iOS 编译过程

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一、相关概念

1.编译器

编译器就是将“一种语言（通常为高级语言）”翻译为“另一种语言（通常为低级语言）”的程序。
一个现代编译器的主要工作流程：源代码 (source code) → 预处理器(preprocessor) → 编译器 (compiler) → 目标代码 (object code)→ 链接器(Linker) → 可执行程序

2.传统编译器的设计

编译器前端(Frontend)
任务是解析源代码。词法分析、语法分析、语义分析、检查源代码是否存在错误、构建抽象语法树AST(Abstract Syntax Tree)。
如果是LLVM前端(Clang/Swift)还会生成中间代码(intermediate representation)。
优化器(Optimizer)
各种优化。改善代码运行时间，例如消除冗余计算等。（类似Xcode里设置编译优化等级）
后端(Backend)/代码生成器(CodeGenerator)
将代码映射到目标指令集，生成机器语言，并进行机器相关代码优化。
(64位arm的指令集就是arm64，64位x86的指令集就是x86_64)

ps：传统编译器的前端优化器后端都属一个整体。它能适配的源语言与CPU能识别的二进制数据很有限。

二、了解LLVM

1.LLVM概述

LLVM是架构编译器(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(compiler-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。
LLVM已经被Apple、Microsoft、Google、Facebook等各大公司采用。

2.iOS的编译器架构

Objective-C/C/C++使用的编译器前端是Clang，Swift的编译器前端是Swift，它们全部后端是LLVM。

iOS的编译器架构

3.LLVM的架构设计

当编译器决定支持多种源语言或多种硬件架构时，LLVM最重要的地方就来了。其它的编译如GCC，它的方法非常成功，但由于它是作为整体应用程序设计的，因此它们的用途受到了很大的限制。

LLVM设计的最重要的方面是，使用通用的代码表示形式(IR)，它是用来在编译器中表示代码的形式。所以LLVM可以作为任何编译语言独立编写前端，并且可以为任意硬件框架独立编写后端。

LLVM的架构设计

适配不同的语言只需要开发与之对应的编译器前端，通过源代码生成IR；
适配不同的cpu架构只需要开发与之对应的编译器后端，通过IR输出成可执行文件。

注意：生成出来的IR代码都是一样的语法形式。

4.了解Clang

Clang是LLVM项目中的一个子项目。它是基于LLVM架构的轻量级编译器，诞生之初是为了替代GCC，提供更快的编译速度。它负责C、C++、Objective-C语言的编译器，它属于整个LLVM框架中的编译器前端。

二、编译流程

首先看看源文件: main.m

#import 
typedef int My_int; // 别名语法
#define A 10

int main(int argc, const char * argv[]) {
    My_int b = 15;
    printf("%d",A + 20); // A是宏定义
    return 0;
}

通过命令打印源代码的编译阶段

$ cd 源代码main.m的目录
$ clang -ccc-print-phases main.m

               +- 0: input, "main.m", objective-c  // 读取objective-c代码
            +- 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output  // 预处理阶段：删除注释；替换宏定义；展开头文件等
         +- 2: compiler, {1}, ir // 编译阶段：词法分析；语法分析；语义分析；检查源代码是否正确；生成IR代码
      +- 3: backend, {2}, assembler // 编译后端：每个Pass优化，最终生成汇编代码
   +- 4: assembler, {3}, object // 生成目标文件.o
+- 5: linker, {4}, image // 静态链接：链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image // 校验不同架构，生成对应的可执行文件

编译流程解释：
0 - 输入文件：找到源文件。
1 - 预处理阶段：删除注释、替换宏定义、导入头文件。
2 - 编译阶段：词法分析、语法分析、语义分析、检查源代码是否正确、生成IR代码 .ll 。
3 - 编译后端：LLVM会通过一个个Pass去优化每个Pass做的事，最终生成汇编代码 .s 。
4 - 执行汇编程序：生成目标文件 .o 。
5 - 静态链接阶段：链接需要的动态库和静态库，所有.o黏合最后生成可执行文件。
6 - 根据不同的cpu架构去生成对应的可执行文件 exec 。

接下来了解一下编译的各个阶段。

1.预处理阶段

执行这条命令，可以看到：删除注释、替换宏定义、导入头文件

$ clang -E main.m

预处理阶段主要处理以 #号开头的预处理命令。

2.编译阶段

a. 词法分析

$ clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

把代码切成一个个Token，比如大小括号、等于号、字符串、类型、关键字... 等等。

这就是为什么我们在源代码里多打空格也没有关系，它不会切空格。

b. 语法分析

任务是检验语法是否正确。

$ clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

在词法分析的基础上将单词序列组合各类语法短语 (如程序/语句/表达式等等)，然后将所有节点组成抽象语法树 AST(Abstract Syntax Tree)

抽象语法树

main.m修改一段错误的代码（多加了一个括号）进行词法分析

#import 
typedef int My_int;
#define A 10

int main(int argc, const char * argv[]) {
    My_int b = 15;
    printf("%d",A + 20)); 
    return 0;
}

报错和Xcode上提示一毛一样

如果导入头文件找不到，那么可以指定SDK

$ clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.2.sdk (自动的SDK路径) -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

这个过程包含了语义分析。

c. 语义分析

在语法分析的时候会结合代码的规则去进行语义分析。

d. 生成IR中间代码 (intermediate representation)

完成abc步骤后，开始生成中间代码IR。代码生成器(Code Generation)会讲语法树自上而下遍历逐步翻译成LLVM IR。

把main.m的代码修改一下

#import 

int my_add(int a, int b) {
    return a+b;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    printf("%d",my_add(2,3));
    return 0;
}

通过下面命令生成.ll的文本文件:

$ clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

main.ll优化前

Objective-C代码会在这一步进行runtime桥接：@property合成、ARC处理..等等。

IR的基本语法：
@ 全局标识
% 局部标识
alloca 开辟空间
align 内存对齐
i32 32个bit位 / 4字节
store 写入内存
load 读取数据
call 调用函数
ret 返回

IR代码的优化：
LLVM的优化等级分别是 -O0、-O1、-O2、-O3、-Os

$ clang -Os -S  -fobjc-arc  -emit-llvm main.m -o main.ll

main.ll优化后

注意：不管是什么语言，OC也好Swift也罢，翻译出来的IR代码都是一样的形式。然后再通过编译器后端根据不同的cpu框架去生成对应的可执行文件。

bitcode是什么

Xcode7 以后开启bitcode后，苹果会做进一步优化。生成.bc的中间代码。
可以理解成.bc是.ll的另一种表现形式，只是做了进一步优化，它和IR一样都会根据不同cpu架构去生成对应的汇编代码。

通过优化后的IR代码生成.bc代码

$ clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

e. 生成汇编代码 .s

通过最终的.ll代码或者.bc代码生成汇编代码.s

$ clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
$ clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s

生成汇编代码也可以优化:

$ clang -Os -S  -fobjc-arc  main.m -o main.s

f. 生成目标文件 .o

通过汇编代码.s作为输入转换为机器代码，最后输出目标文件 .o

$ clang -fmodules -c main.s -o main.o

查看.o文件中的符号

$ xcrun nm -nm main.o

g. 静态链接 - 生成可执行文件 exec

静态链接器把编译产生的.o文件和.a文件(一堆.o)，生成一个mach-o文件

$ clang main.o -o main

查看链接后的符号

$ xcrun nm -nm main

静态链接重点：
在编译的静态链接过程中，静态链接器会对于一些外部的符号进行标记该符号属于哪个库的，再生成可执行文件。
在程序启动进行加载可执行文件时，通过dyly动态链接器进行rebase和bind对外部符号进行动态绑定函数实现地址。

比如(undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem) 外部符号是dyld_stub_binder标记在libSystem动态库里。

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