主要内容:
- 理解
C、C++以及OC的关系 - 编译型语言与解释型语言
- 编译器
LLVM与CLang - 理解
iOS编译流程 - 预处理
- 编译
- 汇编
- 链接
一、理解C、C++以及OC的关系
1.C语言
-
C语言是一门面向过程的计算机编程语言，既可用于系统软件开发，也适用于应用软件开发； -
C语言编译器普遍存在于各种不同的操作系统中，例如Microsoft Windows,Mac OS X,Linux,Unix等； -
C语言的设计影响了众多后来的编程语言，例如C++、Objective-C、Java、C#等；
2.C++语言
- 兼容了
C语言面向过程特点，但又进行了扩充和完善； - 作为一种面向对象的语言，具有封装、多继承、多态等特性；
3.Objective-C语言
- 扩展了
C语言的能力，使其具备面向对象设计的能力，相当于C的超集； -
OC代码中也可以有C和C++语句，它可以调用C函数，也可以通过C++对象访问方法；
4.OC与C++的比较
-
OC与C++都是从C语言演变而来面向对象设计语言，也都兼容标准的C语言；但它们属于不同的面向对象学派； - 两者最大的不同在于：
OC提供了运行时的动态绑定机制，而C++是编译时静态绑定，并通过嵌入类和虚函数来模拟实现； -
OC在编译阶段降低了编译要求提高了灵活性，而C++则是提高了编译要求，在编译过程中就发现更多的潜在错误，在运行前改正，降低了灵活性；
以下面的代码为例，在编译期间，C++认为是错误的，而OC则认为没有问题：
NSString *test =(id) [[NSArray alloc] init];
OC与C++在使用细节上的不同如下：
- 定型：
OC是动态定型，可以允许根据字符串名字来访问方法和类，还可以动态链接和添加类； - 继承：
OC不支持多继承，C++支持多继承； - 函数调用：
OC通过消息传递实现函数调用，而C++直接进行函数调用； - 接口：
OC采用Protocol形式来定义接口，而C++采用虚函数形式来定义接口； - 重载：
OC不允许同一个类中两个方法有相同的名字(即使只是参数类型不同)，但C++可以；
二、编译型语言与解释型语言
Objective-C属于编译型语言，这是为了保证iPhone的执行效率；
1.编译型语言
- 程序运行前，必须先通过
编译器生成机器码，机器码直接通过CPU执行，运行时不需要重新翻译； - 程序执行效率高，但依赖编译器，调试周期长、跨平台性差些；
- 代表语言：
C、C++、OC等；
2.解释型语言
- 程序运行前，不需要进行编译，而是以文本方式存储程序代码，运行时需要解释器解释后再运行；
- 程序执行效率低下，但是程序具有动态性，运行后也可以随时增加和更新代码来改变程序逻辑；
- 代表语言：
Javascript、Python等；
三、编译器LLVM与CLang
1.编译器
概念：把一种编程语言(原始语言)转换为另一种编程语言(目标语言)的程序;
大多数编译器都分前端和后端两部分：
- 前端：负责
词法分析、语法分析、生成中间代码； - 后端：以
中间代码作为输入，进行与架构无关的代码优化，接着针对不同架构生成不同的机器码；
补充：
- 前后端以
中间代码作为媒介，使得前后端可以独立的变化，互不影响； - 这样的好处在于：新增一门语言只需要修改前端，而新增一种
CPU架构只需要修改后端即可；
2.LLVM与Clang
LLVM是苹果当前使用的编译器：
-
LLVM是一套编译器基础设施项目，为自由软件，以C++写成，包含一系列模块化的编译器组件和工具链，用来开发编译器前端和后端； - 基于
LLVM衍生出了一些强大的子项目，比如：Clang和LLDB。
CLang基于LLVM，是一个高度模块化开发的轻量级编译器；
-
CLang主要来自苹果电脑的支持，同时支持C、Objective-C以及C++； -
CLang用于替代Xcode5版本前使用的GCC，编译速度提高了3倍：
3.理解iOS中的编译器
- 在
iOS开发中，通常LLVM被认为是编译器的后端，而Clang是作为编译器的前端； - 二者以
IR（中间代码）作为媒介，这样前后端分离，使得前后端可以独立的变化，互不影响； -
C语言家族的前端是clang，swift的前端是swiftc，但二者的后端都是LLVM；
四、理解iOS编译流程
1.编译流程图
LLVM的编译过程相当复杂，iOS代码运行需要经过：预处理、编译、汇编、链接四个关键阶段，具体的流程如下图：
2.准备测试文件
以OC语言为例，详细分析代码的编译流程，准备一个main.m文件的内容如下：
#import <Foundation/Foundation.h>
/// 增加注释：宏定义Name
#define Name "梧雨北辰"
int main(int argc, const char * argv[]) {
NSLog(@"Hello, %s", Name);
return 0;
}
五、预处理(Prepressing)
1.主要功能
- 替换宏：替换代码中各种宏定义，如定义的常量、函数等；
- 导入头文件：将
#include包含的文件插入到该指令位置等； - 清理注释：删除所有注释：
//、/**/等； - 条件编译：处理
#if、#ifdef，#endif等类似的条件编译； - 添加行号和文件名标识：以便于编译时编译器能够显示警告和错误的所在行号；
2.查看预处理结果
使用xcrun命令，在终端执行预处理操作：
xcrun clang -E main.m
终端显示效果如下：
# 1 "main.m"
# 1 "<built-in>" 1
...
# 1 "/Applications/Xcode13.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Headers/FoundationLegacySwiftCompatibility.h" 1 3
# 193 "/Applications/Xcode13.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Headers/Foundation.h" 2 3
# 2 "main.m" 2
int main(int argc, const char * argv[]) {
NSLog(@"Hello, %s", "梧雨北辰");
return 0;
}
结果分析：
- 预处理后的文件中，注释已经被清理，宏定义也已经被替换；
- 预处理后的文件有很多行，因为该过程中导入了头文件(
Foundation.h)，而且这个过程是递归的；
六、编译(Compilation)
1. 词法分析(Lexical Analysis)
主要功能：通过扫描器，分割识别源代码符号(如大小括号、=、字符串)；
使用xcrun命令，在终端执行词法分析操作：
xcrun clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
终端显示效果如下：
annot_module_include '#import <Foundation/Foundation.h>
/' Loc=<main.m:1:1>
int 'int' [StartOfLine] Loc=<main.m:4:1>
identifier 'main' [LeadingSpace]
......
r_brace '}' [StartOfLine] Loc=<main.m:7:1>
eof '' Loc=<main.m:10:1>
结果分析：
- 每个被分割的源代码符号都被记录了位置，方便后续定位错误；
- 比如
Loc=<main.m:4:1>就表示：'int'这个符号是从源文件main.m的第4行的第1个字符开始的；
2.语法分析(Semantic Analysis)
主要功能：对源代码符号进行分析，验证语法是否正确，最后生成AST语法树；
使用xcrun命令，查看语法分析结果：
xcrun clang -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.c | open -f
AST语法树：
- 是抽象语法树，结构上比代码更精简，遍历速度更快；
- 能够更快的进行静态检查，同时生成
IR(中间代码)；
3.静态分析(Static Analysis)
主要功能：对AST树进行遍历分析，包括类型检查、方法实现检查，会及时提示错误；
4.生成中间代码(Code Generation)
主要功能：CodeGen负责将AST语法树自顶向下遍历，逐步翻译成IR中间代码；
IR中间代码：
- 这是一种更接近于机器码的语言，使得编译器被分为前端和后端，不同的平台可以利用各自的编译器将中间代码，转化为适合不同平台的机器码；
- 对于
iOS系统来说，IR中间代码生成的就是Mach-O可执行文件; -
IR是前端的输出，后端的输入；
七、汇编(Assembly)
输出中间代码标志着前端工作的完成，接下来将进入后端的处理流程。
1.LLVM优化中间代码
中间代码IR进入后端，LLVM会对其进行优化：
Optimization Levelbitcode
2.生成汇编代码
LLVM对IR进行优化后，会针对不同架构生成不同汇编代码；
汇编阶段的目的：
- 将代码汇编化，并将符号进行归类；
- 将外部导入符号，放到重定位符号表；
- 最后生成一个或多个
.o目标文件；
使用xcrun命令，生成汇编文件：
xcrun clang -S main.m -o main.s
打开.s文件，摘取内容如下：
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version macos, 11, 0 sdk_version 11, 3
.globl _main ## -- Begin function main
// ......
callq _NSLog
// ......
.subsections_via_symbols
可以看到，汇编文件中的NSLog操作已经被转化为汇编命令形式的调用，即callq _NSLog；
3.生成目标文件
该阶段是汇编器将汇编代码转换为机器代码，并输出目标文件，即.o文件；
使用xcrun命令，生成目标文件:
xcrun clang -fmodules -c main.m -o main.o
使用file命令，查看目标文件类型:
% file main.o
main.o: Mach-O 64-bit object x86_64
可以看到，汇编器生成Mach-O格式的文件，而且是object类型，即目标文件类型：
-
Mach-O文件是用于iOS和OS平台上的文件类型； -
Mach-O作为a.out格式的替代，提供了更强的扩展性，也提升了符号表中信息的访问速度；
使用xcrun命令，查看下main.o中的符号：
xcrun nm -nm main.o
终端显示效果如下：
(undefined) external _NSLog
(undefined) external ___CFConstantStringClassReference
0000000000000000 (__TEXT,__text) external _main
可以看到，此时我们使用的NSLog函数，对应着_NSLog符号：
-
undefined：表示在当前文件暂时找不到符号_NSLog； -
external：表示这个符号是外部可以访问的，对应表示文件私有的符号是non-external；
八、链接(Linking)
主要功能：符号解析、重定位、合并目标文件，最终生成可执行文件；
1.使用xcrun命令执行链接，得到可执行文件
xcrun clang main.o -o main
2.使用file命令，查看文件类型
% file main
main: Mach-O 64-bit executable x86_64
% ./main
2021-10-01 19:06:41.846 main[5663:660299] Hello, 梧雨北辰
结果分析：虽然还是Mach-O格式，但此时已经是executable类型了，即可执行文件。而且运行该文件后也打印出了预期的结果；
3.再次使用xcrun命令，查看可执行文件的符号表
% xcrun nm -nm main
(undefined) external _NSLog (from Foundation)
(undefined) external ___CFConstantStringClassReference (from CoreFoundation)
(undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header
0000000100003f40 (__TEXT,__text) external _main
0000000100008008 (__DATA,__data) non-external __dyld_private
结果分析：_NSLog符号依然是undefined，不过此时多了一些信息，即from Foundation，表示这个符号来自于Foundation，会在运行时动态绑定；
4.链接阶段的主要任务
1.符号解析
将每个符号引用和对应的符号定义关联起来；
- 链接器链接多文件时会创建符号表，用于记录所有已经定义和未定义的符号；
- 出现相同符号，会报错：
"ld:dumplicate symbols"； - 在其他目标文件里没有找到到符号，会报错：
"Undefined symbols"；
- 出现相同符号，会报错：
- 另外，链接器在整理函数的符号调用关系时，可以帮助我们理清那些函数没有被调用，并自动去除掉；
2.重定位
将变量名、函数名这些符号定义与一个内存位置关联起来；
- 因为只有通过了绑定，机器才知道需要操作什么内存地址；
- 否则，我们就需要在写代码时给每个指令设置好内存地址，不仅操作繁琐，而且容易引起出错；
3.合并目标文件
将多个.m文件编译产生的.o目标文件与其他Mach-O文件(如dylib、a、tbd），合成一个Mach-O格式的可执行文件；
- 通常项目都会包含多个文件，不同文件之间的
变量和接口函数就会产生相互依赖关系； - 程序运行前，需要使用链接器将多个文件里的符号和地址绑定起来，才能保证整个程序里的变量、接口的正常调用；
5.理解静态链接与动态链接
静态链接：作用于编译期，链接后的文件依然可能会存在一些"undefined"的符号。但是这些符号都会被记录下来，在运行时再通过dlopen和dlsym动态链接绑定；
动态链接：作用于运行时，这样的优势在于：诸多类似UIKit这样的共享库将不必包含在每一个App包里。比如：我们使用到的UIKit系统库，等到点击App真正开始运行之前，才会去链接依赖的UIKit，链接完成再运行App；
