iOS之深入解析静态库和动态库

一、库

① 什么是库？

• 库就是程序代码的集合，将 N 个文件组织起来，是共享程序代码的一种方式。
• 从本质上来说是一种可执行代码的二进制格式，可以被载入内存中执行。

② 库的分类

• 根据程序代码的开源情况，库可以分为两类：
• • 开源库：源代码是公开的，可以看到具体实现，比如知名的第三方框架：AFNetworking、SDWebImage 等。
• • 闭源库：不公开源代码，只公开调用的接口，看不到具体的实现，是一个编译后的二进制文件。这种常见于一些公司的 SDK 包，比如高德地图 SDK、环信即时通讯 SDK 等。而闭源库又分为两类：静态库和动态库。

③ 从源代码到 App

• 当我们点击了 build 之后，做了什么事情呢？
• • 预处理（Pre-process）：把宏替换、删除注释、展开头文件，产生 .i 文件。
• • 编译（Compliling）：把之前的 .i 文件转换成汇编语言，产生 .s 文件。
• • 汇编（Asembly）：把汇编语言文件转换为机器码文件，产生 .o 文件。
• • 链接（Link）：对 .o 文件中的对于其他的库的引用的地方进行引用，生成最后的可执行文件（同时也包括多个 .o 文件进行 link）。

④ iOS 设备的 CPU 架构

• 模拟器：

	4s-5: i386
	5s-iPhone X（包括 iPhone SE）: x86_64

• 真机（iOS 设备）：

	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，向下兼容）
	arm64：iPhone 5s、iPhone 6、iPhone 6 Plus、iPhone 6s、iPhone 6s Plus、iPad Air、iPad Air2、iPad mini2、iPad mini3、iPhone 7、iPhone 7 Plus、iPhone 8、iPhone 8 Plus、iPhone X

二、静态库和动态库

① 什么是静态库和动态库？

• 静态和动态是相对编译期和运行期而言的：静态库在程序编译时会被链接到目标代码中，程序运行时将不再需要该静态库；动态库在程序编译时并不会被链接到目标代码中，只是在程序运行时才被载入。
• • 静态库在程序编译链接的时候，如下图所示：

• • 动态库在程序编译链接的时候，如下图所示：

• 静态库和动态库都是程序编译好的二进制文件，苹果的官方文档中有两句对动态库和静态库的解释，如下：
• • 动态库:可以在运行或者启动的时候加载到内存中，加载到一块独立的于 App 的内存地址中；
• • 静态库：当程序在启动的时候，会将 App 的代码（包括静态库的代码）一起在加载到 App 所处的内存地址上。相比于静态库的方案，使用动态库将花费更多的启动时间和内存消耗，还会增加可执行文件的大小。

	A better approach is for an app to load code into its address space when it’s actually needed, either at launch time or at runtime. The type of library that provides this flexibility is called dynamic library.
	
	When an app is launched, the app’s code—which includes the code of the static libraries it was linked with—is loaded into the app’s address space.Applications with large executables suffer from slow launch times and large memory footprints.

② 存在形式

• 静态库：以 “.a” 或者 “.framework” 为文件后缀名；.a 是一个纯二进制文件，.framework 中除了有二进制文件之外还有资源文件。.a 要有 .h 文件以及资源文件配合，.framework 文件可以直接使用。总的来说，.a + .h + sourceFile = .framework，因此创建静态库最好还是用 .framework 的形式。
• 动态库：以 “.dylib” 或者 “.framework” 为文件后缀名（Xcode7 之后 .tbd 替代 .dylib）。

③ 使用区别

• 静态库链接时会被完整的复制到可执行文件中，被多次使用就有多份拷贝：

• 利用静态函数库编译成的文件比较大，因为整个函数库的所有数据都会被整合进目标代码中。它的优点就显而易见了，即编译后的执行程序不需要外部的函数库支持，因为所有使用的函数都已经被编译进去。当然这也会成为它的缺点，因为如果静态函数库改变了，那么程序必须重新编译。
• 动态库链接时不复制，程序运行时由系统动态加载到内存，供程序调用，而且系统只加载一次，多个程序共用，节省内存：

• 相对于静态函数库，动态函数库在编译的时候，并没有被编译进目标代码中，程序执行到相关函数时才调用该函数库里的相应函数，因此动态函数库所产生的可执行文件比较小。由于函数库没有被整合进程序，而是程序运行时动态的申请并调用，所以程序的运行环境中必须提供相应的库。动态函数库的改变并不影响程序，所以动态函数库的升级比较方便。

④ 各自优点

• 静态库：
• • 模块化，分工合作，提高了代码的复用及核心技术的保密程度；
• • 避免少量改动经常导致大量的重复编译连接；
• • 也可以重用，注意不是共享使用。
• 动态库：
• • 可以将最终可执行文件体积缩小，将整个应用程序分模块，团队合作，进行分工，影响比较小；
• • 多个应用程序共享内存中得同一份库文件，节省资源；
• • 可以不重新编译连接可执行程序的前提下，更新动态库文件达到更新应用程序的目的；
• • 应用插件化；
• • 软件版本实时模块升级；
• • 在其它大部分平台上，动态库都可以用于不同应用间共享， 共享可执行文件，这就大大节省了内存。
• 在 iOS8 之前，苹果不允许第三方框架使用动态方式加载，从 iOS8 开始允许开发者有条件地创建和使用动态框架，这种框架叫做 Cocoa Touch Framework。虽然同样是动态框架，但是和系统 framework 不同，苹果系统专属的 framework 是共享的（如 UIKit），使用 Cocoa Touch Framework 制作的动态库在打包和提交 App 时会被放到 App main bundle 的根目录中，运行在沙盒里，而不是系统中。也就是说，不同的 App 就算使用了同样的 framework，但还是会有多份的框架被分别签名、打包和加载。不过 iOS8 上开放了 App Extension 功能，可以为一个应用创建插件，这样主 App 和插件之间共享动态库还是可行的。

⑤ 静态库的处理方式

• 对于一个静态库而言，其实已经是编译好的类似一个 .o 的集合，这里并没有连接。在 build 的过程中只会参与链接的过程，而这个链接的过程简单的讲就是合并，并且链接器只会将静态库中被使用的部分合并到可执行文件中去。相比较于动态库，静态库的处理起来要简单的多，具体如下图：

• 链接器会将所有 .o 用到的 global symbol 和 unresolved symbol 放入一个临时表，而且是 global symbol 是不能重复的。
• 对于静态库的 .o，链接器会将没有任何 symbol 在 unresolved symbol table 的给忽略。
• unresolved symbol 类似 extern int test(); .h 的声明。
• global symbol 类似 void test() { print(“test”) } .m 的实现。
• 最后，链接器会用函数的实际地址来代替函数引用。

⑥ 动态库的处理方式

• 首先，对于动态库而言其实分动态链接库和动态加载库两种的，这两个最本质的区别还是加载时间。
• • 动态链接库：在没有被加载到内存的前提下，当可执行文件被加载，动态库也随着被加载到内存中。在 Linked Framework and Libraries 设置的一些 share libraries（随着程序启动而启动）。
• • 动态加载库：当需要的时候再使用 dlopen 等通过代码或者命令的方式来加载（在程序启动之后）。
• 但是不论是哪种动态库，相比较与静态库，动态库处理起来要棘手的多。由于动态库是动态的，所以事先不知道某个函数的具体地址，因此动态链接器在链接函数的时候需要做大量的工作。
• 而实现这个动态链接是使用了 Procedure Linkage Table (PLT)。首先这个 PLT 列出了程序中每一个函数的调用，当程序开始运行，如果动态库被加载到内存中，PLT 会去寻找动态的地址并记录下来，如果每个函数都被调用过的话，下一次调用就可以通过 PLT 直接跳转了，但是和静态库还是有点区别的是，每一个函数的调用还是需要通过一张 PLT。这也正是所有静态链接做的事情都搬到运行时来做，会导致更慢的原因。

⑦ 动态库的作用

• 应用插件化
• • 每一个功能点都是一个动态库，在用户想使用某个功能的时候让其从网络下载，然后手动加载动态库，实现功能的的插件化。
• • 虽然技术上来说这种动态更新是可行的，但是对于 App Store 上上架的 App 是不可以的。iOS8 之后虽然可以上传含有动态库的 App，但是苹果不仅需要你动态库和 App 的签名一致，而且苹果会在上架的时候再经过一次 App Store 的签名。所以想在线更新动态库，首先得有苹果 App Store 私钥，而这个基本不可能。
• • 除非应用不需要通过 App Store 上架，比如企业内部的应用，通过企业证书发布，那么就可以实现应用插件化在线更新动态库。
• 共享可执行文件
• • 在其它大部分平台上，动态库都可以用于不同应用间共享，这就大大节省了内存。从目前来看，iOS 仍然不允许进程间共享动态库，即 iOS 上的动态库只能是私有的，因为我们仍然不能将动态库文件放置在除了自身沙盒以外的其它任何地方。
• • iOS8 上开放了 App Extension 功能，可以为一个应用创建插件，这样主 App 和插件之间共享动态库还是可行的。

三、签名

• 系统在加载动态库时，会检查 framework 的签名，签名中必须包含 TeamIdentifier，并且 framework 和 host app 的 TeamIdentifier 必须一致。
• 在 Debug 测试的时候是不会报错的，在打包时如果有动态库，那么就会检查 TeamIdentifier。如果不一致，就会报以下错误：

	Error loading /path/to/framework: dlopen(/path/to/framework, 265): no suitable image found. Did find:/path/to/framework: mmap() error 1

• 如果用来打包的证书是 iOS 8 发布之前生成的，则打出的包验证的时候会没有 TeamIdentifier 这一项。这时在加载 framework 的时候会报以下错误：

	[deny-mmap] mapped file has no team identifier and is not a platform binary:/private/var/mobile/Containers/Bundle/Application/5D8FB2F7-1083-4564-94B2-0CB7DC75C9D1/YourAppNameHere.app/Frameworks/YourFramework.framework/YourFramework

• 可以通过 codesign 命令来验证：

	codesign -dv /path/to/YourApp.app
	// 或	
	codesign -dv /path/to/YourFramework.framework

• 如果证书太旧，输出的结果如下：

	Executable=/path/to/YourApp.app/YourApp
	Identifier=com.company.yourapp
	Format=bundle with Mach-O thin (armv7)
	CodeDirectory v=20100 size=221748 flags=0x0(none) hashes=11079+5 location=embedded
	Signature size=4321
	Signed Time=2019年08月09日 上午10:18:37
	Info.plist entries=42
	TeamIdentifier=not set
	Sealed Resources version=2 rules=12 files=2451
	Internal requirements count=1 size=188

• 注意其中的 TeamIdentifier=not set，在用 CocoaPods 的 use_framework! 的时候生成的动态库也可以用 codesign -dv /path/to/youFramework.framework 查看到 TeamIdentifier=not set。

四、Framework

① 什么是 Framework？

• Framework 是 Cocoa/Cocoa Touch 程序中使用的一种资源打包方式，可以将代码文件、头文件、资源文件、说明文档等集中在一起，方便开发者使用。一般如果是静态 Framework 的话，资源打包进 Framework 是读取不了的。静态 Framework 和 .a 文件都是编译进可执行文件里面的，只有动态 Framework 能在 .app 下面的 Framework 文件夹下看到，并读取 .framework 里的资源文件。

• Cocoa/Cocoa Touch 开发框架本身提供了大量的 Framework，比如 Foundation.framework/UIKit.framework 等。需要注意的是，这些 Framework 无一例外都是动态库。
• 平时用的第三方 SDK 的 Framework 都是静态库，真正的动态库是上不了 App Store（iOS8 之后能上 AppStore，因为 App Extension，需要动态库支持)。
• Framework 为什么既是静态库又是动态库？系统的 .framework 是动态库，我们自己建立的 .framework 一般都是静态库。但是现在用 Xcode 创建Framework 的时候默认是动态库，一般打包成 SDK 给别人用的话都使用的是静态库，可以修改 Build Settings的 Mach-O Type 为 Static Library。

② Framework 目录

• Headers：表示暴露的头文件，一般都会有一个和 Framework 同名的 .h 文件，在创建 Framework 的时候文件夹里也会默认生成这样一个文件。有这个和 Framework 同名的 .h 文件 @import 导入库的时候编译器才能找到这个库。
• info.plist：主要就是这个 Framework 的一些配置信息。
• Modules：
• • 这个文件夹里有个 module.modulemap 文件：

	framework module DynamicFramework {
	  umbrella header "DynamicFramework.h"
	
	  export *
	
	  module * { export * }
	
	}

• • 这里面有这样一句 umbrella header “DynamicFramework.h”，umbrella 有保护伞、庇护的意思。也就是说 Headers 中暴露的 DynamicFramework.h 文件被放在 umbrella 雨伞下保护起来，所以需要将其他的所有需要暴露的 .h 文件放到 DynamicFramework.h 文件中保护起来，不然会出现警告。@import 的时候也只能找到 umbrella 雨伞下保护起来的 .h 文件。
• 二进制文件（Unix 可执行文件）：这个就是源码编译而成的二进制文件，主要的执行代码就在这个里面。
• .bundle 文件：如果在 Build Phases -> Copy Bundle Resources 里加入 .bundle 文件，那么创建出来的 .Framework 里就会有这个 .bundle 的资源文件夹。

③ Framework 的资源文件

• CocoaPods 如何生成 Framework 的资源文件？我们能看到用 CocoaPods 创建 Framework 的时候，Framework 里面有一个 .bundle 文件，跟 Framework 同级目录里也有一个 .bundle文件，这两个文件其实是一样的。
• 那这两个 .bundle 是怎么来的呢？我们能看到用 use_frameworks! 生成的 pod 里面，pods 这个 PROJECT 下面会为每一个 pod 生成一个 target。

• 那么如果这个 pod 有资源文件的话，就会有一个叫 xxx-bundleName 的 target，最后这个 target 生成的就是 bundleName.bundle。

• 在 xxx 的 target 的 Build Phases -> Copy Bundle Resources 里加入这个 .bundle，在 Framework 里面就会生成这样一个 bundle。在 xxx 的 target 的 Build Phases -> Target Dependencies 里加入这个 target：xxx-bundleName，就会在 Framework 的同级目录里生成这样一个 bundle。
• 静态 Framework 里不需要加入资源文件，一般资源打包进静态 Framework 是读取不了的。静态 Framework 和 .a 文件都是编译进可执行文件里面的，只有动态 Framework 能在 .app 的 Framework 文件夹下看到，并读取 .framework 里的资源文件。
• 可以用 NSBundle * bundle = [[NSBundle mainBundle] bundlePath]; 得到 .app 目录，如果是动态库能在 Framework 目录下看到这个动态库以及动态库里面资源文件，然后只要用 NSBundle * bundle = [NSBundle bundleForClass:<#ClassFromFramework#>]; 得到这个动态库的路径就能读取到里面的资源了。但是如果是静态库的话，因为编译进了可执行文件里面，也就没办法读到这个静态库了，能看到 .app 下的 Framework 目录为空。

五、动态库和静态库的支持和兼容

① Swift 支持

• 跟着 iOS8/Xcode6 同时发布的还有 Swift。如果要在项目中使用外部的代码，可选的方式只有两种：把代码拷贝到工程中和用动态 Framework，使用静态库是不支持的。
• 造成这个问题的原因主要是 Swift 的运行库没有被包含在 iOS 系统中，而是会打包进 App 中（这也是造成 Swift App 体积大的原因），静态库会导致最终的目标程序中包含重复的运行库（这是苹果自家的解释）。同时拷贝 Runtime 这种做法也会导致在纯 ObjC 的项目中使用 Swift 库出现问题。苹果声称等到 Swift 的 Runtime 稳定之后会被加入到系统当中，到时候这个限制就会被去除。

② CocoaPods 的做法

• 在纯 ObjC 的项目中，CocoaPods 使用编译静态库 .a 方法将代码集成到项目中。在 Pods 项目中的每个 target 都对应着一个 Pod 的静态库：

• 当不想发布代码的时候，也可以使用 Framework 发布 Pod，CocoaPods 提供 vendored_framework 选项来使用第三方 Framework。
• 对于 Swift 项目，CocoaPods 提供了动态 Framework 的支持，通过 use_frameworks! 选项控制。对于 Swift 写的库来说，想通过 CocoaPods 引入工程，必须加入 use_frameworks! 选项。

③ 关于 use_frameworks!

• 在使用 CocoaPods 的时候在 Podfile 里加入 use_frameworks!，那么在编译的时候就会默认生成动态库，我们能看到每个源码 Pod 都会在 Pods 工程下面生成一个对应的动态库 Framework 的 target，能在这个 target 的 Build Settings -> Mach-O Type 看到默认设置是 Dynamic Library，也就是会生成一个动态 Framework，能在 Products 下面看到每一个 Pod 对应生成的动态库。
• 这些生成的动态库将链接到主项目给主工程使用，但是我们上面说过动态库需要在主工程 target 的 General -> Embedded Binaries 中添加才能使用，而我们并没有在 Embedded Binaries 中看到这些动态库，那这是怎么回事呢？其实是 CocoaPods 已经执行了脚本把这些动态库嵌入到了 .app 的 Framework 目录下，相当于在 Embedded Binaries 加入了这些动态库，我们能在主工程 target 的 Build Phase -> Embed Pods Frameworks 里看到执行的脚本。

• 所以 Pod 默认是生成动态库，然后嵌入到 .app 下面的 Framework 文件夹里，我们去 Pods 工程的 target 里把 Build Settings -> Mach-O Type 设置为 Static Library。那么生成的就是静态库，但是 CocoaPods 也会把它嵌入到 .app 的 Framework 目录下，而因为它是静态库，所以会报错：unrecognized selector sent to instanceunrecognized selector sent to instance。

六、常见问题

• 如果静态库中有 category 类，则在使用静态库的项目配置中【Other Linker Flags】需要添加参数[-ObjC] 或者 [-all_load]。
• 出现 Umbrella header for module ‘XXXX’ does not include header ‘XXXXX.h’，因为把 xxxxx.h 错误的拖到了 public 中。
• 出现 dyld: Library not loaded:XXXXXX，是因为打包的 Framework 版本太高。比如打包 Framework 时，选择的是 iOS 9.0，而实际的工程环境是 iOS 8 开始的，需要到 iOS Deployment Target 设置对应版本。
• 报错 “Include of non-modular header inside framework module”，如果创建的 Framework 类中使用了 .dylib 或者 .tbd，首先需要在实际项目中导入 .dylib 或者 .tbd 动态库，然后需要设置 Allow Non-modular Includes In Framework Modules = YES。
• 有时候会发现在使用的时候加载不了动态 Framework 里的资源文件，其实是加载方式不对，比如用 pod 的时候使用的是 use_frameworks!，那么资源是在 Framework 里面的，需要使用以下代码加载：

	NSBundle *bundle = [NSBundle bundleForClass:<#ClassFromFramework#>];
	NSString *path = [bundle pathForResource:@"imageName@2x"(@"bundleName.bundle/imageName@2x") ofType:@"png"];
	
	UIImage *image = [UIImage imageWithContentsOfFile:path];

• 报错 Reason: image not found：如果直接在工程里使用创建的动态库时候会出现此错误，需要在工程的 General 里的 Embedded Binaries 添加这个动态库才能使用。因为创建的这个动态库其实也不能给其他程序使用的，而 App Extension 和 APP 之间是需要使用这个动态库的，这个动态库可以 App Extension 和 APP 之间共用一份（App 和 Extension 的 Bundle 是共享的），因此苹果又把这种 Framework 称为 Embedded Framework。