ios底层原理：dyld与objc的关联分析

_objc_init源码解析

首先，我们先来看下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_HRLP = 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配合源码进行说明：

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

源码如下所示，其中关键代码是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);
        }
    }
}

打印结果如下

for循环打印

环境变量的设置

Product -> Scheme -> Edit Scheme

以OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA为例，将其设置为YES，如下图所示

环境变量配置

tls_init

关于线程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
}

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_init

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]();
    }
}

runtime_init

runtime运行时环境初始化，里面操作是unattachedCategories、allocatedClasses（表的初始化）

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

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

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

void exception_init(void)
{
    old_terminate = std::set_terminate(&_objc_terminate);
}

cache_init

cache缓存初始化

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
}

_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libobjc-trampolines.dylib

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
}

_dyld_objc_notify_register

dyld的注册

//
// 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

我们知道load_images是在notifySingle方法中，通过sNotifyObjCInit调用的，如下所示

sNotifyObjCInit调用

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

registerObjCNotifiers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

结论

结合dyld加载流程，dyld与Objc的关联如下图所示

dyld与Objc关联

• 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

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