iOS 底层原理 文章汇总
本文的主要目的是理解dyld与objc是如何关联的
在上一篇文章iOS-底层原理 15：dyld加载流程
中，我们梳理了dyld的加载流程，下面来详细介绍下dyld和objc的关联
_objc_init 源码解析
首先，来看下libObjc中的_objc_init方法源码
void _objc_init(void)
{
static bool initialized = false;
if (initialized) return;
initialized = true;
// fixme defer initialization until an objc-using image is found?
//读取影响运行时的环境变量，如果需要，还可以打开环境变量帮助 export OBJC_HELP = 1
environ_init();
//关于线程key的绑定，例如线程数据的析构函数
tls_init();
//运行C++静态构造函数，在dyld调用我们的静态析构函数之前，libc会调用_objc_init(),因此我们必须自己做
static_init();
//runtime运行时环境初始化，里面主要是unattachedCategories、allocatedClasses -- 分类初始化
runtime_init();
//初始化libobjc的异常处理系统
exception_init();
//缓存条件初始化
cache_init();
//启动回调机制，通常这不会做什么，因为所有的初始化都是惰性的，但是对于某些进程，我们会迫不及待地加载trampolines dylib
_imp_implementationWithBlock_init();
/*
_dyld_objc_notify_register -- dyld 注册的地方
- 仅供objc运行时使用
- 注册处理程序，以便在映射、取消映射 和初始化objc镜像文件时使用，dyld将使用包含objc_image_info的镜像文件数组，回调 mapped 函数
map_images:dyld将image镜像文件加载进内存时，会触发该函数
load_images：dyld初始化image会触发该函数
unmap_image：dyld将image移除时会触发该函数
*/
_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
#if __OBJC2__
didCallDyldNotifyRegister = true;
#endif
}
根据源码所知，主要分为以下几部分：
environ_init：初始化一系列环境变量，并读取影响运行时的环境变量tls_init：关于线程key的绑定static_init：运行C++静态构造函数（只会运行系统级别的构造函数），在dyld调用静态析构函数之前，libc会调用_objc_initruntime_init：runtime运行时环境初始化，里面操作是unattachedCategories、allocatedClasses（表的初始化）exception_init：初始化libObjc的异常处理系统cache_init： cache缓存初始化_imp_implementationWithBlock_init：启动回调机制，通常这不会做什么，因为所有的初始化都是惰性的，但是对于某些进程，我们会迫不及待地加载trampolines dylib_dyld_objc_notify_register： dyld的注册
下面主要针对以上几部分配合源码进行说明
1、environ_init方法：环境变量初始化
environ_init方法的源码如下，其中的关键代码是 for 循环
void environ_init(void)
{
//...省略部分逻辑
if (PrintHelp || PrintOptions) {
//...省略部分逻辑
for (size_t i = 0; i < sizeof(Settings)/sizeof(Settings[0]); i++) {
const option_t *opt = &Settings[i];
if (PrintHelp) _objc_inform("%s: %s", opt->env, opt->help);
if (PrintOptions && *opt->var) _objc_inform("%s is set", opt->env);
}
}
}
有以下两种方式可以打印所有的环境变量
-
将for循环单独拿出来，去除所有条件，打印环境变量
for循环打印 - 通过终端命令
export OBJC_hrlp = 1,打印环境变量
终端打印
这些环境变量，均可以通过target -- Edit Scheme -- Run --Arguments -- Environment Variables配置，其中常用的环境变量主要有以下几个（环境变量汇总见文末！）：
DYLD_PRINT_STATISTICS：设置DYLD_PRINT_STATISTICS为YES，控制台就会打印 App 的加载时长，包括整体加载时长和动态库加载时长，即main函数之前的启动时间（查看pre-main耗时），可以通过设置了解其耗时部分，并对其进行启动优化。OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA：杜绝生成相应的nonpointer isa（nonpointer isa指针地址末尾为1），生成的都是普通的isaOBJC_PRINT_LOAD_METHODS：打印Class及Category的+ (void)load方法的调用信息NSDoubleLocalizedStrings：项目做国际化本地化(Localized)的时候是一个挺耗时的工作，想要检测国际化翻译好的语言文字UI会变成什么样子，可以指定这个启动项。可以设置NSDoubleLocalizedStrings为YES。NSShowNonLocalizedStrings：在完成国际化的时候，偶尔会有一些字符串没有做本地化，这时就可以设置NSShowNonLocalizedStrings为YES，所有没有被本地化的字符串全都会变成大写。
环境变量 - OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA
以OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA为例，将其设置为YES，如下图所示
- 未设置
OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA前， isa地址的二进制打印，末尾为1
未设置OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA - 设置
OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA环境变量后，末尾变成了0
设置OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA
所以OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA可以控制isa优化开关，从而优化整个内存结构
环境变量 - OBJC_PRINT_LOAD_METHODS
- 配置
打印load方法的环境变量OBJC_PRINT_LOAD_METHODS，设置为YES - 在
LGPerson类中重写+load函数，运行程序，load函数的打印如下
添加load
所以，OBJC_PRINT_LOAD_METHODS可以监控所有的+load方法，从而处理启动优化（后续会总结下启动优化方法）
2、tls_init：线程key的绑定
主要是本地线程池的初始化以及析构，源码如下
void tls_init(void)
{
#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS//本地线程池，用来进行处理
pthread_key_init_np(TLS_DIRECT_KEY, &_objc_pthread_destroyspecific);//初始init
#else
_objc_pthread_key = tls_create(&_objc_pthread_destroyspecific);//析构
#endif
}
3、static_init：运行系统级别的C++静态构造函数
主要是运行系统级别的C++静态构造函数，在dyld调用我们的静态构造函数之前，libc调用_objc_init方法，即系统级别的C++构造函数 先于 自定义的C++构造函数 运行
static void static_init()
{
size_t count;
auto inits = getLibobjcInitializers(&_mh_dylib_header, &count);
for (size_t i = 0; i < count; i++) {
inits[i]();
}
}
4、runtime_init：运行时环境初始化
主要是运行时的初始化，主要分为两部分：分类初始化、类的表初始化（后续会详细讲解对应的函数）
void runtime_init(void)
{
objc::unattachedCategories.init(32);
objc::allocatedClasses.init(); //初始化 -- 开辟的类的表
}
5、exception_init：初始化libobjc的异常处理系统
主要是初始化libobjc的异常处理系统，注册异常处理的回调，从而监控异常的处理，源码如下
void exception_init(void)
{
old_terminate = std::set_terminate(&_objc_terminate);
}
- 当有
crash（crash是指系统发生的不允许的一些指令，然后系统给的一些信号）发生时，会来到_objc_terminate方法，走到uncaught_handler扔出异常
/***********************************************************************
* _objc_terminate
* Custom std::terminate handler.
*
* The uncaught exception callback is implemented as a std::terminate handler.
* 1. Check if there's an active exception
* 2. If so, check if it's an Objective-C exception
* 3. If so, call our registered callback with the object.
* 4. Finally, call the previous terminate handler.
**********************************************************************/
static void (*old_terminate)(void) = nil;
static void _objc_terminate(void)
{
if (PrintExceptions) {
_objc_inform("EXCEPTIONS: terminating");
}
if (! __cxa_current_exception_type()) {
// No current exception.
(*old_terminate)();
}
else {
// There is a current exception. Check if it's an objc exception.
@try {
__cxa_rethrow();
} @catch (id e) {
// It's an objc object. Call Foundation's handler, if any.
(*uncaught_handler)((id)e);//扔出异常
(*old_terminate)();
} @catch (...) {
// It's not an objc object. Continue to C++ terminate.
(*old_terminate)();
}
}
}
- 搜索
uncaught_handler，在app层会传入一个函数用于处理异常，以便于调用函数，然后回到原有的app层中，如下所示，其中fn即为传入的函数，即uncaught_handler等于fn
objc_uncaught_exception_handler
objc_setUncaughtExceptionHandler(objc_uncaught_exception_handler fn)
{
// fn为设置的异常句柄 传入的函数，为外界给的
objc_uncaught_exception_handler result = uncaught_handler;
uncaught_handler = fn; //赋值
return result;
}
crash分类
crash的主要原因是收到了未处理的信号，主要来源于三个地方：
kernel 内核其他进行App本身
所以相对应的，crash也分为了3种
Mach异常：是指最底层的内核级异常。用户态的开发者可以直接通过Mach API设置thread，task，host的异常端口，来捕获Mach异常。Unix信号：又称BSD 信号，如果开发者没有捕获Mach异常，则会被host层的方法ux_exception()将异常转换为对应的UNIX信号，并通过方法threadsignal()将信号投递到出错线程。可以通过方法signal(x, SignalHandler)来捕获single。NSException 应用级异常：它是未被捕获的Objective-C异常，导致程序向自身发送了SIGABRT信号而崩溃，对于未捕获的Objective-C异常，是可以通过try catch来捕获的，或者通过NSSetUncaughtExceptionHandler()机制来捕获。
针对应用级异常，可以通过注册异常捕获的函数，即NSSetUncaughtExceptionHandler机制,实现线程保活, 收集上传崩溃日志
应用级crash拦截
所以在开发中，会针对crash进行拦截处理，即app代码中给一个异常句柄NSSetUncaughtExceptionHandler，传入一个函数给系统，当异常发生后，调用函数（函数中可以线程保活、收集并上传崩溃日志），然后回到原有的app层中，其本质就是一个回调函数，如下图所示
上述方式只适合收集应用级异常，我们要做的就是用自定义的函数替代该ExceptionHandler即可
6、cache_init：缓存初始化
主要是缓存初始化，源码如下
void cache_init()
{
#if HAVE_TASK_RESTARTABLE_RANGES
mach_msg_type_number_t count = 0;
kern_return_t kr;
while (objc_restartableRanges[count].location) {
count++;
}
//为当前任务注册一组可重新启动的缓存
kr = task_restartable_ranges_register(mach_task_self(),
objc_restartableRanges, count);
if (kr == KERN_SUCCESS) return;
_objc_fatal("task_restartable_ranges_register failed (result 0x%x: %s)",
kr, mach_error_string(kr));
#endif // HAVE_TASK_RESTARTABLE_RANGES
}
7、_imp_implementationWithBlock_init：启动回调机制
该方法主要是启动回调机制，通常这不会做什么，因为所有的初始化都是惰性的，但是对于某些进程，我们会迫不及待地加载libobjc-trampolines.dylib，其源码如下
void
_imp_implementationWithBlock_init(void)
{
#if TARGET_OS_OSX
// Eagerly load libobjc-trampolines.dylib in certain processes. Some
// programs (most notably QtWebEngineProcess used by older versions of
// embedded Chromium) enable a highly restrictive sandbox profile which
// blocks access to that dylib. If anything calls
// imp_implementationWithBlock (as AppKit has started doing) then we'll
// crash trying to load it. Loading it here sets it up before the sandbox
// profile is enabled and blocks it.
// 在某些进程中渴望加载libobjc-trampolines.dylib。一些程序（最著名的是嵌入式Chromium的较早版本使用的QtWebEngineProcess）启用了严格限制的沙箱配置文件，从而阻止了对该dylib的访问。如果有任何调用imp_implementationWithBlock的操作（如AppKit开始执行的操作），那么我们将在尝试加载它时崩溃。将其加载到此处可在启用沙箱配置文件之前对其进行设置并阻止它。
// This fixes EA Origin (rdar://problem/50813789)
// and Steam (rdar://problem/55286131)
if (__progname &&
(strcmp(__progname, "QtWebEngineProcess") == 0 ||
strcmp(__progname, "Steam Helper") == 0)) {
Trampolines.Initialize();
}
#endif
}
8、_dyld_objc_notify_register：dyld注册
_dyld_objc_notify_register方法
这个方法的具体实现在iOS-底层原理 15：dyld加载流程已经有详细说明，其源码实现是在dyld源码中，以下是_dyld_objc_notify_register方法的声明
//
// Note: only for use by objc runtime
// Register handlers to be called when objc images are mapped, unmapped, and initialized.
// Dyld will call back the "mapped" function with an array of images that contain an objc-image-info section.
// Those images that are dylibs will have the ref-counts automatically bumped, so objc will no longer need to
// call dlopen() on them to keep them from being unloaded. During the call to _dyld_objc_notify_register(),
// dyld will call the "mapped" function with already loaded objc images. During any later dlopen() call,
// dyld will also call the "mapped" function. Dyld will call the "init" function when dyld would be called
// initializers in that image. This is when objc calls any +load methods in that image.
//
void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped mapped,
_dyld_objc_notify_init init,
_dyld_objc_notify_unmapped unmapped);
从注释中，可以得出：
仅供
objc运行时使用注册处理程序，以便在映射、取消映射和初始化objc图像时调用dyld将会通过一个包含objc-image-info的镜像文件的数组回调mapped函数
方法中的三个参数分别表示的含义如下：
map_images：dyld将image（镜像文件）加载进内存时，会触发该函数load_image：dyld初始化image会触发该函数unmap_image：dyld将image移除时，会触发该函数
dyld与Objc的关联
其方法的源码实现与调用如下，即dyld与Objc的关联可以通过源码体现
===> dyld源码--具体实现
void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped mapped,
_dyld_objc_notify_init init,
_dyld_objc_notify_unmapped unmapped)
{
dyld::registerObjCNotifiers(mapped, init, unmapped);
}
===> libobjc源码中--调用
_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
从上可以得出
-
mapped等价于map_images -
init等价于load_images -
unmapped等价于unmap_image
在iOS-底层原理 15：dyld加载流程中，我们知道了load_images是在notifySingle方法中，通过sNotifyObjCInit调用的，如下所示
然后通过查找sNotifyObjCInit，最终找到了_dyld_objc_notify_register --> registerObjCNotifiers,在该方法中将_dyld_objc_notify_register传入的参数赋值给了3个回调方法
所以 有以下等价关系
-
sNotifyObjCMapped==mapped==map_images -
sNotifyObjCInit==init==load_images -
sNotifyObjCUnmapped==unmapped==unmap_image
map_images调用时机
关于load_images的调用时机已经在dyld加载流程中讲解过了，下面以map_images为例，看看其调用时机
- dyld中全局搜索
sNotifyObjcMapped：registerObjCNotifiers -- notifyBatchPartial -- sNotifyObjCMapped
sNotifyObjCMapped调用 - 全局搜索
notifyBatchPartial，在registerObjCNotifiers方法中调用
notifyBatchPartial调用
所以有以下结论：map_images是先于load_images调用，即先map_images ，再load_images
dyld与Objc关联
结合dyld加载流程，dyld与Objc的关联如下图所示
在
dyld中注册回调函数，可以理解为添加观察者在objc中
dyld注册，可以理解为发送通知触发回调，可以理解为执行通知selector
附录
环境变量汇总
| 环境变量名 | 说明 |
|---|---|
| OBJC_PRINT_OPTIONS | 输出OBJC已设置的选项 |
| OBJC_PRINT_IMAGES | 输出已load的image信息 |
| OBJC_PRINT_LOAD_METHODS | 打印 Class 及 Category 的 + (void)load 方法的调用信息 |
| OBJC_PRINT_INITIALIZE_METHODS | 打印 Class 的 + (void)initialize 的调用信息 |
| OBJC_PRINT_RESOLVED_METHODS | 打印通过 +resolveClassMethod: 或 +resolveInstanceMethod: 生成的类方法 |
| OBJC_PRINT_CLASS_SETUP | 打印 Class 及 Category 的设置过程 |
| OBJC_PRINT_PROTOCOL_SETUP | 打印 Protocol 的设置过程 |
| OBJC_PRINT_IVAR_SETUP | 打印 Ivar 的设置过程 |
| OBJC_PRINT_VTABLE_SETUP | 打印 vtable 的设置过程 |
| OBJC_PRINT_VTABLE_IMAGES | 打印 vtable 被覆盖的方法 |
| OBJC_PRINT_CACHE_SETUP | 打印方法缓存的设置过程 |
| OBJC_PRINT_FUTURE_CLASSES | 打印从 CFType 无缝转换到 NSObject 将要使用的类（如 CFArrayRef 到 NSArray * ） |
| OBJC_PRINT_GC | 打印一些垃圾回收操作 |
| OBJC_PRINT_PREOPTIMIZATION | 打印 dyld 共享缓存优化前的问候语 |
| OBJC_PRINT_CXX_CTORS | 打印类实例中的 C++ 对象的构造与析构调用 |
| OBJC_PRINT_EXCEPTIONS | 打印异常处理 |
| OBJC_PRINT_EXCEPTION_THROW | 打印所有异常抛出时的 Backtrace |
| OBJC_PRINT_ALT_HANDLERS | 打印 alt 操作异常处理 |
| OBJC_PRINT_REPLACED_METHODS | 打印被 Category 替换的方法 |
| OBJC_PRINT_DEPRECATION_WARNINGS | 打印所有过时的方法调用 |
| OBJC_PRINT_POOL_HIGHWATER | 打印 autoreleasepool 高水位警告 |
| OBJC_PRINT_CUSTOM_RR | 打印含有未优化的自定义 retain/release 方法的类 |
| OBJC_PRINT_CUSTOM_AWZ | 打印含有未优化的自定义 allocWithZone 方法的类 |
| OBJC_PRINT_RAW_ISA | 打印需要访问原始 isa 指针的类 |
| OBJC_DEBUG_UNLOAD | 卸载有不良行为的 Bundle 时打印警告 |
| OBJC_DEBUG_FRAGILE_SUPERCLASSES | 当子类可能被对父类的修改破坏时打印警告 |
| OBJC_DEBUG_FINALIZERS | 警告实现了 -dealloc 却没有实现 -finalize 的类 |
| OBJC_DEBUG_NIL_SYNC | 警告 @synchronized(nil) 调用，这种情况不会加锁 |
| OBJC_DEBUG_NONFRAGILE_IVARS | 打印突发地重新布置 non-fragile ivars 的行为 |
| OBJC_DEBUG_ALT_HANDLERS | 记录更多的 alt 操作错误信息 |
| OBJC_DEBUG_MISSING_POOLS | 警告没有 pool 的情况下使用 autorelease，可能内存泄漏 |
| OBJC_DEBUG_DUPLICATE_CLASSES | 当出现类重名时停机 |
| OBJC_USE_INTERNAL_ZONE | 在一个专用的 malloc 区分配运行时数据 |
| OBJC_DISABLE_GC | 强行关闭自动垃圾回收，即使可执行文件需要垃圾回收 |
| OBJC_DISABLE_VTABLES | 关闭 vtable 分发 |
| OBJC_DISABLE_PREOPTIMIZATION | 关闭 dyld 共享缓存优化前的问候语 |
| OBJC_DISABLE_TAGGED_POINTERS | 关闭 NSNumber 等的 tagged pointer 优化 |
| OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA | 关闭 non-pointer isa 字段的访问 |