iOS全解15： iOS编译原理

iOS全解8：启动优化、性能优化、App后台保活、崩溃检测

内容目录

1、 基础解释
2、 iOS 设备的CPU架构
3、 ARM处理器指令集
4、 i386｜x86_64 指令集
5、 Xcode中指令集
6、 编译器 LLVM、解释器

一般可以将编程语言分为两种，

wiki：编译语言、直译式语言
百度：编译型语言（编译器处理）、直译语言（解释器处理）

解释器：是在运行时才去解析代码，获取一段代码后就会将其翻译成目标代码（就是字节码：Bytecode），然后一句一句地执行目标代码。解释器可以在运行时去执行代码，说明它具有动态性，程序运行后能够随时通过增加和更新代码来改变程序的逻辑。

编译器：把一种编程语言(原始语言)转换为另一种编程语言(目标语言)，编译生成一份完整的机器码再去执行。

大多数编译器由两部分组成：前端和后端。

• 前端：负责词法分析，语法分析，生成中间代码；
• 后端：以中间代码作为输入，进行行架构无关的代码优化，接着针对不同架构生成不同的机器码。

前端/后端 依赖统一格式的 中间代码(IR)，使得前后端可以独立的变化。新增一门语言只需要修改前端，而新增一个CPU架构只需要修改后端即可。

Objective C/C/C++使用的编译器前端是clang，swift是swift，后端都是LLVM。

1、基础解释：

程序编译一般需经几个步骤：预处理、编译、汇编、链接。

编译：是将将人类可读的程序代码文本 --> 翻译成为 --> 计算机可以执行的二进制指令机器码。即：源程序 --> 目标程序

编译器前端 Clang：预处理 --> 词法分析 --> 语法分析 --> 生成IR（Clang Code Generator）

编译器后端 LLVM：对IR优化 --> 目标代码--> 汇编器 --> 机器码（LLVM Code Generator）--> 链接 --> Mac-O文件

可执行文件：

(executable file) 指的是可以由操作系统进行加载执行的文件。在不同的操作系统环境下，可执行程序的呈现方式不一样。在windows操作系统下，可执行程序可以是 .exe文件 .sys文件 .com等类型文件。

可执行程序：

（executable program，EXE File）是可在操作系统存储空间中浮动定位的二进制可执行程序。它可以加载到内存中，由操作系统加载并执行。特定的CPU指令集（如X86指令集）对应的不同平台之间的可执行程序不可直接移植运行。

2、iOS 设备的CPU架构

2.1、在模拟器上支持:

模拟器32位处理器 iPhone4s-5： i386 架构
模拟器64位处理器 iPhone5s-8 Plus：x86_64 架构
（ios模拟器没有arm指令集）

2.2、在真机设备上支持:

真机32位处理器：armv7、armv7s
真机64位处理器：arm64
armv6： iPhone、iPhone 2、iPhone 3G、iPod Touch(第一代)、iPod Touch(第二代)
armv7： iPhone 3Gs、iPhone 4、iPhone 4s、iPad、iPad 2
armv7s：iPhone 5、iPhone 5c (静态库只要支持了armv7,就可以在armv7s的架构上运行)
arm64： iPhone 5s、iPhone 6、iPhone 6 Plus、iPhone 6s、iPhone 6s Plus、iPad Air、iPad Air2、iPad mini2、iPad mini3

3、ARM处理器指令集

几乎所有手机处理器都基于ARM处理器的,ARM处理器特点是体积小、低功耗、低成本、高性能，所以在嵌入式系统中应用广泛
armv6｜armv7｜armv7s｜arm64都是ARM处理器的指令集
这些指令集都是向下兼容的

4、i386｜x86_64 指令集：i386和x86_64 是Mac处理器的指令集

• i386是针对intel通用微处理器32位处理器的
• x86_64是针对x86架构的64位处理器
  所以当使用iOS模拟器的时候会遇到i386｜x86_64（ios模拟器没有arm指令集）

命令查看静态库支持的架构：

通过 lipo -info - 》 拖入模拟器或者真机.framework的路径 查看静态库支持的架构（以下是终端命令）
$ lipo -info - .framework的路径

5、Xcode中指令集（相关选项Build Setting中设置）

•   Architectures（架构）
•   Valid Architectures（有效架构）
•   Build Active Architecture Only（只构建活动架构）

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5.1. Architectures（架构）

指定工程被编译成支持哪些指令集类型.
支持的指令集越多，就会编译出很多个指令集代码的数据包，对应生成二进制包就越大，也就是ipa包越大。
所以现在支持 iPhone5 以上，只需要 arm64 就行了，armv6｜armv7｜armv7s 这三个都可以干掉了。

5.2. Valid Architectures（有效架构）

限制可能被支持指令集的范围.
xcode编译出来的二进制包类型最终从这些类型产生，而编译出哪些指令集的包，将由Architectures与Valid Architectures这些交集来确定,面会举例说明.

5.3. Build Active Architecture Only（只构建活动架构）

指定只对当前连接设备所支持的指令集编译。
当设置为YES时是为了debug编译的速度更快，它只会编译当前的architecture版本。
当设置为NO时，会编译所有的版本，所以一般debug设置为YES，release设置为NO以适应不同设备。

6. 编译器 LLVM

2000年，伊利诺伊大学厄巴纳－香槟分校（简称UIUC）这所享有世界声望的一流公立研究型大学的 Chris Lattner（他的 twitter @clattner_llvm ） 开发了一个叫作 Low Level Virtual Machine 的编译器开发工具套件，后来涉及范围越来越大，可以用于常规编译器，JIT编译器，汇编器，调试器，静态分析工具等一系列跟编程语言相关的工作，于是就把简称 LLVM 这个简称作为了正式的名字。Chris Lattner 后来又开发了 Clang，使得 LLVM 直接挑战 GCC 的地位。2012年，LLVM 获得美国计算机学会 ACM 的软件系统大奖，和 UNIX，WWW，TCP/IP，Tex，JAVA 等齐名。
Chris Lattner 生于 1978 年，2005年加入苹果，将苹果使用的 GCC 全面转为 LLVM。2010年开始主导开发 Swift 语言。

LLVM是构架编译器(compiler)的框架系统，以C++编写而成，用于优化以任意程序语言编写的程序的编译时间(compile-time)、链接时间(link-time)、运行时间(run-time)以及空闲时间(idle-time)，对开发者保持开放，并兼容已有脚本。

LLVM计划启动于2000年，最初由美国UIUC大学的Chris Lattner博士主持开展。2006年Chris Lattner加盟Apple Inc.并致力于LLVM在Apple开发体系中的应用。Apple也是LLVM计划的主要资助者。

目前LLVM已经被苹果IOS开发工具、Xilinx Vivado、Facebook、Google等各大公司采用。

LLVM是一个模块化和可重用的编译器和工具链技术的集合，Clang 是 LLVM 的子项目，是 C，C++ 和 Objective-C 编译器，目的是提供惊人的快速编译，比 GCC 快3倍，其中的 Clang Static Analyzer 主要是进行语法分析，语义分析和生成中间代码，当然这个过程会对代码进行检查，出错的和需要警告的会标注出来。LLVM 核心库提供一个优化器，对流行的 CPU 做代码生成支持。lld 是 Clang / LLVM 的内置链接器，clang 必须调用链接器来产生可执行文件。

引用：两篇入门文章 Blogs 还有一个关于代码规范的插件
1、LLVM & Clang 入门
2、Clang Plugin 之 Debug
其他
iOS 性能优化总结
iOS 持续交付之 Fastlane

iOS编译

在苹果公司使用的编译器是 LLVM，相比于 Xcode 5 版本前使用的 GCC，编译速度提高了 3 倍。同时，苹果公司也反过来主导了 LLVM 的发展，让 LLVM 可以针对苹果公司的硬件进行更多的优化。

总结来说，LLVM 是编译器工具链技术的一个集合。而其中的 lld 项目，就是内置链接器。编译器会对每个文件进行编译，生成 Mach-O（可执行文件）；链接器会将项目中的多个 Mach-O 文件合并成一个。

LLVM 的编译过程非常复杂。如果你有兴趣的话，可以通过官方手册查看完整的编译过程。

总结下编译的几个主要过程：

• 首先，你写好代码后，LLVM 会预处理你的代码，比如把宏嵌入到对应的位置。
• 预处理完后，LLVM 会对代码进行词法分析和语法分析，生成 AST 。AST 是抽象语法树，结构上比代码更精简，遍历起来更快，所以使用 AST 能够更快速地进行静态检查，同时还能更快地生成 IR（中间表示）。
• 最后 AST 会生成 IR，IR 是一种更接近机器码的语言，区别在于和平台无关，通过 IR 可以生成多份适合不同平台的机器码。对于 iOS 系统，IR 生成的可执行文件就是 Mach-O。

编译器：每个文件进行编译 -> Mach-O（可执行文件）
链接器：项目中的多个 Mach-O 文件 -> 合并成一个

编译的主要过程：
Source Code --> AST --> IR --> （机器码：指令集）armv7/64/x86 CUP的指令集（Mach-O文件）

源码、抽象语法树、中间表示语言

引用：资源链接

• Clang
• LLVM
• iOS编译：从命令行运行分析器
• 检查项
• Clang常见的误报问题及处理方法
• Clang静态分析器：Clang Static Analyzer
• 开源地址
• GNU

参考内容：
深入浅出iOS编译
iOS编译过程的原理和应用
iOS汇编快速入门上篇