iOS 底层原理 文章汇总

本文主要是理解LLVM的编译流程以及clang插件的开发

LLVM

LLVM是架构编译器的框架系统，以C++编写而成，用于优化任意程序语言编写的程序的编译时间（compile-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

传统编译器设计

源码 Source Code + 前端 Frontend + 优化器 Optimizer + 后端 Backend（代码生成器 CodeGenerator）+ 机器码 Machine Code，如下图所示

传统编译器设计

ios的编译器架构

OC、C、C++使用的编译器前端是Clang，Swift是swift，后端都是LLVM，如下图所示

ios的编译器架构

模块说明

• 前端 Frontend：编译器前端的任务是解析源代码（编译阶段），它会进行 词法分析、语法分析、语义分析、检查源代码是否存在错误，然后构建抽象语法树（Abstract Syntax Tree AST），LLVM的前端还会生成中间代码（intermediate representation，简称IR），可以理解为llvm是编译器 + 优化器， 接收的是IR中间代码，输出的还是IR，给后端，经过后端翻译成目标指令集

• 优化器 Optimizer：优化器负责进行各种优化，改善代码的运行时间，例如消除冗余计算等

• 后端 Backend（代码生成器 Code Generator）：将代码映射到目标指令集，生成机器代码，并且进行机器代码相关的代码优化

LLVM的设计

LLVM设计的最重要方面是，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，所有LLVM可以为任何编程语言独立编写前端，并且可以为任意硬件架构独立编写后端，如下所示

LLVM的设计

通俗的一句话理解就是：LLVM的设计是前后端分离的，无论前端还是后端发生变化，都不会影响另一个

Clang简介

clang是LLVM项目中的一个子项目，它是基于LLVM架构图的轻量级编译器，诞生之初是为了替代GCC，提供更快的编译速度，它是负责C、C++、OC语言的编译器，属于整个LLVM架构中的 编译器前端，对于开发者来说，研究Clang可以给我们带来很多好处

LLVM编译流程

• 新建一个文件，写下如下代码

int test(int a,int b){
    return a + b + 3;
}


int main(int argc, const char * argv[]) {
    int a = test(1, 2);
    printf("%d",a);
    return 0;
}

• 通过命令可以打印源码的编译流程

//************命令************
 clang -ccc-print-phases main.m
 
 //************编译流程************
 //0 - 输入文件：找到源文件
+- 0: input, "main.m", objective-c

//1 - 预处理阶段：这个过程处理包括宏的替换，头文件的导入
+- 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output

//2 - 编译阶段：进行词法分析、语法分析、检测语法是否正确，最终生成IR
+- 2: compiler, {1}, ir

//3 - 后端：这里LLVM会通过一个一个的pass去优化，每个pass做一些事情，最终生成汇编代码
+- 3: backend, {2}, assembler

//4 - 汇编代码生成目标文件
+- 4: assembler, {3}, object

//5 - 链接：链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件
+- 5: linker, {4}, image（镜像文件）

//6 - 绑定：通过不同的架构，生成对应的可执行文件
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

LLVM编译流程

下面分别针对上述流程来解释，其中0主要是输入文件，即找到源文件。这里不做过多说明

一、预处理编译阶段

这个阶段主要是处理包括宏的替换，头文件的导入，可以执行如下命令，执行完毕可以看到头文件的导入和宏的替换

//在终端直接查看替换结果
clang -E main.m

//生成对应的文件查看替换后的源码
clang -E main.m >> main2.m

需要注意的是：

• typedef 在给数据类型取别名时，在预处理阶段不会被替换掉

• define则在预处理阶段会被替换，所以经常被是用来进行代码混淆，目的是为了app安全，实现逻辑是：将app中核心类、核心方法等用系统相似的名称进行取别名了，然后在预处理阶段就被替换了，来达到代码混淆的目的

二、编译阶段

编译阶段主要是进行词法、语法等的分析和检查，然后生成中间代码IR

1、词法分析

预处理完成后就会进行词法分析，这里会把代码切成一个个token，比如大小括号、等于号还有字符串等，

• 可以通过下面的命令查看

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

• 如果头文件找不到，指定sdk

clang -isysroot （自己SDK路径） -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

 clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

以下是代码的词法分析结果

编译阶段-1

2、语法分析

词法分析完成后就是语法分析，它的任务是验证语法是否正确，在词法分析的基础上将单词序列组合成各类此法短语，如程序、语句、表达式 等等，然后将所有节点组成抽象语法树（Abstract Syntax Tree􏰊AST），语法分析程序判断程序在结构上是否正确

• 可以通过下面命令查看语法分析的结果

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

• 如果导入头文件找不到，可以指定SDK

 clang -isysroot （自己SDK路径） -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

 clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

下面是语法分析的结果

编译阶段-2

其中，主要说明几个关键字的含义

• -FunctionDecl 函数
• -ParmVarDecl 参数
• -CallExpr 调用一个函数
• -BinaryOperator 运算符

3、生成中间代码IR

完成以上步骤后，就开始生成中间代码IR了，代码生成器（Code Generation）会将语法树自顶向下遍历逐步翻译成LLVM IR，

• 可以通过下面命令可以生成.ll的文本文件，查看IR代码。OC代码在这一步会进行runtime桥接，：property合成、ARC处理等

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

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

下面是生成的中间代码.ll文件

编译阶段-3

其中，test函数的参数解释为

编译阶段-4

• 当然，IR文件在OC中是可以进行优化的，一般设置是在target - Build Setting - Optimization Level（优化器等级）中设置。LLVM的优化级别分别是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一个是大写英文字母O)，下面是带优化的生成中间代码IR的命令

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

这是优化后的中间代码

编译阶段-5

• xcode7以后开启bitcode，苹果会做进一步优化，生成.bc的中间代码，我们通过优化后的IR代码生成.bc代码

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

三、后端

LLVM在后端主要是会通过一个个的Pass去优化，每个Pass做一些事情，最终生成汇编代码

生成汇编代码

• 我们通过最终的.bc或者.ll代码生成汇编代码

 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进行优化

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

此时查看生成的main.s文件的格式为汇编代码

生成汇编代码

四、生成目标文件

目标文件的生成，是汇编器以汇编代码作为插入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件（object file）

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

可以通过nm命令，查看下main.o中的符号

$xcrun nm -nm main.o

以下是main.o中的符号，其文件格式为 目标文件

生成目标文件

• _printf函数是一个是undefined 、external 的

• undefined表示在当前文件暂时找不到符号_printf

• external表示这个符号是外部可以访问的

五、链接

链接主要是链接需要的动态库和静态库，生成可执行文件，其中

• 静态库会和可执行文件合并

• 动态库是独立的

连接器把编译生成的.o文件和 .dyld .a文件链接，生成一个mach-o文件

clang main.o -o main

查看链接之后的符号

$xcrun nm -nm main

结果如下所示，其中的undefined表示会在运行时进行动态绑定

链接-1

• 通过命令查看 main是什么格式，此时是 mach-o可执行文件
  
  链接-2

六、绑定

绑定主要是通过不同的架构，生成对应的mach-o格式可执行文件

总结

综上，所述，LLVM的编译流程如下图所示

LLVM编译流程

Clang插件开发

1、准备工作

由于国内网络限制，需要借助镜像下载llvm的源码，此处为镜像链接

• 下载LLVM项目

git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/llvm.git

• 在LLVM的projects目录下下载compiler-rt、libcxx、libcxxabi

cd ../projects

git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/compiler-rt.git

git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/libcxx.git 

git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/libcxxabi.git

• 在Clang的tools下安装extra工具

cd ../tools/clang/tools

git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/clang-tools-extra.git

2、LLVM编译

由于最新的LLVM只支持cmake来编译，所以需要安装cmake

安装cmake

• 查看brew是否安装cmake，如果已经安装，则跳过下面步骤

brew list

• 通过brew安装cmake

brew install cmake

编译LLVM

有两种编译方式：

• 通过xcode编译LLVM

• 通过ninja编译LLVM

通过xcode编译LLVM

• cmake编译成Xcode项目

mkdir build_xcode

cd build_xcode

cmake -G Xcode ../llvm

• 使用xcode编译Clang

  • 选择自动创建Schemes

    
    
    编译LLVM-1
  • 编译（CMD + B），选择ALL_BUILD Secheme进行编译，预计1+小时
    
    编译LLVM-2

注：这里通过ALL_BUILD Secheme编译会报以下错误The i386 architecture is deprecated. You should update your ARCHS build setting to remove the i386 architecture，尝试着去解决，但是目前尚未找到好的解决方案（后续会补充）

替代方案：选择手动创建Schemes，然后编译编译Clang + ClangTooling即可

通过ninja编译LLVM

• 使用ninja进行编译则还需要安装ninja，使用以下命令安装ninja

brew install ninja

• 在LLVM源码根目录下新建一个build_ninja目录，最终会在build_ninja目录下生成``build.ninja`

• 在LLVM源码根目录下新建llvm_release目录，最终编译文件会在llvm_release文件夹路径下

cd llvm_build

//注意DCMAKE_INSTALL_PREFIX后面不能有空格
cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX= 安装路径（本机为/ Users/xxx/xxx/LLVM/llvm_release）

• 一次执行编译，安装指令

ninja

ninja install

3、创建插件

• 在/llvm/tools/clang/tools下新建插件CJLPlugin
  

  创建插件-1

• 在/llvm/tools/clang/tools目录下的CMakeLists.txt文件，新增add_clang_subdirectory(CJLPlugin)，此处的CJLPlugin即为上一步创建的插件名称
  

  创建插件-2

• 在CJLPlugin目录下新建两个文件，分别是CJLPlugi.cpp 和CMakeLists.txt，并在CMakeLists.txt中加上以下代码

//1、通过终端在CJLPlugin目录下创建
touch CJLPlugin.cpp

touch CMakeLists.txt

//2、CMakeLists.txt中添加以下代码
add_llvm_library( CJLPlugin MODULE BUILDTREE_ONLY 
    CJLPlugin.cpp
)

创建插件-3

• 接下来利用cmake重新生成Xcode项目，在build_xcode目录下执行以下命令

cmake -G Xcode ../llvm

• 最后可以在LLVM的xcode项目中可以看到Loadable modules目录下由自定义的CJLPlugin目录了，然后可以在里面编写插件代码了
  
  创建插件-4

编写插件代码

在CJLPlugin目录下的CJLPlugin.cpp文件中，加入以下代码

// create by CJL
// 2020/11/15

#include <iostream>
#include "clang/AST/AST.h"
#include "clang/AST/DeclObjC.h"
#include "clang/AST/ASTConsumer.h"
#include "clang/ASTMatchers/ASTMatchers.h"
#include "clang/Frontend/CompilerInstance.h"
#include "clang/ASTMatchers/ASTMatchFinder.h"
#include "clang/Frontend/FrontendPluginRegistry.h"

using namespace clang;
using namespace std;
using namespace llvm;
using namespace clang::ast_matchers;
//命名空间，和插件同名
namespace CJLPlugin {

//第三步：扫描完毕的回调函数
//4、自定义回调类，继承自MatchCallback
class CJLMatchCallback: public MatchFinder::MatchCallback {
    
private:
    //CI传递路径：CJLASTAction类中的CreateASTConsumer方法参数 - CJLConsumer的构造函数 - CJLMatchCallback的私有属性，通过构造函数从CJLASTConsumer构造函数中获取
    CompilerInstance &CI;
    
    //判断是否是用户源文件
    bool isUserSourceCode(const string filename) {
        //文件名不为空
        if (filename.empty()) return  false;
        //非xcode中的源码都认为是用户的
        if (filename.find("/Applications/Xcode.app/") == 0) return false;
        return  true;
    }

    //判断是否应该用copy修饰
    bool isShouldUseCopy(const string typeStr) {
        //判断类型是否是NSString | NSArray | NSDictionary
        if (typeStr.find("NSString") != string::npos ||
            typeStr.find("NSArray") != string::npos ||
            typeStr.find("NSDictionary") != string::npos/*...*/)
        {
            return true;
        }
        
        return false;
    }
    
public:
    CJLMatchCallback(CompilerInstance &CI) :CI(CI) {}
    
    //重写run方法
    void run(const MatchFinder::MatchResult &Result) {
        //通过result获取到相关节点 -- 根据节点标记获取（标记需要与CJLASTConsumer构造方法中一致）
        const ObjCPropertyDecl *propertyDecl = Result.Nodes.getNodeAs<ObjCPropertyDecl>("objcPropertyDecl");
        //判断节点有值，并且是用户文件
        if (propertyDecl && isUserSourceCode(CI.getSourceManager().getFilename(propertyDecl->getSourceRange().getBegin()).str()) ) {
            //15、获取节点的描述信息
            ObjCPropertyDecl::PropertyAttributeKind attrKind = propertyDecl->getPropertyAttributes();
            //获取节点的类型，并转成字符串
            string typeStr = propertyDecl->getType().getAsString();
//            cout<<"---------拿到了："<<typeStr<<"---------"<<endl;
            
            //判断应该使用copy，但是没有使用copy
            if (propertyDecl->getTypeSourceInfo() && isShouldUseCopy(typeStr) && !(attrKind & ObjCPropertyDecl::OBJC_PR_copy)) {
                //使用CI发警告信息
                //通过CI获取诊断引擎
                DiagnosticsEngine &diag = CI.getDiagnostics();
                //通过诊断引擎 report报告 错误，即抛出异常
                /*
                错误位置：getBeginLoc 节点开始位置
                错误：getCustomDiagID（等级，提示）
                 */
                diag.Report(propertyDecl->getBeginLoc(), diag.getCustomDiagID(DiagnosticsEngine::Warning, "%0 - 这个地方推荐使用copy!!"))<< typeStr;
            }
        }
    }
};


//第二步：扫描配置完毕
//3、自定义CJLASTConsumer，继承自ASTConsumer，用于监听AST节点的信息 -- 过滤器
class CJLASTConsumer: public ASTConsumer {
private:
    //AST节点的查找过滤器
    MatchFinder matcher;
    //定义回调类对象
    CJLMatchCallback callback;
    
public:
    //构造方法中创建matcherFinder对象
    CJLASTConsumer(CompilerInstance &CI) : callback(CI) {
        //添加一个MatchFinder，每个objcPropertyDecl节点绑定一个objcPropertyDecl标识（去匹配objcPropertyDecl节点）
        //回调callback，其实是在CJLMatchCallback里面重写run方法（真正回调的是回调run方法）
        matcher.addMatcher(objcPropertyDecl().bind("objcPropertyDecl"), &callback);
    }
    
    //实现两个回调方法 HandleTopLevelDecl 和 HandleTranslationUnit
    //解析完一个顶级的声明，就回调一次(顶级节点，相当于一个全局变量、函数声明)
    bool HandleTopLevelDecl(DeclGroupRef D){
//        cout<<"正在解析..."<<endl;
        return  true;
    }
    
    //整个文件都解析完成的回调
    void HandleTranslationUnit(ASTContext &context) {
//        cout<<"文件解析完毕!"<<endl;
        //将文件解析完毕后的上下文context（即AST语法树） 给 matcher
        matcher.matchAST(context);
    }
};

//2、继承PluginASTAction，实现我们自定义的Action，即自定义AST语法树行为
class CJLASTAction: public PluginASTAction {
    
public:
    //重载ParseArgs 和 CreateASTConsumer方法
    bool ParseArgs(const CompilerInstance &ci, const std::vector<std::string> &args) {
        return true;
    }
    
    //返回ASTConsumer类型对象，其中ASTConsumer是一个抽象类，即基类
    /*
     解析给定的插件命令行参数。
     - param CI 编译器实例，用于报告诊断。
     - return 如果解析成功，则为true；否则，插件将被销毁，并且不执行任何操作。该插件负责使用CompilerInstance的Diagnostic对象报告错误。
     */
    unique_ptr<ASTConsumer> CreateASTConsumer(CompilerInstance &CI, StringRef iFile) {
        //返回自定义的CJLASTConsumer,即ASTConsumer的子类对象
        /*
         CI用于：
         - 判断文件是否使用户的
         - 抛出警告
         */
        return unique_ptr<CJLASTConsumer> (new CJLASTConsumer(CI));
    }
    
};

}

//第一步：注册插件，并自定义AST语法树Action类
//1、注册插件
static FrontendPluginRegistry::Add<CJLPlugin::CJLASTAction> CJL("CJLPlugin", "This is CJLPlugin");

其原理主要分为三步

• 【第一步】注册插件，并自定义AST语法树Action类
  • 继承自PluginASTAction，自定义ASTAction，需要重载两个方法ParseArgs和CreateASTConsumer，其中的重点方法是CreateASTConsumer，方法中有个参数CI即编译实例对象，主要用于以下两个方面

    • 用于判断文件是否是用户的

    • 用于抛出警告

  • 通过FrontendPluginRegistry注册插件，需要关联插件名与自定义的ASTAction类
• 【第二步】扫描配置完毕

  • 继承自ASTConsumer类，实现自定义的子类CJLASTConsumer,有两个参数MatchFinder对象matcher以及CJLMatchCallback自定义的回调对象callback

  • 实现构造函数，主要是创建MatchFinder对象，以及将CI床底给回调对象

  • 实现两个回调方法

    • HandleTopLevelDecl：解析完一个顶级的声明，就回调一次
    • HandleTranslationUnit：整个文件都解析完成的回调，将文件解析完毕后的上下文context（即AST语法树） 给 matcher
• 【第三步】扫描完毕的回调函数

  • 继承自MatchFinder::MatchCallback，自定义回调类CJLMatchCallback

  • 定义CompilerInstance私有属性，用于接收ASTConsumer类传递过来的CI信息

  • 重写run方法

    • 1、通过result，根据节点标记，获取相应节点，此时的标记需要与CJLASTConsumer构造方法中一致

    • 2、判断节点有值，并且是用户文件即isUserSourceCode私有方法

    • 3、获取节点的描述信息

    • 4、获取节点的类型，并转成字符串

    • 5、判断应该使用copy，但是没有使用copy

    • 6、通过CI获取诊断引擎

    • 7、通过诊断引擎报告错误

所以，综上所述，clang插件开发的流程图如下

clang插件开发流程

然后在终端中测试插件

//命令格式
自己编译的clang文件路径  -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -Xclang -load -Xclang 插件(.dyld)路径 -Xclang -add-plugin -Xclang 插件名 -c 源码路径

//例子
/Users/XXX/Desktop/build_xcode/Debug/bin/clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -Xclang -load -Xclang /Users/XXXX/Desktop/build_xcode/Debug/lib/CJLPlugin.dylib -Xclang -add-plugin -Xclang CJLPlugin -c /Users/XXXX/Desktop/XXX/XXXX/测试demo/testClang/testClang/ViewController.m

测试插件

4、Xcode集成插件

加载插件

• 打开测试项目，在target->Build Settings -> Other C Flags 添加以下内容

 -Xclang -load -Xclang (.dylib)动态库路径 -Xclang -add-plugin -Xclang CJLPlugin

设置编译器

• 由于clang插件需要使用对应的版本去加载，如果版本不一致会导致编译失败，如下所示

  
  
  设置编译器-1

• 在Build Settings栏目中新增两项用户定义的设置，分别是CC和CXX

  • CC 对应的是自己编译的clang的绝对路径

  • CXX 对应的是自己编译的clang++的绝对路径

设置编译器-2

• 接下来在Build Settings中搜索index，将Enable Index-Wihle-Building Functionality的Default改为NO
  

  设置编译器-3

• 最后，重新编译测试项目，会出现下面的效果

  
  
  设置编译器-4