iOS之武功秘籍 文章匯總

寫在前面

本文主要是理解LLVM的編譯流程

本節(jié)可能用到的秘籍Demo

一、什么是編譯器？

① Python案例

• 創(chuàng)建Python文件夾衙吩，新建helloDemo.py文件笔刹，內(nèi)容 print("hello\n")
• 調(diào)用python helloDemo.py執(zhí)行文件芥备，打印出hello
  

② C 案例

• vim創(chuàng)建helloDemo.c文件

• clang helloDemo.c編譯，生成a.out文件.

file a.out查看文件,發(fā)現(xiàn).out文件是：64位的Mach-O可執(zhí)行文件舌菜，當(dāng)前clang出來的是x86_64架構(gòu)萌壳，mac電腦可讀. 所以可以./a.out直接執(zhí)行：

③ 相關(guān)疑問

③.1 解釋型語言與編譯型語言

• 編譯型語言：編譯后輸出的是指令（0、1組合）日月，cpu可直接執(zhí)行指令
  • C語言是編譯型語言袱瓮，不能直接執(zhí)行，需要編譯器將其轉(zhuǎn)換成機器識別語言
• 解釋性語言：生成的是數(shù)據(jù)爱咬，不是0尺借、1組合，機器也能直接識別
  • python是解釋型語言精拟，一邊翻譯一邊執(zhí)行.和js一樣燎斩，機器可直接執(zhí)行.

編譯器的作用，就是將高級語言轉(zhuǎn)化為機器能夠識別的語言(可執(zhí)行文件)

③.2 匯編有指令嗎蜂绎？

• 早期科學(xué)家栅表，使用0、1編碼. 比如 00001111 對應(yīng) call师枣， 00000111 對應(yīng)bl.有了對應(yīng)關(guān)系后. 再手敲0和1就有點難受了.于是寫個中間解釋器怪瓶，我們只用輸入call、bl這樣的標(biāo)記指令践美，經(jīng)過解釋器洗贰，變成0和1的組合，再交給機器去執(zhí)行.這就是匯編的由來.
• 而基于匯編往上陨倡，再映射和封裝相關(guān)對應(yīng)關(guān)系.就跨時代性的c語言敛滋，再往上層封裝，就出現(xiàn)了高級語言oc玫膀、swift等語言.所以匯編執(zhí)行快矛缨，因為它是直接轉(zhuǎn)換為機器語言.
• 但匯編的指令集爹脾，是針對同一操作系統(tǒng)而言帖旨，它不支持跨平臺.機器指令是cpu的在識別.早期的計算機廠家非常多，雖然都用0和1的組合灵妨，但相同組合背后卻是相應(yīng)不同的指令.所以匯編無法跨平臺解阅，不同操作系統(tǒng)下，匯編指令是不同的.

二泌霍、LLVM概述

LLVM是架構(gòu)編譯器（compiler）的框架系統(tǒng)货抄，以C++編寫而成述召，用于優(yōu)化以任意程序語言編寫的程序的編譯時間（compile-time）、鏈接時間(link-time)蟹地、運行時間（run-time）以及空閑時間（idle-time）积暖，對開發(fā)者保持開放，并兼任已有腳本.
LLVM計劃啟動于2000年,最初由美國UIUC大學(xué)的Chris Lattner博士主持開展.
2006年Chris Lattner加盟Apple Inc.并致力于LLVM在Apple開發(fā)體系中的應(yīng)用.Apple也是LLVM計劃的主要資助者.
目前LLVM已經(jīng)被蘋果iOS開發(fā)工具怪与、Xilinx Vivado夺刑、Facebook、Google等各大公司采用.

三分别、傳統(tǒng)編譯器的設(shè)計

源碼 Source Code + 前端 Frontend + 優(yōu)化器 Optimizer + 后端 Backend（代碼生成器 CodeGenerator）+ 機器碼 Machine Code遍愿，如下圖所示

編譯器前端(Frontend)
編譯器前端的任務(wù)是解析源代碼（編譯階段），它會進行 詞法分析耘斩、語法分析沼填、語義分析、檢查源代碼是否存在錯誤括授，然后構(gòu)建抽象語法樹（Abstract Syntax Tree AST）坞笙，LLVM的前端還會生成中間代碼（intermediate representation，簡稱IR）刽脖，可以理解為LLVM是編譯器 + 優(yōu)化器羞海， 接收的是IR中間代碼，輸出的還是IR曲管，給后端却邓，經(jīng)過后端翻譯成目標(biāo)指令集

優(yōu)化器(Optimizer)
優(yōu)化器負責(zé)進行各種優(yōu)化，改善代碼的運行時間院水，例如消除冗余計算等

后端(Backend)/(代碼生成器 Code Generator)
將代碼映射到目標(biāo)指令集腊徙，生成機器代語言，并且進行機器代碼相關(guān)的代碼優(yōu)化

iOS的編譯器架構(gòu)

Objective C/C/C++ 使用的編譯器前端是Clang檬某，Swift是swift撬腾，后端都是LLVM.

LLVM的設(shè)計

當(dāng)編譯器決定支持多種源語言或多種硬件架構(gòu)時,LLVM最重要的地方就來了.其他的編譯器如GCC,它方法非常成功,但由于它是作為整體應(yīng)用程序設(shè)計的,因此它們的用途受到了很大的限制.
LLVM設(shè)計的最重要方面是，使用通用的代碼表示形式（IR）恢恼，它是用來在編譯器中表示代碼的形式民傻，所以LLVM可以為任何編程語言獨立編寫前端，并且可以為任意硬件架構(gòu)獨立編寫后端场斑，如下所示

通俗的一句話理解就是：LLVM的設(shè)計是前后端分離的漓踢，無論前端還是后端發(fā)生變化，都不會影響另一個

Clang簡介

Clang是LLVM項目中的一個子項目漏隐，它是基于LLVM架構(gòu)圖的輕量級編譯器喧半，誕生之初是為了替代GCC，提供更快的編譯速度青责，它是負責(zé)C挺据、C++取具、OC語言的編譯器，屬于整個LLVM架構(gòu)中的 編譯器前端扁耐，對于開發(fā)者來說暇检，研究Clang可以給我們帶來很多好處

四、LLVM編譯流程

• 新建一個Mac OS的命令行工程:

• 沒有改動代碼

① 打印源碼的編譯階段

• cd到main.m的文件夾.使用clang -ccc-print-phases main.m命令查看main.m的編譯步驟：

編譯流程分為以下7步：

• 0: input, "main.m", objective-c：
  • 輸入文件：找到源文件
• 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output：
  • 預(yù)處理：宏的展開婉称，頭文件的導(dǎo)入
• 2: compiler, {1}, ir：
  • 編譯：詞法占哟、語法、語義分析酿矢，最終生成IR
• 3: backend, {2}, assembler ()：
  • 匯編： LLVM通過一個個的Pass去優(yōu)化榨乎，每個Pass做一些事，最后生成匯編代碼
• 4: assembler, {3}, object：
  • 目標(biāo)文件
• 5: linker, {4}, image：
  • 鏈接： 鏈接需要的動態(tài)庫和靜態(tài)庫瘫筐，生成可執(zhí)行文件
• 6: bind-arch, "x86_64", {5}, image：
  • 架構(gòu)可執(zhí)行文件：通過不同架構(gòu)蜜暑，生成對應(yīng)的可執(zhí)行文件

optimizer優(yōu)化并沒有作為一個獨立階段，在編譯階段內(nèi)部完成的

② 預(yù)處理階段

這個階段主要是處理包括宏的替換策肝，頭文件的導(dǎo)入肛捍，可以執(zhí)行如下命令，執(zhí)行完畢可以看到頭文件的導(dǎo)入和宏的替換

• main.m文件中準(zhǔn)備測試代碼:

• clang預(yù)編譯輸出main2.m文件：通過指令clang -E main.m >> main2.m
• 打開main2.m文件其中大部分是stdio庫的代碼：

• 我們發(fā)現(xiàn)測試代碼中的宏C之众，在預(yù)編譯階段完成了替換拙毫，變成了30

• 修改測試代碼，給int類型取個別名CJ_INT_64棺禾，再次預(yù)編譯處理：

• 發(fā)現(xiàn)typedef不會被替換

小結(jié):

• typedef在給數(shù)據(jù)類型取別名時缀蹄，在預(yù)處理階段不會被替換掉
• define則在預(yù)處理階段會被替換，所以經(jīng)常被用來進行代碼混淆膘婶，目的是為了app安全缺前，實現(xiàn)邏輯是：將app中核心類、核心方法等用系統(tǒng)相似的名稱進行取別名悬襟，然后在預(yù)處理階段就被替換了衅码，來達到代碼混淆的目的

③ 編譯階段

編譯階段主要是進行詞法、語法等的分析和檢查脊岳，然后生成中間代碼IR

③.1 詞法分析

預(yù)處理完成后就會進行詞法分析逝段，這里會把代碼切成一個個Token，比如大小括號割捅、等于號還有字符串等,而且還標(biāo)注了位置是第幾行的第幾個字符開始的.

• 可以通過clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m命令查看

③.2 語法分析

詞法分析完成后就是語法分析奶躯，它的任務(wù)是驗證語法是否正確，在詞法分析的基礎(chǔ)上將單詞序列組合成各類此法短語棺牧，如程序巫糙、語句朗儒、表達式 等等颊乘，然后將所有節(jié)點組成抽象語法樹（Abstract Syntax Tree, AST）参淹，語法分析程序判斷源程序在結(jié)構(gòu)上是否正確.

• 可以通過clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m命令查看語法分析的結(jié)果

其中，主要說明幾個關(guān)鍵字的含義

• -FunctionDecl 函數(shù)
• -ParmVarDecl 參數(shù)
• -CallExpr 調(diào)用一個函數(shù)
• -BinaryOperator 運算符

④ 生成中間代碼IR

完成以上步驟后乏悄，就開始生成中間代碼IR了檩小，代碼生成器（Code Generation）會將語法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成LLVM IR.

• 通過clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m命令可以生成.ll的文本文件，查看IR代碼.OC代碼在這一步會進行runtime橋接：property合成规求、ARC處理等

IR基本語法

• @ 全局標(biāo)識
• % 局部標(biāo)識
• alloca 開辟空間
• align 內(nèi)存對齊
• i32 32bit筐付，4個字節(jié)
• store 寫入內(nèi)存
• load 讀取數(shù)據(jù)
• call 調(diào)用函數(shù)
• ret 返回

下面是生成的中間代碼.ll文件

其中，test函數(shù)的參數(shù)解釋為

圖中為何多創(chuàng)建那么多局部變量阻肿？（如test函數(shù)內(nèi)的a5瓦戚、a6)
因為在上一階段（編譯階段），我們將代碼編譯成了語法樹結(jié)構(gòu).而此時丛塌，我們只是沿著語法樹進行讀取.語法樹每一個層級较解，都需要一個臨時變量來承接.再返回上一層級處理.所以會產(chǎn)生那么多局部變量

當(dāng)然，IR文件在OC中是可以進行優(yōu)化的赴邻，一般Xcode中設(shè)置是在target - Build Setting - Optimization Level（優(yōu)化器等級）中設(shè)置.(Debug模式默認None [O0]無優(yōu)化印衔，Release模式默認Fastest,Smallest [Os]最快最小)

LLVM的優(yōu)化級別分別是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一個是大寫英文字母O)，下面是帶優(yōu)化的生成中間代碼IR的命令

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

優(yōu)化后的代碼姥敛，舒服多了.之前那些冗余的臨時局部變量奸焙，也都被優(yōu)化，代碼量減少很多.

• xcode7以后開啟bitcode彤敛，蘋果會做進一步優(yōu)化忿偷，生成.bc的中間代碼，我們通過優(yōu)化后的IR代碼生成.bc代碼.
  • 優(yōu)化指令clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

⑤ 生成匯編代碼

LLVM在后端主要是會通過一個個的Pass去優(yōu)化臊泌，每個Pass做一些事情鲤桥，最終生成匯編代碼

• 完成中間代碼的生成后，可以將代碼轉(zhuǎn)變?yōu)?code>匯編代碼了
• 此刻我們有4種不同程度的代碼（源代碼->無優(yōu)化IR代碼->Os優(yōu)化IR代碼 -> bitcode優(yōu)化代碼）

• 分別對4種程度的代碼輸出匯編文件：

clang -S -fobjc-arc main.m -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o mainO0.s
clang -S -fobjc-arc mainOs.ll -o mainOs.s
clang -S -fobjc-arc main.bc -o mainbc.s

可以看到在生成匯編代碼時渠概，只有選擇了優(yōu)化等級茶凳，才能減少匯編代碼量.

• 生成匯編代碼也可以進行優(yōu)化---即在生成中間代碼的前后，都可以進行優(yōu)化
  • ① 將main.m直接選擇Os級別優(yōu)化生成.s匯編文件--clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o mainOs.s
  • ② 將main.m生成無優(yōu)化的mainO0.ll播揪，再mainO0.ll選擇Os級別優(yōu)化生成.s匯編文件 -- clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o mainO0.ll,clang -Os -S -fobjc-arc mainO0.ll -o mainO0Os.s
  • ③ 將main.m選擇Os級別優(yōu)化生成mainOs.ll贮喧，再mainOs.ll選擇無優(yōu)化級別生成.s匯編文件 -- clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o mainOs.ll,clang -S -fobjc-arc mainOs.ll -o mainOsO0.s
  • ④ 將main.m選擇Os級別優(yōu)化生成mainOs.ll，再mainOs.ll選擇Os級別優(yōu)化生成.s匯編文件 -- clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o mainOs.ll,clang -Os -S -fobjc-arc mainOs.ll -o mainOsOs.s

⑥ 生成目標(biāo)文件（機器代碼）

目標(biāo)文件的生成猪狈，是匯編器以匯編代碼作為插入箱沦，將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機器代碼，最后輸出目標(biāo)文件（object file）-- clang -fmodules -c main.s -o main.o

• 此時我們file對比一下main.s匯編代碼和main.o機器代碼.

• 可以通過nm命令雇庙，查看下main.o中的符號 -- xcrun nm -nm main.o

  • _printf函數(shù)是一個是undefined 谓形、external 的
  • undefined表示在當(dāng)前文件暫時找不到符號_printf
  • external表示這個符號是外部可以訪問的

所以當(dāng)前雖轉(zhuǎn)換成了機器代碼.但是只是目標(biāo)文件灶伊，并不能直接執(zhí)行，需要將所有資源鏈接起來寒跳，才可以執(zhí)行.

⑦ 生成可執(zhí)行文件（鏈接）

鏈接主要是鏈接需要的動態(tài)庫和靜態(tài)庫聘萨，生成可執(zhí)行文件，其中

• 靜態(tài)庫會和可執(zhí)行文件合并
• 動態(tài)庫是獨立的

連接器把編譯生成的.o文件和 .dyld 童太、.a文件鏈接米辐，生成一個mach-o文件,接著輸入以下指令

clang main.o -o main // 將目標(biāo)文件轉(zhuǎn)成可執(zhí)行文件
file main            // 查看文件
xcrun nm -nm main    // 查看main的符號

結(jié)果如下所示，其中的undefined表示會在運行時進行動態(tài)綁定

對比main.o目標(biāo)文件书释，此時生成的main文件：

• 從object文件變成了executable可執(zhí)行文件
• 雖然都有undefined翘贮，但是可執(zhí)行文件中指定了該符號的來源庫.機器在運行時，會從相應(yīng)的庫中取讀取該符號(printf)

⑧ 綁定

綁定主要是通過不同的架構(gòu)爆惧，生成對應(yīng)的mach-o格式可執(zhí)行文件

至此择膝，我們已完整分析了:從源代碼到可執(zhí)行文件的整個流程.

寫在后面

和諧學(xué)習(xí),不急不躁.我還是我,顏色不一樣的煙火.