[iOS] dyld和 objc 的关联

1._objc_init源码分析

首先，我们直接取objc 源码中找_objc_init的源码，如下：

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
}

1.1 environ_init：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：
-for循环之前的判断条件去掉

image.jpeg

image.png

• 通过export OBJC_HELP = 1，打印环境变量

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：

• 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 isa

• OBJC_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。

1.1.1 环境变量 - OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA

以OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA为例，将其设置为YES，如下所示：

image.jpeg

• 未设置OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA之前，isa地址的二进制打印，末尾为 1：
  

  image.jpeg

• 设置OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA环境变量之后，末尾变成了 0：
  

  image.jpeg

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。

1.1.2 环境变量 - OBJC_PRINT_LOAD_METHODS

• 配置环境变量OBJC_PRINT_LOAD_METHODS，设置为YES
• 在LGPerson类中重写+load函数，运行之后，打印如下:
  
  image.jpeg
  
  所以，OBJC_PRINT_LOAD_METHODS可以监控所有的+load方法，从而处理启动优化。

1.2tls_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
}

1.3 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]();
    }
}

1.4runtime_init：运行时环境初始化

这个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

void runtime_init(void)
{
    objc::unattachedCategories.init(32);
    objc::allocatedClasses.init(); //初始化 -- 开辟的类的表
}

1.5exception_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
• 其他进程
• 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：

image.png

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。

1.6cache_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
}

1.7_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
}

1.8_dyld_objc_notify_register: dyld注册

这个方法的源码实现在dyld源码中，下面是_dyld_objc_notify_register这个方法的声明：

//
// 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);

从注释中可以看出：

• 仅供objc运行时使用
• 注册处理程序，以便于在镜像映射、取消镜像映射和初始化objc 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
  -upmap_image:
  dyld将image移除时，会触发该函数

2. dyld 和objc 的关联

其方法的源码实现和调用如下，即dyld 和Objc的关联可以通过源码提现：

===> libobjc源码中--调用
_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);



===> 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);
}

从上可以得出：

• mapped 等价于map_images
  -init等价于 load_images
• unmapped 等价于 unmap_image

在之前 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：

image.jpeg

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 个回调函数：

image.png

所以有下面等价关系：

• sNotifyObjCMapped == mapped == map_images
• sNotifyObjCInit == init == load_images
• sNotifyObjCUnmapped == unmapped == unmap_image
  
  image.jpeg

关于load_images的调用时机已经在 dyld加载过程中讲过了，下面以map_images为例，看看其调用时机

• dyld中全局搜索 sNotifyObjcMapped ：registerObjCNotifiers -- notifyBatchPartial -- sNotifyObjCMapped
  

  image.png

• 全局搜索notifyBatchPartial，在registerObjCNotifiers 方法中调用
  

  image.jpeg

所以有以下结论：map_images是先于load_images调用，即先map_images ，再load_images。

3. 总结

结合 dyld 加载流程，dyld 与 Objc 的关联如下图所示：

image.png

4. 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