APP生成与运行(一)

APP编译过程

Posted by Ted on March 29, 2018

一、编译

汇编

CPU 由上亿个晶体管组成，在运行的时候，单个晶体管只能根据电流的流通或关闭来确认两种状态，我们一般说 0 或 1，根据这种状态，人类创造了二进制，通过二进制编码我们可以表示所有的概念。但是，CPU 依然只能执行二进制代码。我们将一组二进制代码合并成一个指令或符号，创造了汇编语言，汇编语言以一种相对好理解的方式来编写，然后通过汇编过程生成 CPU 可以运行的二进制代码并运行在 CPU 上。

编译

编译器将原始程序（Source program）作为输入，翻译产生使用目标语言（Target language）的等价程序。源代码一般为高阶语言 (High-level language), 如C、C++、C# 、Objective-C、Swift、Java 等，而目标语言则是汇编语言或目标机器的目标代码（Object code），有时也称作机器代码（Machine code）

编译型语言和解释型语言

编译程序是整体编译完了，再一次性执行。 而解释程序是一边解释，一边执行。

编译型语言：C系，java

解释型语言：html、javascript

二、LLVM、Clang

LLVM

LLVM本身并不是编译器，只是一套用于开发编译器、解释器等程序语言相关工具的库，主要聚焦于编译器后端功能，如代码生成、代码优化、JIT等。

LLVM1 an umbrella project that hosts and develops a set of close-knit low-level toolchain components (e.g., assemblers, compilers, debuggers, etc.)

LLVM 是一个涵盖和开发一系列紧密结合的低级工具链组件（例如，汇编器，编译器，调试器等）的综合项目

传统的编译器通常分为三个部分，前端(frontEnd)，优化器(Optimizer)和后端(backEnd)，在编译过程中，前端主要负责词法和语法分析，将源代码转化为抽象语法树；优化器则是在前端的基础上，对得到的中间代码进行优化，使代码更加高效；后端则是将已经优化的中间代码转化为针对各自平台的机器代码。

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Clang

Clang 是一个C、C++、Objective-C和Objective-C++编程语言的编译器前端。它采用了LLVM作为其后端。

Clang是2005年由苹果电脑发起，是LLVM编译器工具集的前端（front-end），目的是输出代码对应的抽象语法树（Abstract Syntax Tree, AST），并将代码编译成LLVM Bitcode。接着在后端（back-end）使用LLVM编译成平台相关的机器语言 。Clang支持C、C++、Objective C。

Clang本身性能优异，其生成的AST所耗用掉的内存仅仅是GCC的20%左右，测试证明Clang编译Objective-C代码时速度为GCC的3倍，还能针对用户发生的编译错误准确地给出建议。

三、iOS中的编译

Objective C采用Clang作为前端，而Swift则采用swift()作为前端，二者LLVM(Low level vritual machine)作为编译器后端。编译过程如下图

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来看看一个文件的编译过程，新建Test.m

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(){
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%@",@"Hello Leo");
    }
    return 0;
}

在终端输入：

clang -ccc-print-phases -framework Foundation test.m -o test

会看到下列的：

0: input, "Foundation", object 
1: input, "test.m", objective-c
2: preprocessor, {1}, objective-c-cpp-output//预处理
3: compiler, {2}, ir //编译生成IR(中间代码)
4: backend, {3}, assembler//汇编器生成汇编代码
5: assembler, {4}, object//生成机器码
6: linker, {0, 5}, image//链接
7: bind-arch, "x86_64", {6}, image//生成Image，也就是最后的可执行文件

编译器前端

编译器前端的任务是进行：语法分析，语义分析，生成中间代码(intermediate representation )。在这个过程中，会进行类型检查，如果发现错误或者警告会标注出来在哪一行。

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编译器优化

LVVM优化器会进行BitCode的生成，链接期优化等等

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编译器后端

LLVM机器码生成器会针对不同的架构，比如arm64等生成不同的机器码

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四、Xcode执行Build的流程

  • 编译信息写入辅助文件，创建编译后的文件架构(name.app)

  • 写入辅助文件：将项目的文件结构对应表、将要执行的脚本、项目依赖库的文件结构对应表写成文件，方便后面使用

  • 运行预设脚本：Cocoapods 会预设一些脚本，当然你也可以自己预设一些脚本来运行。这些脚本都在 Build Phases 中可以看到；

  • 编译文件：针对每一个文件进行编译，生成可执行文件 Mach-O，这过程 LLVM 的完整流程，前端、优化器、后端；使用CompileC和clang命令。

    CompileC ClassName.o ClassName.m normal x86_64 objective-c com.apple.compilers.llvm.clang.1_0.compiler
export LANG=en_US.US-ASCII
export PATH="..."
clang -x objective-c -arch x86_64 -fmessage-length=0 -fobjc-arc... -Wno-missing-field-initializers ... -DDEBUG=1 ... -isysroot iPhoneSimulator10.1.sdk -fasm-blocks ... -I 上文提到的文件 -F 所需要的Framework  -iquote 所需要的Framework  ... -c ClassName.c -o ClassName.o

    clang是实际的编译命令
-x      objective-c 指定了编译的语言
-arch   x86_64制定了编译的架构，类似还有arm7等
-fobjc-arc 一些列-f开头的，指定了采用arc等信息。这个也就是为什么你可以对单独的一个.m文件采用非ARC编程。
-Wno-missing-field-initializers 一系列以-W开头的，指的是编译的警告选项，通过这些你可以定制化编译选项
-DDEBUG=1 一些列-D开头的，指的是预编译宏，通过这些宏可以实现条件编译
-iPhoneSimulator10.1.sdk 制定了编译采用的iOS SDK版本
-I 把编译信息写入指定的辅助文件
-F 链接所需要的Framework
-c ClassName.c 编译文件
-o ClassName.o 编译产物

  • 链接库，例如Foundation.framework,AFNetworking.framework…

  • 拷贝资源文件：将项目中的资源文件拷贝到目标包；

  • 编译 storyboard 文件：storyboard 文件也是会被编译的；

  • 链接 storyboard 文件：将编译后的 storyboard 文件链接成一个文件；

  • 编译 Asset 文件：我们的图片如果使用 Assets.xcassets 来管理图片，那么这些图片将会被编译成机器码，除了 icon 和 launchImage；

  • 运行 Cocoapods 脚本：将在编译项目之前已经编译好的依赖库和相关资源拷贝到包中。

  • 创建.app文件和对其签名

dSYM 文件

我们在每次编译过后，都会生成一个dsym文件。dsym文件中，存储了16进制的函数地址映射。

在App实际执行的二进制文件中，是通过地址来调用方法的。在App crash的时候，第三方工具（Fabric,友盟等）会帮我们抓到崩溃的调用栈，调用栈里会包含crash地址的调用信息。然后，通过dSYM文件，我们就可以由地址映射到具体的函数位置。

五、提高项目Build速度

查看编译时间

我们需要一个途径，能够看到编译的时间，这样才能有个对比，知道我们的优化究竟有没有效果。 对于XCode 8，关闭XCode，终端输入以下指令

$ defaults write com.apple.dt.Xcode ShowBuildOperationDuration YES

代码优化-forward declaration

@class CLASSNAME，而不是#import CLASSNAME.h。这样，编译器能大大提高#import的替换速度。

对常用工具类打包

打包成Framework或者静态库，这样编译的时候这部分代码就不需要重新编译了。

常用头文件放到预编译文件里

XCode的pch文件是预编译文件，这里的内容在执行XCode build之前就已经被预编译，并且引入到每一个.m文件里了。

编译器选项优化

Debug模式下，不生成dsym文件

上文提到了，dysm文件里存储了调试信息，在Debug模式下，我们可以借助XCode和LLDB进行调试。所以，不需要生成额外的dsym文件来降低编译速度。

Debug开启Build Active Architecture Only

在XCode -> Build Settings -> Build Active Architecture Only 改为YES。这样做，可以只编译当前的版本，比如arm7/arm64等等，记得只开启Debug模式。这个选项在高版本的XCode中自动开启了。

Debug模式下，关闭编译器优化

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