iOS开发进阶四：静态库

静态库原理

• .a：静态库
• .framework：既有静态库也有动态库
• .dylib：传统意义上的动态库
• .xcframework：2019年苹果推出的用于解决不同架构的库导致的开发问题

Framework 实际上是一种打包方式，将库的二进制文件，头文件和有关的资源文件打包到一起，方便管理和分发。

Framework和系统的UlKit.Framework还是有很大区别。系统的Framework不需要拷贝到目标程序中，我们自己做出来的Framework哪怕是动态的，最后也还是要拷贝到App中(App和Extension的Bundle是共享的)，因此苹果又把这种Framework称为Embedded Framework。

使用场景

• 某些代码需要给别⼈使⽤，但是我们不希望别⼈看到源码，就需要以库的形式进⾏封装，只暴露出头⽂件。
• 对于某些不会进⾏⼤改动的代码，我们想减少编译的时间，就可以把它打包成库。因为库是已经编译好的⼆进制，编译的时候只需要Link⼀下，不会浪费编译时间。

库(Library)就是一段编译好的二进制代码，加上头文件就可以供别人使用。库(Library)在使⽤的时候需要链接（Link），链接的⽅式有两种：静态和动态。静态库即静态链接库：可以简单的看成⼀组⽬标⽂件（.o文件）的集合。即很多⽬标⽂件经过压缩打包后形成的⽂件。

链接静态库

在测试项目，包含有静态库libAFNetworking.a和使用AFNetworking的头文件。

链接静态库代码准备.png

静态库.a是什么格式？

使用file命令，查看一个文件的具体格式。

chenshuangchao@chenshuhaodeMBP ~ % file /Users/chenshuangchao/Desktop/链接 静态库AFNetworking/AFNetworking/libAFNetworking.a
/Users/chenshuangchao/Desktop/链接静态库AFNetworking/AFNetworking/libAFNetworking.a: current ar archive

• executable 表示可执行的;
• a.out为可执行文件;
• shared object表示动态链接库；
• relocatable表示可重定位，即目标文件；
• current ar archive表示静态链接库。

archive是文档的意思；也就是我们常说的静态库是目标文件.O的合集。

怎么验证静态库是目标文件.O的合集？可以使用ar指令。

ar -t /Users/chenshuangchao/Desktop/链接静态库AFNetworking/AFNetworking/libAFNetworking.a 

通过ar指令查看.a文件的合集.png

验证了静态库是目标文件.O的合集。

整个编译过程先是把源文件编译生成目标文件(.o)，再通过链接器生成可执行文件或者动态库。

1、查看clang命令

需要用到clang，那我们先了解一下clang是什么，在终端输入man clang。

man指令查看Clang的作用.png

clang是C、C++、Objective-C的编译器。它也是一个工具的合集，包含了预处理、解析、优化、代码生成、汇编化、链接。

2、使用clang命令，将.m文件编译成.o文件。

使用了AFNetworking的情况下，需要将AFN的头文件加载到编译命令中，库文件在编译时不需要，在链接时会根据头文件中的重定位符号表，去找到库文件中具体的符号。

clang -x objective-c -target x86_64-apple-macos10.15.7 -fobjc-arc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk -I ./AFNetworking -c test.m -o test.o

• -x：指定编译文件语言类型
• -target：指定生成架构
• -fobjc-arc：使用ARC
• -isysroot：使用SDK的路径
• -I：指定头文件路径Header Search Paths
• -c：生成目标文件
• -o：输出文件

将使用AFN的.m文件生成.o文件.png

如果出现isysroot错误

no such sysroot directory: '/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.3.sdk' [-Wmissing-sysroot]

可以在访达中通过command+shift+G查找路径/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/找到电脑中的sdk。

确定本机SDK版本.png

• 目标文件中包含重定位符号表，它保存了文件中使用的所有符号，链接时会根据重定位符号表生成具体的符号信息。
• 所以在生成目标文件时，只需静态库的头文件即可。重定位符号表只需要记录哪个地方的符号需要重定位，然后在链接过程中会自动将符号重定位。

3、由.o目标文件生成可执行文件

clang -target x86_64-apple-macos10.15.7 -fobjc-arc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk -L./AFNetworking -lAFNetworking test.o -o test

• -L：指定库文件路径（.a\.dylib库文件）Library Search Paths
• -l：指定链接的库文件名称（.a\.dylib库文件）Other Linker Flags -lAFNetworking

通过库文件路径下的文件名，可以自动找到libAFNetworking.a那个库文件。

静态库链接成功的三要素：

• -I：指定头文件路径Header Search Paths
• -L：指定库文件路径（.a\.dylib库文件）Library Search Paths
• -l：指定链接的库文件名称（.a\.dylib库文件）Other Linker Flags -lAFNetworking

创建静态库

验证静态库是.o文件的合集。

创建静态库准备.png

1、将TestExample.m生成TestExample.o文件

将一个.m文件生成一个.o文件，未使用第三方库的情况

chenshuangchao@chenshuhaodeMBP 链接静态库AFNetworking % cd /Users/chenshuangchao/Desktop/静态库原理/StaticLibrary
chenshuangchao@chenshuhaodeMBP StaticLibrary % clang -x objective-c -target x86_64-apple-macos10.15.7 -fobjc-arc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk -c TestExample.m -o TestExample.o

2、将TestExample.o文件变为静态库

因为静态库就是.o文件的合集，那么一个.o文件也可以是一个合集，一个.o文件也可以是一个静态库，可以直接将.o文件的后缀改为.a或者.dylib。

TestExample.o-->libTestExample.dylib-->libTestExample

或者使用ar命令: ar -rc libTestExample.a TestExample.o

注意：一定要命名为libTestExample，-l指令可以找到libTestExample，但是找不到TestExample

3、将test.m生成test.o

在test.m中调用TestExample类生成的静态库。必须指定头文件。

clang -x objective-c -target x86_64-apple-macos10.15.7 -fobjc-arc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk -I ./StaticLibrary -c test.m -o test.o

4、将test.o链接生成可执行文件

clang -target x86_64-apple-macos10.15.7 -fobjc-arc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk -L./StaticLibrary -lTestExample test.o -o test

5、验证可执行文件test

在终端输入lldb，进入lldb环境。

运行file test，将可执行文件包装成一个target。

使用r命令，开始运行。

静态库合并

静态库合并的两种方式：

• 使用ar命令
• 使用Xcode提供的libtool命令

通常会使用libtool。

ar命令

• 可以查看静态库
• 也能将多个.o文件合并成静态库
• 可以将静态库中包含的.o文件全部解压出来

1. 使用ar x libAFNetworking.a命令，解压libAFNetworking.a静态库。
2. ar r lib_AF_SD.a *.o命令，将目录下的所有.o文件，合并成一个.a文件

对两个.a文件的合并，可以通过先将.a文件解压成.o文件，再将所有.o文件合并。

libtool合并.a文件

libtool -static -o libCSC.a libAFNetworking.a libSDWebImage.a

静态库合并.png

合并成功，然后使用objdump查看重定位符号。

objdump --macho --rebase libCSC.a

Framework

Framework实际上是⼀种打包⽅式，将库的⼆进制⽂件，头⽂件和有关的资源⽂件打包到⼀起，⽅便管理和分发。

Framework和系统的UIKit.Framework还是有很⼤区别。系统的Framework不需要拷⻉到⽬标程序中，而自定义的Framework哪怕是动态的，最后也要拷⻉到App中（App和Extension的Bundle是共享的），因此苹果⼜把这种Framework称为Embedded Framework。

Framework可以是静态库，也可以是动态库。论是静态库还是动态库，Framework都包含了头文件、库的原始文件、签名和资源文件。

mudule

mudule是clang提供的解析.h头文件的一种解析格式

mudule可以把.h头文件预先编译成二进制，存储到系统缓存目录中。好处：当编译.m文件时，避免反复编译.h文件

例如：当一个.h文件在很多.m中被import，当这些.m文件被编译时，不需要一遍又一遍的重复编译.h文件，它会直接使用mudule预先编译好的二进制

Auto-Link

Auto-Link是LC_LINKER_OPTION链接器的特性。启用该特性后，在import <模块>时不需要再往链接器去配置链接参数。

例如：import ，代码中使用这个Framework格式的库文件，在生成目标文件时，会自动在目标文件的Mach-O中，插入一个load command，格式是LC_LINKER_OPTION，存储链接器参数-framework 。

创建Framework

准备的文件

第一步：由TestExample.m生成TestExample.o

clang -x objective-c -target x86_64-apple-macos10.15.7 -fobjc-arc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk -c TestExample.m -o TestExample.o 

第一步：初始状态.png

第二步：将TestExample.o文件格式去掉.o，变成文本编辑文稿

第二步：将.o文件格式移除.png

第三步：新建一个文件夹，改为TestExample.framework

1. 在文件夹内新建Headers文件夹
2. 将TestExample.h移动到Headers中
3. 然后将libTestExample.a文件去掉后缀名，改为TestExample
4. 像正式项目一样，将TestExample.framework移动到Framework文件夹下
   
   第三步：模仿静态库创建framework.png

第四步：将test.m编译成test.o

在test.m中调用了TestExample.h

clang -x objective-c -target x86_64-apple-macos10.15.7 -fobjc-arc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk -I ./Frameworks/TestExample.framework/Headers -c test.m -o test.o

第五步：将test.o链接framework，连接成可执行文件

clang -target x86_64-apple-macos10.15.7 -fobjc-arc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk -F./Frameworks -framework TestExample test.o -o test

• -F：指定Framework所在目录Framework Search Paths
• -framework：指定链接Framework的名称Other Linker Flags -framework AFNetworking

第六步：LLDB环境验证。

第六步：LLDB验证成功.png

Framework链接成功的三要素：

• -I：指定头文件路径Header Search Paths
• -F：指定Framework所在目录Framework Search Paths
• -framework：指定链接Framework的名称Other Linker Flags -framework AFNetworking

Shell脚本初探

第一步：新建一个shell脚本.png

可以利用shell脚本，避免文件夹的来回切换。

shell执行成功.png

SYSROOT=/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX11.1.sdk
FILE_NAME=test
HEADER_SEARCH_PATH=./StaticLibrary

echo "第一步-----开始编译test.m"

clang -x objective-c \
-target x86_64-apple-macos11.1 \
-fobjc-arc \
-isysroot $SYSROOT \
-I${HEADER_SEARCH_PATH} \
-c ${FILE_NAME}.m -o ${FILE_NAME}.o

echo "第二步-----开始进入StaticLibrary，将TestExample.m编译成TestExample.o"
pushd ./StaticLibrary

clang -x objective-c \
-target x86_64-apple-macos11.1 \
-fobjc-arc \
-isysroot $SYSROOT \
-c TestExample.m -o TestExample.o

echo "第三步-----将TestExample.o修改为libTestExample.a"
ar -rc libTestExample.a TestExample.o

echo "第四步-----退出StaticLibrary，开始test.o链接成test"
popd

clang -target x86_64-apple-macos11.1 \
-fobjc-arc \
-isysroot $SYSROOT \
-L./StaticLibrary \
-lTestExample \
${FILE_NAME}.o -o ${FILE_NAME}

dead_strip与静态库

一、探究死代码剥离的现象

链接库文件的过程中，默认设置为-noall_load，符合剥离条件的代码全部剥离。

第一步：准备探究死代码剥离现象.png

首先在test.m中引入#import "TestExample.h"，但是注释掉对象实例化的代码。利用上面的shell脚本，生成可执行文件。

第二步：生成可执行文件test.png

使用objdump --macho -d test命令，查看__TEXT代码段信息。

第三步：在可执行文件test的__TEXT段中并没有lg_test方法.png

把test.m的注释取消掉，也就是在test.m中使用TestExample类，再把上面的流程重新走一遍。

再次执行时可执行文件中__TEXT有lg_test方法.png

再次执行发现可执行文件中包含了lg_test。

两次对比，验证了clang在链接过程中，默认设置为-noall_load。

二、实际项目中出现问题的场景

依赖库中存在分类时，如果Other Linker Flags使用默认的-noall_load，在主项目中调用依赖库的分类方法，会发生什么？

新建一个主项目，给主项目添加workspace。

打开主项目 -> File -> Save as workspace

再将依赖库添加到workspace进行链接。

打开刚生成的XXX.xcworkspace -> 关掉编辑器中的所有文件 -> 点击左下角加号 -> Add File to "XXX" -> 选择想要添加的库项目。

将静态库添加到主项目中。默认需要先编译静态库，再在主项目中使用静态库，需要在两个target之间来回切换。

将库嵌入方式改为Do Not Embed.png

能否实现在编译主项目的同时编译静态库呢？

将静态库的framework以 Embed & Sign模式添加到主项目即可。

主项目的target -> General -> Frameworks, Libraries, and Embedded Content ->加号添加或者把framework拖进来

• Do Not Embed：不会将Framework拷贝到IPA包里。用于静态库
• 项目使用的Framework是静态库，链接时静态库的代码和符号会跟App进行合并，故此不需要将Framework拷贝到IPA包里
• Embed & Sign：将Framework拷贝到IPA包里，并进行签名操作。用于动态库
• Embed Without Signing：如果Framework已有正确签名，可以使用此项

在主项目中调用依赖库的分类方法。

分类运行时加载场景会出现方法被剥离引起奔溃.png

结果：直接运行会发生奔溃，奔溃的原因是找不到方法，因为分类方法是运行时查找的，链接器默认是-noall_load，在库链接时，会把无用的代码剥离掉，运行时就会出现找不到方法，发生奔溃。

解决办法：

在项目中使用-all_load，不剥离任何代码，那肯定可以调用成功。但是这样就无法享受到编译器为我们准备的剥离功能。我们希望的是，按我们的意愿来剥离库，所以-all_load不是最优解。

如何指定库强制加载？

在主项目中创建XCConfig，将XCConfig配置到Tatget上，然后写入以下代码：

LGSTATIC_FRAMEWORK_PATH=${BUILD_DIR}/$(CONFIGURATION)$(EFFECTIVE_PLATFORM_NAME)/LGStaticFramework.framework/LGStaticFramework
OTHER_LDFLAGS=-Xlinker -force_load ${LGSTATIC_FRAMEWORK_PATH}

这段代码的作用是通过Xlinker让clang告诉链接器，让LGStaticFramework这个库强行加载，不要剥离。

链接库文件时的配置.png

• -noall_load：默认值，符合剥离条件的代码全部剥离
• -all_load：不要剥离任何代码
• -ObjC：OC代码不要剥离
• -force_load：指定某个静态库不要剥离代码，参数后面需要拼接静态库路径

三、dead_strip死代码剥离

-noall_load和Xcode中Dead Code Stripping配置项，完全不是一个东西。

• 库链接配置决定，剥离的规则，在ld中有-noall_load、-all_load、-ObjC、-force_load四种参数的配置。只有在链接对象是一个静态库时，才会起效。
• 在ld中指定-dead_strip参数，是编辑器根据我们的配置，自动的做死代码剥离。
  
  死代码剥离的配置.png

Link-Time Optimization

多个.o文件链接成可执行文件，和.o链接静态库有一些差异：

• .o链接成可执行文件：先将多个.o文件合并成一个大的.o文件，再去链接成可执行文件。先组合再链接，故此Dead Code Stripping的优化无法生效
• .o链接静态库：相当于.o直接使用静态库。先Dead Code Stripping再使用

此时可以使用链接器提供的另一个参数，LTO（Link-Time Optimization）链接时间优化

使用Monolothic选项，在多个.o文件链接时进行优化，此优化在Dead Code Stripping之后触发