
,并进行源代码优化
,生成汇编代码
-
汇编:通过汇编器将
汇编代码
转为机器可以执行
的指令,并生成目标.o文件
-
链接:将
动态库
(.so、.lib、.framework),静态库
(.a、. framework)和所有目标文件进行链接,生成可执行文件
一、dyld的定义
dyld:全称
the dynamic loader
,动态加载器,是苹果操作系统的重要组成部分,在应用程序被编译打包成可执行文件后,交由dyld
负责链接,加载程序
该定义来自官方文档
二、dyld的作用
加载应用程序的可执行文件,并检查可执行文件中的Mach加载命令,以查找应用程序所需的框架和动态库。然后,它将每个框架加载到内存中,并解析可执行文件中的动态符号,以指向动态库中的适当地址。
App启动流程:
三、dyld加载流程
3.1 定位入口函数_dyld_start
- 添加类
GomuPerson
- 实现类方法
load
,并打下断点
- 运行项目拿到堆栈信息:
1. 从左边堆栈栏
中看堆栈信息
2. 在lldb
中用bt命令
打印堆栈信息
- 定位到入口函数
_dyld_start
,并获取到_dyld_start
位于dyld库
- 官网下载源码:dyld750.6
3.2 _dyld_start源码介绍
由于源码会根据架构不同,有不同的现实,这里以arm64
为例
- 找到汇编入口:
__dyld_start:
- 汇编看不懂就看后面的
注释
-
__dyld_start:
会执行到红框处,调用dyldbootstrap
命名空间里面的start
方法
3.2.1 dyldbootstrap源码和其中的start源码介绍
由于代码量过大,请自行查询,这里只介绍主要的一些方法
namespace dyldbootstrap {
//: -- 定义别名Initializer
typedef void (*Initializer)(int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[]);
//: -- 调用dyld的初始化方法
static void runDyldInitializers(int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[])
{
for (const Initializer* p = &inits_start; p < &inits_end; ++p) {
(*p)(argc, argv, envp, apple);
}
}
#endif // DYLD_INITIALIZER_SUPPORT
//: -- 给dyld的数据段关联指针
static void rebaseDyld(const dyld3::MachOLoaded* dyldMH)
{
......
}
//: -- dyld的引导方法
uintptr_t start(const dyld3::MachOLoaded* appsMachHeader, int argc, const char* argv[],
const dyld3::MachOLoaded* dyldsMachHeader, uintptr_t* startGlue)
{
//: -- 发送一个kdebug追踪点表面dyld已经开始引导
dyld3::kdebug_trace_dyld_marker(DBG_DYLD_TIMING_BOOTSTRAP_START, 0, 0, 0, 0);
//: -- 查询设定dyld,dyld滑动之后,必须重新设定
rebaseDyld(dyldsMachHeader);
//: -- 将env指针设置为刚好超出agv数组的末尾
const char** envp = &argv[argc+1];
//: -- 将envp指针设置为刚好超出agv数组的末尾
const char** apple = envp;
while(*apple != NULL) { ++apple; }
++apple;
//: -- 为堆栈设置随机值
__guard_setup(apple);
#if DYLD_INITIALIZER_SUPPORT
//: -- 在dyld中运行所有C ++ initializers
runDyldInitializers(argc, argv, envp, apple);
#endif
//: -- 调用dyld::_main
uintptr_t appsSlide = appsMachHeader->getSlide();
return dyld::_main((macho_header*)appsMachHeader, appsSlide, argc, argv, envp, apple, startGlue);
}
#if TARGET_OS_SIMULATOR
//: -- 模拟器会多调用一次start_sim
uintptr_t start_sim(int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[],
const dyld3::MachOLoaded* mainExecutableMH, const dyld3::MachOLoaded* dyldSimMH, uintptr_t dyldSlide,
const dyld::SyscallHelpers* sc, uintptr_t* startGlue)
{
......
}
#endif
} // end of namespace
- 源码分析得出下一个流程
dyld::_main
调用
3.3 dyld::_main源码介绍
由于dyld::_main
源量太大,但又极为重要,所以我们分步说明主要流程
3.3.1 配置环境变量
//: -- 给imageLoader设置平台id
if (gProcessInfo->version >= 16){...}
//: -- 检测并设置环境变量
checkEnvironmentVariables(envp);
//: -- 如果没有设置环境变量,则为DYLD_FALLBACK_FRAMEWORK_PATH赋默认值
defaultUninitializedFallbackPaths(envp);
....
//: -- 获取CPU架构
getHostInfo(mainExecutableMH, mainExecutableSlide);
3.3.2 共享缓存
//: -- 如果主可执行文件的区域与共享区域重叠,则禁用共享区域
//: -- iOS无法在没有共享区域的情况下运行
checkSharedRegionDisable((dyld3::MachOLoaded*)mainExecutableMH, mainExecutableSlide);
if ( gLinkContext.sharedRegionMode != ImageLoader::kDontUseSharedRegion ) {
#if TARGET_OS_SIMULATOR
//: -- 判断共享缓存是否映射到了共享区域
if ( sSharedCacheOverrideDir)
//: -- 共享缓存
mapSharedCache();
#else
//: -- 共享缓存
mapSharedCache();
#endif
3.3.3 主程序初始化
//: -- 主程序赋值,给主程序初始化ImageLoader
sMainExecutable = instantiateFromLoadedImage(mainExecutableMH, mainExecutableSlide, sExecPath);
- 给主程序变量
sMainExecutable
赋值了一个ImageLoaderMachO
类型的对象
3.3.3.1 instantiateFromLoadedImage源码介绍
static ImageLoaderMachO* instantiateFromLoadedImage(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path)
{
// try mach-o loader
if ( isCompatibleMachO((const uint8_t*)mh, path) ) {
//: -- 实例化对象image接收实例主程序
ImageLoader* image = ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, gLinkContext);
//: -- 添加到sAllImages里面
addImage(image);
return (ImageLoaderMachO*)image;
}
//: -- 抛出异常
throw "main executable not a known format";
}
- 通过
instantiateMainExecutable
方法创建一个ImageLoader
的实例化对象,然后添加到sAllImages
中
3.3.3.2 instantiateMainExecutable源码介绍
ImageLoader* ImageLoaderMachO::instantiateMainExecutable(const macho_header* mh, uintptr_t slide, const char* path, const LinkContext& context)
{
bool compressed;
unsigned int segCount;
unsigned int libCount;
const linkedit_data_command* codeSigCmd;
const encryption_info_command* encryptCmd;
//: -- 获取`Mach-O`类型文件的`Load Command`的相关信息,赋值给`compressed `等对象
sniffLoadCommands(mh, path, false, &compressed, &segCount, &libCount, context, &codeSigCmd, &encryptCmd);
// instantiate concrete class based on content of load commands
if ( compressed )
//: -- 返回压缩过的Mach-O子类
return ImageLoaderMachOCompressed::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, segCount, libCount, context);
else
#if SUPPORT_CLASSIC_MACHO
//: -- 返回普通的Mach-O子类
return ImageLoaderMachOClassic::instantiateMainExecutable(mh, slide, path, segCount, libCount, context);
#else
throw "missing LC_DYLD_INFO load command";
#endif
}
- 为主可执行文件创建映像,返回一个ImageLoader对象
3.3.4 插入动态库
//: -- 插入动态库
//: -- 加载所以DYLD_INSERT_LIBRARIES类型的库
if ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL ) {
for (const char* const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES; *lib != NULL; ++lib)
loadInsertedDylib(*lib);
}
3.3.5 链接主程序
link(sMainExecutable, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
3.3.6 链接动态库
//: -- 链接所有插入的动态库
//: -- 链接主可执行文件后执行此操作,这样插入dylib(例如libSystem),将不会在程序使用的dylib之前
if ( sInsertedDylibCount > 0 ) {
for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
link(image, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
image->setNeverUnloadRecursive();
}
if ( gLinkContext.allowInterposing ) {
//: -- 只有被表示 INSERTED 的库才能插入
//: -- 绑定所有插入的库后再注册插入信息,是为了链接
for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
//: -- 注册插入的image
image->registerInterposing(gLinkContext);
}
}
}
3.3.7 弱符号绑定
//: -- 通知插入的的Image已经被绑定
if ( sInsertedDylibCount > 0 ) {
for(unsigned int i=0; i < sInsertedDylibCount; ++i) {
ImageLoader* image = sAllImages[i+1];
image->recursiveBind(gLinkContext, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true);
}
}
3.3.8 执行初始化方法
//: -- 执行所以初始化程序
initializeMainExecutable();
3.3.8.1 initializeMainExecutable源码介绍
void initializeMainExecutable()
{
//: -- 状态变量,记录已经进入这里
gLinkContext.startedInitializingMainExecutable = true;
//: -- 运行所有的插入的dylib的initializers方法
ImageLoader::InitializerTimingList initializerTimes[allImagesCount()];
initializerTimes[0].count = 0;
const size_t rootCount = sImageRoots.size();
if ( rootCount > 1 ) {
for(size_t i=1; i < rootCount; ++i) {
//: -- 关键方法
sImageRoots[i]->runInitializers(gLinkContext, initializerTimes[0]);
}
}
//: -- 运行主要可执行文件以及他附带的一切的初始化方法
sMainExecutable->runInitializers(gLinkContext, initializerTimes[0]);
//: -- 当此进程退出时,调用cxa_atexit()处理程序所有image加载的的静态终止符
if ( gLibSystemHelpers != NULL )
(*gLibSystemHelpers->cxa_atexit)(&runAllStaticTerminators, NULL, NULL);
// dump info if requested
if ( sEnv.DYLD_PRINT_STATISTICS )
ImageLoader::printStatistics((unsigned int)allImagesCount(), initializerTimes[0]);
if ( sEnv.DYLD_PRINT_STATISTICS_DETAILS )
ImageLoaderMachO::printStatisticsDetails((unsigned int)allImagesCount(), initializerTimes[0]);
}
- 进入
initializeMainExecutable
方法后,循环遍历,为每一个插入的dylib
执行initializers
方法
3.3.8.2 runInitializers源码介绍
void ImageLoader::runInitializers(const LinkContext& context, InitializerTimingList& timingInfo)
{
uint64_t t1 = mach_absolute_time();
mach_port_t thisThread = mach_thread_self();
ImageLoader::UninitedUpwards up;
up.count = 1;
up.imagesAndPaths[0] = { this, this->getPath() };
processInitializers(context, thisThread, timingInfo, up);
context.notifyBatch(dyld_image_state_initialized, false);
mach_port_deallocate(mach_task_self(), thisThread);
uint64_t t2 = mach_absolute_time();
fgTotalInitTime += (t2 - t1);
}
- 调用
runInitializers
后,主要调用processInitializers
方法
3.3.8.3 processInitializers源码介绍
void ImageLoader::processInitializers(const LinkContext& context, mach_port_t thisThread,
InitializerTimingList& timingInfo, ImageLoader::UninitedUpwards& images)
{
uint32_t maxImageCount = context.imageCount()+2;
ImageLoader::UninitedUpwards upsBuffer[maxImageCount];
ImageLoader::UninitedUpwards& ups = upsBuffer[0];
ups.count = 0;
//: -- 在所有images类表中,递归调用init,构建未初始化的向上依赖关系新列表
for (uintptr_t i=0; i < images.count; ++i) {
images.imagesAndPaths[i].first->recursiveInitialization(context, thisThread, images.imagesAndPaths[i].second, timingInfo, ups);
}
//: -- 如果还有向上依赖的,init他们
if ( ups.count > 0 )
processInitializers(context, thisThread, timingInfo, ups);
}
- `processInitializers `函数中,主要是对镜像列表调用`recursiveInitialization `函数进行递归实例化
3.3.8.4 recursiveInitialization源码介绍
void ImageLoader::recursiveInitialization(const LinkContext& context, mach_port_t this_thread, const char* pathToInitialize,
InitializerTimingList& timingInfo, UninitedUpwards& uninitUps)
{
...
//: -- 关键代码
//: -- 通知objc,我们将要初始化此镜像
context.notifySingle(dyld_image_state_dependents_initialized, this, &timingInfo);
//: -- 初始化镜像
bool hasInitializers = this->doInitialization(context);
//: -- 通知所有的关联库,我们已完成此镜像的初始化
context.notifySingle(dyld_image_state_initialized, this, NULL);
...
}
- 初始化镜像之前,我们需要调用
notifySingle
,通知objc
我们即将初始化这个镜像,猜想会在objc
中有回调方法
,需要在初始化之前执行
- 初始化镜像,调用
doInitialization
- 通知所有的关联库,我们已完成此镜像的初始化
3.3.8.5 notifySingle源码介绍
static void notifySingle(dyld_image_states state, const ImageLoader* image, ImageLoader::InitializerTimingList* timingInfo)
{
...
//: -- 关键代码
(*sNotifyObjCInit)(image->getRealPath(), image->machHeader());
...
}
-
sNotifyObjCInit
没有源码实现,只有一个赋值操作
-
registerObjCNotifiers
会在_dyld_objc_notify_register
中调用
- 但是
_dyld_objc_notify_register
并没有在dyld
库被调用,它在objc
库中的_objc_init
中被调用
3.3.8.6 _objc_init源码介绍
void _objc_init(void)
{
static bool initialized = false;
if (initialized) return;
initialized = true;
// fixme defer initialization until an objc-using image is found?
environ_init();
tls_init();
static_init();
runtime_init();
exception_init();
cache_init();
_imp_implementationWithBlock_init();
//: -- 进行_dyld_objc_notify_register调用
_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
#if __OBJC2__
didCallDyldNotifyRegister = true;
#endif
}
- 我们确实在
_objc_init
中找到了_dyld_objc_notify_register
函数的调用 -
_objc_init
位于objc
, objc源码 自行下载 -
_objc_init
函数中,对_dyld_objc_notify_register
函数进行了赋值,那我们可以判断出sNotifyObjCInit
的值就是_dyld_objc_notify_register
函数传值的load_images
,所以notifySingle
是一个回调函数
3.3.8.7 load函数加载流程
- 流程比较简单,请自行查找
- 在
objc
源码中,我们从load_images
->call_load_methods
->call_class_loads
->(*load_method)(cls, @selector(load))
- 在
_objc_init
中,在类的加载过程中,的确调用了load
方法 - 那么
_objc_init
又在什么时候调用的呢,进入刚刚预留的一个函数doInitialization
中
3.3.8.8 doInitialization源码介绍
bool ImageLoaderMachO::doInitialization(const LinkContext& context)
{
CRSetCrashLogMessage2(this->getPath());
// mach-o has -init and static initializers
//: -- 初始化Image
doImageInit(context);
//: -- 初始化C++函数
doModInitFunctions(context);
CRSetCrashLogMessage2(NULL);
return (fHasDashInit || fHasInitializers);
}
- 进入
doInitialization
源码后,找到了Image和C++函数的初始化方法 - 进入
doImageInit
,doModInitFunctions
源码
3.3.8.9 doImageInit源码介绍(doModInitFunctions源码类似,这里就不过多赘述)
- 进入
doImageInit
后,是一个递归调用初始化image - 这里依然没有找到
_objc_init
的调用,已经走到路的尽头 - 注意红框处,有一个加了注释的条件,
libSystem initializer must run first
,必须先加载系统库,柳暗花明又一村 - 那我们猜想,
_objc_init
的调用是否在libSystem
库中呢 - 去苹果开源库中搜索发现,
libSystem
没有开源,那怎么办?跳到3.4_objc_init
调用流程查找
3.3.9 寻找主程序入口(main函数)
//: -- 寻找主程序入口
result = (uintptr_t)sMainExecutable->getEntryFromLC_MAIN();
if ( result != 0 ) {
//: -- 主程序使用 LC_MAIN, 我们需要在libdyld中使用helper来调用main()
if ( (gLibSystemHelpers != NULL) && (gLibSystemHelpers->version >= 9) )
*startGlue = (uintptr_t)gLibSystemHelpers->startGlueToCallExit;
else
halt("libdyld.dylib support not present for LC_MAIN");
}
else {
//: -- 主可执行文件使用LC_UNIXTHREAD,dyld需要在为main()设置的程序中让“启动”
result = (uintptr_t)sMainExecutable->getEntryFromLC_UNIXTHREAD();
*startGlue = 0;
//: -- 通知进入主函数
notifyMonitoringDyldMain()
}
- 从
Load Command
读取LC_MAIN
入口,如果没有,就读取LC_UNIXTHREAD
,这样就来到了日常开发中熟悉的main函数
了 -
回到汇编也可以看到注释call main(),如下图红框
- 注意:main是写定的函数,写入内存,读取到dyld,如果修改了main函数的名称,会报错
3.4 _objc_init
调用流程
libSystem
没有开源,那怎么办?既然是探究的_objc_init
,那我们索性就下个_objc_init
的符号断点,一探究竟
- 经过符号断点发现,
libSystem
会调用libdispatch
库中的libdispatch_init
- 下载libdispatch源码
3.4.1 libdispatch_init源码查看
libdispatch_init(void)
{
...省略无关代码
_os_object_init();
...
}
-
libdispatch_init
中调用了_os_object_init()
3.4.2 _os_object_init源码查看
-
_os_object_init
中调用了_objc_init
,形成了闭环
四、总结
dyld 流程总结:
_dyld_start
->dyldbootstrap::start
->dyld::_main
->dyld::initializeMainExecutable
->ImageLoader::runInitializers
->ImageLoader::processInitializers
->ImageLoader::recursiveInitialization
->doInitialization
->libSystem_initializer(libSystem.B.dylib)
->libdispatch_init(libdispatch.dylib)
->_os_object_init(libdispatch.dylib)
->_objc_init(libobjc.A.dylib)
dyld流程图:
五、拓展知识
静态库和动态库
库:是资源文件和代码编译的集合
静态库:在编译时,完整的拷贝至可执行文件中,被多次使用就有多次冗余拷贝
动态库:程序运行时由系统动态加载到内存,而不是复制,供程序调用。系统只加载一次,多个程序共用,节省内存。因此,编译内容更小,而且因为动态库是需要时才被引用,所以更快。
动态库静态库对比:
- 系统的库基本上都是动态库
- 使用场景:如果你有很多文件,静态库的多个副本意味着可执行文件的大小增加,那就建议使用动态库,可以节省时间。如果执行时间的好处超过节省空间的需要,那么静态库就是最佳选择。