iOS：动态库的加载顺序

在写 《iOS：load方法能不能被hook？》 和 《iOS启动优化：App启动耗时在线监控与AppDelegate管控》 两篇文章时都提到了动态库的加载，由于主题的原因，没有详细介绍，有同学对这个比较感兴趣，今天我们就来研究下在iOS中动态库的加载顺序是什么样子的。

1.实验篇

我们先通过demo看下几种Case:

  • 没有依赖关系：

    情形一

    我们制作dylibA、dylibB、dylibB这三个动态库（不了解动态库的制作的请问度娘...），且它们没有依赖关系，同时我们在每个库中添加一个Class，暂且以Class的load方法的调用顺序当做是动态库的加载顺序（先挖一个坑），比如dylibA：

    @implementation ClassA
+ (void)load {
    NSLog(@"dylibA loaded");
}
@end

    将这三个库加到demo工程中，并且保证Build Phases-Link Binary With Libraries中的顺序：dylibA > dylibB > dylibC，运行结果：

    Demo[53199:17384949] dylibA loaded
Demo[53199:17384949] dylibB loaded
Demo[53199:17384949] dylibC loaded

    我们调整下Link Binary With Libraries中的顺序：dylibC > dylibB > dylibA，运行结果：

    Demo[53265:17397552] dylibC loaded
Demo[53265:17397552] dylibB loaded
Demo[53265:17397552] dylibA loaded

    通过实验我们知道：在没有依赖关系的情况下，动态库的加载顺序由Link Binary With Libraries中的顺序决定，当然我们可以通过Link Binary With Libraries来控制动态库的加载顺序。

  • 单一依赖关系

    情形二

    dylibA依赖dylibB，dylibB依赖dylibC，我们简单改造下这三个库,如在dylibB中import下dylibC的头文件，dylibA中同理：

    #import "ClassB.h"
#import <dylibC/dylibC.h>

@implementation ClassB
+ (void)load {
    NSLog(@"dylibB loaded");
}
@end

    Link Binary With Libraries中的顺序：dylibA > dylibB > dylibC，运行结果：

    Demo[53570:17450857] dylibC loaded
Demo[53570:17450857] dylibB loaded
Demo[53570:17450857] dylibA loaded

    这次我们发现三个库的加载顺序是反的，我们修改下顺序：dylibC > dylibA > dylibB，运行结果不变。由实验结果可知：动态库的加载顺序还受依赖关系影响，被依赖的子节点优先加载。

  • 组合依赖关系


    组合关系1

    其中，dylibA、dylibB、dylibB 没有依赖关系，dylibA 依赖了dylibD、dylibE、dylibF。

    Demo[97898:19286936] dylibD loaded
Demo[97898:19286936] dylibF loaded
Demo[97898:19286936] dylibE loaded
Demo[97898:19286936] dylibA loaded
Demo[97898:19286936] dylibB loaded
Demo[97898:19286936] dylibC loaded

    通过修改dylibA-Link Binary With Libraries中dylibD、dylibE的顺序调整为：

    组合关系2

    Demo[97982:19305235] dylibF loaded
Demo[97982:19305235] dylibE loaded
Demo[97982:19305235] dylibD loaded
Demo[97982:19305235] dylibA loaded
Demo[97982:19305235] dylibB loaded
Demo[97982:19305235] dylibC loaded

    通过上面的尝试，我们可以看出动态库的加载顺序为：先根据配置的链接顺序加载，如有依赖的先递归式加载依赖。

2.源码篇

上面我们通过几个实验对动态库的加载有个大概的影响，下面我们通过源码进一步了解动态库的加载（dyld源码，本文使用版本：dyld-635.2，篇幅问题，只展示部分代码）。
为了便于的过程，我们在上面demo中的位于子节点的dylibF库的load方法添加一个符号断点，获取下这个load方法的调用栈：

  #0    +[ClassF load]
  #1    load_images ()
  #2    dyld::notifySingle(dyld_image_states, ImageLoader const*, ImageLoader::InitializerTimingList*) ()
  #3    ImageLoader::recursiveInitialization(ImageLoader::LinkContext const&, unsigned int, char const*, ImageLoader::InitializerTimingList&, ImageLoader::UninitedUpwards&) ()
  #4    ImageLoader::recursiveInitialization(ImageLoader::LinkContext const&, unsigned int, char const*, ImageLoader::InitializerTimingList&, ImageLoader::UninitedUpwards&) ()
  #5    ImageLoader::recursiveInitialization(ImageLoader::LinkContext const&, unsigned int, char const*, ImageLoader::InitializerTimingList&, ImageLoader::UninitedUpwards&) ()
  #6    ImageLoader::recursiveInitialization(ImageLoader::LinkContext const&, unsigned int, char const*, ImageLoader::InitializerTimingList&, ImageLoader::UninitedUpwards&) ()
  #7    ImageLoader::processInitializers(ImageLoader::LinkContext const&, unsigned int, ImageLoader::InitializerTimingList&, ImageLoader::UninitedUpwards&) ()
  #8    ImageLoader::runInitializers(ImageLoader::LinkContext const&, ImageLoader::InitializerTimingList&) ()
  #9    dyld::initializeMainExecutable() 
  #10   dyld::_main(macho_header const*, unsigned long, int, char const**, char const**, char const**, unsigned long*) ()
  #11   dyldbootstrap::start(macho_header const*, int, char const**, long, macho_header const*, unsigned long*) ()
  #12   _dyld_start ()

_dyld_start 和 dyldbootstrap::start使用汇编实现，我们重点看下dyld::_main开始的实现。

  • dyld::_main,动态链接器的入口函数，代码较多，只展示部分代码：

    //
// Entry point for dyld.  The kernel loads dyld and jumps to __dyld_start which
// sets up some registers and call this function.
//
// Returns address of main() in target program which __dyld_start jumps to
//
uintptr_t
_main(const macho_header* mainExecutableMH, uintptr_t mainExecutableSlide, 
        int argc, const char* argv[], const char* envp[], const char* apple[], 
        uintptr_t* startGlue)  {
    //1.配置环境
    ...很多代码
    //2.加载共享缓存
    checkSharedRegionDisable((dyld3::MachOLoaded*)mainExecutableMH, mainExecutableSlide);
    //3.实例化主程序
    sMainExecutable = instantiateFromLoadedImage(mainExecutableMH, mainExecutableSlide, sExecPath);
    gLinkContext.mainExecutable = sMainExecutable;
    gLinkContext.mainExecutableCodeSigned = hasCodeSignatureLoadCommand(mainExecutableMH);
    //4.插入动态库（使用动态库注入代码就是通过这个实现的）
    if ( sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES != NULL ) {
          for (const char* const* lib = sEnv.DYLD_INSERT_LIBRARIES; *lib != NULL; ++lib) 
              loadInsertedDylib(*lib);
      }
    //5.链接主程序
    gLinkContext.linkingMainExecutable = true;
    link(sMainExecutable, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
    //6.链接插入的动态库
    ...很多代码
    //7.初始化主程序
    initializeMainExecutable(); 
    //...快结束了 
}

    和我们今天主题相关的为link()和initializeMainExecutable()两个过程，分别负责链接(符号rebase,binding)和初始化(调用load，__attribute__((constructor)) 修饰的c函数等)的工作。

  • link()

    void link(ImageLoader* image, bool forceLazysBound, bool neverUnload, const 
  ImageLoader::RPathChain& loaderRPaths, unsigned cacheIndex)
{
  // add to list of known images.  This did not happen at creation time for bundles
  if ( image->isBundle() && !image->isLinked() )
      addImage(image);

  // we detect root images as those not linked in yet 
  if ( !image->isLinked() )
      addRootImage(image);
  
  // process images
  try {
      const char* path = image->getPath();
#if SUPPORT_ACCELERATE_TABLES
      if ( image == sAllCacheImagesProxy )
          path = sAllCacheImagesProxy->getIndexedPath(cacheIndex);
#endif
      image->link(gLinkContext, forceLazysBound, false, neverUnload, loaderRPaths, path);
  }
  catch (const char* msg) {
      garbageCollectImages();
      throw;
  }
}

    link()中又调用ImageLoader::link方法，ImageLoader是一个基类负责加载image文件（主程序，动态库）每个image对应一个ImageLoader子类的实例，我们继续看下它的实现：

  • ImageLoader::link

     void ImageLoader::link(const LinkContext& context, bool forceLazysBound, bool preflightOnly, bool neverUnload, const RPathChain& loaderRPaths, const char* imagePath)
 {
  //dyld::log("ImageLoader::link(%s) refCount=%d, neverUnload=%d\n", imagePath, fDlopenReferenceCount, fNeverUnload);
  
  // clear error strings
  (*context.setErrorStrings)(0, NULL, NULL, NULL);

  uint64_t t0 = mach_absolute_time();
  this->recursiveLoadLibraries(context, preflightOnly, loaderRPaths, imagePath);
  context.notifyBatch(dyld_image_state_dependents_mapped, preflightOnly);

  // we only do the loading step for preflights
  if ( preflightOnly )
      return;

  uint64_t t1 = mach_absolute_time();
  context.clearAllDepths();
  this->recursiveUpdateDepth(context.imageCount());

  //省略符号rebase 和binding过程...
}

    ImageLoader::link中使用ImageLoader::recursiveLoadLibraries加载动态库,截取部分代码：

  • ImageLoader::recursiveLoadLibraries

     void ImageLoader::recursiveLoadLibraries(const LinkContext& context, bool preflightOnly, const RPathChain& loaderRPaths, const char* loadPath)
{
    //...省略很多代码
    // 获取当前image依赖的动态库
    DependentLibraryInfo libraryInfos[fLibraryCount]; 
    this->doGetDependentLibraries(libraryInfos);
    //...省略很多代码

    for(unsigned int i=0; i < fLibraryCount; ++i){ 
       //加载动态库
       DependentLibraryInfo& requiredLibInfo = libraryInfos[i];
       dependentLib = context.loadLibrary(requiredLibInfo.name, true, this->getPath(), &thisRPaths, enforceIOSMac, cacheIndex);
       //...省略很多代码
    }
    
    //保存加载完成的动态库
    setLibImage(i, dependentLib, depLibReExported, requiredLibInfo.upward);

   // 告诉此image依赖的动态库们递归的加载各自依赖的动态库
   for(unsigned int i=0; i < libraryCount(); ++i) {
      ImageLoader* dependentImage = libImage(i);
      if ( dependentImage != NULL ) { 
          dependentImage->recursiveLoadLibraries(context, preflightOnly, thisRPaths, libraryInfos[i].name);
      }
   }
   //...省略很多代码
}

    此方法也比较长，它主要做的事情是：1）获取当前image依赖的的动态库；2）循环加载当前image依赖的动态库；3）告诉当前image依赖的动态库们递归的加载各自依赖的动态库；
    具体的加载方法在dyld.cpp的ImageLoader* load(const char* path, const LoadContext& context, unsigned& cacheIndex)，我们不多做介绍。从上面的代码可以知道，dyld通过doGetDependentLibraries获取了image依赖的动态库信息，然后循环加载，这个函数的实现会影响动态库的加载顺序，我们看下doGetDependentLibraries的实现（doGetDependentLibraries是个虚函数，只有在ImageLoaderMachO.cpp中找到了它的实现）：

  • ImageLoaderMachO::doGetDependentLibraries

    void ImageLoaderMachO::doGetDependentLibraries(DependentLibraryInfo libs[])
{
  if ( needsAddedLibSystemDepency(libraryCount(), (macho_header*)fMachOData) ) {
      DependentLibraryInfo* lib = &libs[0];
      lib->name = LIBSYSTEM_DYLIB_PATH;
      lib->info.checksum = 0;
      lib->info.minVersion = 0;
      lib->info.maxVersion = 0;
      lib->required = false;
      lib->reExported = false;
      lib->upward = false;
  }
  else {
      uint32_t index = 0;
      const uint32_t cmd_count = ((macho_header*)fMachOData)->ncmds;
      const struct load_command* const cmds = (struct load_command*)&fMachOData[sizeof(macho_header)];
      const struct load_command* cmd = cmds;
      for (uint32_t i = 0; i < cmd_count; ++i) {
          switch (cmd->cmd) {
              case LC_LOAD_DYLIB:
              case LC_LOAD_WEAK_DYLIB:
              case LC_REEXPORT_DYLIB:
              case LC_LOAD_UPWARD_DYLIB:
              {
                  const struct dylib_command* dylib = (struct dylib_command*)cmd;
                  DependentLibraryInfo* lib = &libs[index++];
                  lib->name = (char*)cmd + dylib->dylib.name.offset;
                  //lib->name = strdup((char*)cmd + dylib->dylib.name.offset);
                  lib->info.checksum = dylib->dylib.timestamp;
                  lib->info.minVersion = dylib->dylib.compatibility_version;
                  lib->info.maxVersion = dylib->dylib.current_version;
                  lib->required = (cmd->cmd != LC_LOAD_WEAK_DYLIB);
                  lib->reExported = (cmd->cmd == LC_REEXPORT_DYLIB);
                  lib->upward = (cmd->cmd == LC_LOAD_UPWARD_DYLIB);
              }
              break;
          }
          cmd = (const struct load_command*)(((char*)cmd)+cmd->cmdsize);
      }
  }
}

    dyld通过读取当前Mach-O文件的Load Commonds段来获取到它依赖的动态库，涉及到的字段有LC_LOAD_DYLIB、LC_LOAD_WEAK_DYLIB、LC_REEXPORT_DYLIB、LC_LOAD_UPWARD_DYLIB，遍历时通过&libs[]记录。而影响Load Commonds中动态库顺序的是Xcode中Link Binary With Libraries的顺序。下图是上文Demo工程的Mach-O中Load Commonds的示例截图：

    Load Commonds

好了，我们通过实验和源码的方式了解到了动态库的加载顺序：1）先从当前image文件（可执行文件/动态库）的Load Commonds中获取动态库的信息（包括顺序，名字，路径等）；2）然后循环加载它依赖的动态库；3）加载完后，再根据当前image依赖的动态库列表递归加载各自依赖的动态库。

3.填坑篇

文章开始我们就挖了一个坑：实验的方式是建立在“load方法的调用顺序当做是动态库的加载顺序”这一假设上的，那么这一假设成立吗？
从上文中+[ClassF load]的调用栈可知：load 方法的调用是在initializeMainExecutable()中，在link()之后，initializeMainExecutable()后又调用ImageLoader::runInitializers()，ImageLoader::processInitializers()，我们看下代码：

  • ImageLoader::processInitializers中调用了ImageLoader::recursiveInitialization，从名字看进行了递归方式的初始化。 
    void ImageLoader::processInitializers(const LinkContext& context, mach_port_t thisThread,
                                   InitializerTimingList& timingInfo, 
ImageLoader::UninitedUpwards& images)
{
  uint32_t maxImageCount = context.imageCount()+2;
  ImageLoader::UninitedUpwards upsBuffer[maxImageCount];
  ImageLoader::UninitedUpwards& ups = upsBuffer[0];
  ups.count = 0;
  // Calling recursive init on all images in images list, building a new list of
  // uninitialized upward dependencies.
  for (uintptr_t i=0; i < images.count; ++i) {
      images.images[i]->recursiveInitialization(context, thisThread, images.images[i]->getPath(), timingInfo, ups);
  }
  // If any upward dependencies remain, init them.
  if ( ups.count > 0 )
      processInitializers(context, thisThread, timingInfo, ups);
 }
  • ImageLoader::recursiveInitialization，截取部分代码： 
    void ImageLoader::recursiveInitialization(const LinkContext& context, mach_port_t this_thread, const char* pathToInitialize,
                                        InitializerTimingList& timingInfo, UninitedUpwards& uninitUps)
{
  
  //优先初始化fDepth深的库
  for(unsigned int i=0; i < libraryCount(); ++i) {
      ImageLoader* dependentImage = libImage(i);
      if ( dependentImage != NULL ) {
          // don't try to initialize stuff "above" me yet
          if ( libIsUpward(i) ) {
              uninitUps.images[uninitUps.count] = dependentImage;
              uninitUps.count++;
          }
          else if ( dependentImage->fDepth >= fDepth ) {
              dependentImage->recursiveInitialization(context, this_thread, libPath(i), timingInfo, uninitUps);
          }
      }
  }


  // 告诉objc我们准备初始化image了
  uint64_t t1 = mach_absolute_time();
  fState = dyld_image_state_dependents_initialized;
  oldState = fState;
  context.notifySingle(dyld_image_state_dependents_initialized, this, &timingInfo);

  // 初始化image
  bool hasInitializers = this->doInitialization(context);

  // 告诉objc初始化完成
  fState = dyld_image_state_initialized;
  oldState = fState;
  context.notifySingle(dyld_image_state_initialized, this, NULL);

 //...
}
    从上面的代码可以看出，初始化的动态库是从libImage()中获取,而libImage()的数据是在加载动态库的ImageLoader::recursiveLoadLibraries中的setLibImage()进行保存的。通过比较fDepth，优先初始化fDepth大的库，我们再看下fDepth的赋值：
  • ImageLoader::recursiveUpdateDepth 
    unsigned int ImageLoader::recursiveUpdateDepth(unsigned int maxDepth)
{
  // the purpose of this phase is to make the images sortable such that 
  // in a sort list of images, every image that an image depends on
  // occurs in the list before it.
  if ( fDepth == 0 ) {
      // break cycles
      fDepth = maxDepth;
      
      // get depth of dependents
      unsigned int minDependentDepth = maxDepth;
      for(unsigned int i=0; i < libraryCount(); ++i) {
          ImageLoader* dependentImage = libImage(i);
          if ( (dependentImage != NULL) && !libIsUpward(i) ) {
              unsigned int d = dependentImage->recursiveUpdateDepth(maxDepth);
              if ( d < minDependentDepth )
                  minDependentDepth = d;
          }
      }
  
      // make me less deep then all my dependents
      fDepth = minDependentDepth - 1;
  }
  
  return fDepth;
}
    在整个依赖树的关系中，层级越深，fDepth的值越大，ImageLoader::recursiveUpdateDepth的调用在ImageLoader::recursiveLoadLibraries之后，通过上面的分析过程我们知道：在加载动态库时将动态库的信息通过setLibImage()保存，加载完成后dyld根据依赖关系递归地给各个库都计算了依赖深度：fDepth，在初始化的时候递归地根据fDepth进行初始化，每初始化一个image都会使用 context.notifySingle()通知Objc通过load_images()调用load方法。从分析结果看：不同库中的load方法的调用顺序可以当做是动态库的加载顺序。（dyld过程比较复杂，本人水平有限，如有错误敬请指出~）
dyld_main.png
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