自研 iOS 熱更新機制——OCPack技術(shù)方案總結(jié)

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I. 方案簡介

OCPack是一種 iOS 平臺上 App 動態(tài)化技術(shù)方案箩帚，用戶可以使用 Objective-C 語言編寫待動態(tài)化的功能邏輯（生成.m文件），然后通過OCPack提供的工具鏈生成 patch 文件（.bin格式)。客戶端則內(nèi)置了一個基于 Native 環(huán)境的的虛擬棧機蛇摸，它可以動態(tài)加載并執(zhí)行存儲在客戶端的 patch 文件中的方法笋婿。Patch 文件可根據(jù)業(yè)務(wù)需要隨時下載、更新并由虛擬機重新加載勘天、運行觅赊。

此方案的主要優(yōu)點：

開發(fā)效率

可以使開發(fā)者像寫普通功能代碼一樣右蕊，使用熟悉的 Xcode IDE 和 Objective-C 語言進行開發(fā)、調(diào)試吮螺，在開發(fā)完成后使用工具鏈即可方便地生成 patch 文件饶囚，提高開發(fā) patch 的效率。
語法覆蓋

考慮到使用者的方便性和開發(fā)周期的平衡鸠补，目前OCPack的實現(xiàn)覆蓋了c語言的基本語法和 Objective-C 中比較常用的語法萝风，保證開發(fā)者在使用中大部分常用的寫法都能直接支持，而部分不能支持的語法也有相應(yīng)的替代實現(xiàn)方式紫岩。
問題定位
- 對于暫不支持的語法规惰，OCPack的工具鏈能夠明確地給出錯誤原因提示及錯誤代碼位置，方便定位開發(fā)中遇到的問題泉蝌。
- 上線后也可以調(diào)用相應(yīng)接口獲取虛擬機在各線程的調(diào)用棧信息歇万，結(jié)合編譯過程中生成的符號文件揩晴，開發(fā)就能夠準(zhǔn)確定位到當(dāng)時虛擬機調(diào)用到的源文件代碼行數(shù)，方便定位贪磺、解決線上問題硫兰。符號解析工具也包含在工具鏈中。
性能

由于是基于 Native 環(huán)境寒锚，且自定義的棧機指令集意義明確瞄崇、設(shè)計精簡，并且大部分與 Native 環(huán)境之間的交互都是直接操作內(nèi)存地址壕曼，省去了像 JSPatch 一樣頻繁字符串解析及 Box/Unbox 的開銷。其中 OC 橋接調(diào)用效率近似原生等浊。
內(nèi)存及穩(wěn)定性
- JavaScript 的 GC 的內(nèi)存管理機制會導(dǎo)致內(nèi)存不能及時釋放腮郊，而如果強行釋放掉 JSContext 會導(dǎo)致線上出現(xiàn)一些詭異的崩潰，難以定位和解決筹燕。
- 此方案支持 ARC 內(nèi)存管理轧飞，能夠與客戶端的 ARC/MRC 內(nèi)存管理機制正確配合，消除了GC時機不可控的問題撒踪。
- 而且結(jié)合項目本身的特點过咬，將主要使用到的內(nèi)存都放到文件映射（mmap）中，盡量不占用應(yīng)用程序的內(nèi)存配額制妄，提高應(yīng)用的穩(wěn)定性掸绞。

II. 技術(shù)方案

OCPack復(fù)用 clang 前端來分析目標(biāo) Objective-C 代碼的語法樹，通過自定義 ASTFrontendAction 來遍歷語法樹耕捞，生成自定義指令集的匯編程序衔掸。在客戶端，由自研的虛擬棧機來解釋執(zhí)行匯編程序中的二進制指令俺抽。

生成 patch 文件的基本數(shù)據(jù)流程是：

Objective-C 源碼會首先通過OCPack編譯模塊轉(zhuǎn)換為自定義指令集的匯編程序（.s）敞映。此過程主要是通過解析 LLVM 生成的 Objective-C 代碼語法樹（AST）實現(xiàn)的。
匯編程序（.s）隨后會通過一個自研匯編工具（smc）被轉(zhuǎn)換為二進制的 patch 文件（.bin）磷斧。

注：OCPack自定義的棧機匯編指令主要有67條振愿，除基本指令以外，主要是依據(jù)語法樹結(jié)點類型設(shè)計弛饭。

在運行時冕末，客戶端內(nèi)置的虛擬棧機能夠根據(jù)用戶需求加載指定的 patch 文件，然后就可以執(zhí)行其中任意方法了侣颂。

以下分模塊來介紹主要技術(shù)點：

編譯模塊：

功能：Objective-C程序(.m) -> 語法樹 -> 匯編程序(.s)

1. 獨立的編譯程序

主要使用 clang 的 libTooling 接口栓霜，實現(xiàn)了 AST FrontendAction，通過實現(xiàn)自定義的 ASTConsumer 遞歸遍歷語法樹横蜒，對不同的節(jié)點類型作相應(yīng)處理胳蛮，生成可執(zhí)行的匯編指令程序销凑。

編譯選項

要調(diào)用 clang 的模塊為目標(biāo) Objective-C 源文件（.m）生成語法樹，需要先提供編譯此 .m 所需的編譯選項仅炊。對于集成方來說斗幼，目標(biāo)文件可能需要依賴很多相關(guān)的.h或有其他編譯開關(guān)，為了方便集成方得到完整的編譯選項列表抚垄，我們制作了相應(yīng)的工具蜕窿，可以方便地從集成方工程的編譯日志中得到目標(biāo)文件所需的編譯選項的完整列表。
編譯錯誤和警告

OCPack支持 Objective-C 語言中常用的語法類型呆馁，對于不支持的語法桐经，在編譯期間會生成相應(yīng)的日志文件，具體標(biāo)明了錯誤類型和錯誤位置浙滤，方便開發(fā)定位問題阴挣。

注：為了進一步提高開發(fā)效率，OCPack還實現(xiàn)了一個獨立的 clang plugin纺腊，可以通過給工程添加一個 .xcconfig 文件（替換默認(rèn)的 clang）畔咧，實現(xiàn)在 Xcode 中顯示相關(guān)的編譯錯誤，并能一鍵生成 .bin文件揖膜，省去了獲取編譯選項和手工查看錯誤日志的步驟誓沸，簡化了開發(fā)流程。

2. 棧機匯編指令集

為了連接包含有 Objective-C 代碼邏輯的語法樹和客戶端運行的虛擬機壹粟，OCPack需要定義一套比較完整的匯編指令集拜隧。該指令集應(yīng)該滿足以下兩個條件：

提供足夠的功能支持，用以實現(xiàn)預(yù)定義的 Objective-C 語法范圍趁仙。具體地虹蓄，對于指定的語法樹節(jié)點類型集合，能夠通過編譯邏輯生成相應(yīng)的匯編指令組合幸撕，等價地完成原 Objective-C 代碼所要實現(xiàn)的邏輯功能薇组。
盡量減少指令集的復(fù)雜性：一方面應(yīng)盡量減少指令的條數(shù)，以降低虛擬機實現(xiàn)的復(fù)雜性坐儿；另一方面應(yīng)盡量降低單條指令本身的語義復(fù)雜性律胀，每條指令應(yīng)完成明確而有限的功能。

以下簡要介紹幾個比較典型的指令的設(shè)計方案：

2.1 push 和 pop 指令

棧機中最基本的部件是操作棧貌矿，用于存放正在進行中的操作數(shù)和操作結(jié)果炭菌。如：要計算 1 + 2，棧機需要執(zhí)行類似以下指令：

    push instant 1
    push instant 2
    add
復(fù)制代碼

先將兩個操作數(shù)1和2依次 push 進操作棧逛漫，再執(zhí)行 add 操作黑低。add 操作負(fù)責(zé)先 pop 對應(yīng)的操作數(shù)，經(jīng)過加法計算后再將結(jié)果 push 進棧。以上指令執(zhí)行完后克握，操作棧頂存放的就是操作結(jié)果3蕾管。

但只有操作棧是不夠的，程序邏輯的復(fù)雜性要求像局部變量菩暗、方法參數(shù)等數(shù)據(jù)擁有確定不變的內(nèi)存地址掰曾，因此OCPack將局部變量、靜態(tài)變量停团、常量旷坦、指針、立即數(shù)等分別對應(yīng)一個段佑稠，每種類型的變量對應(yīng)于所屬段中的一個序號（index）秒梅。

段：用于存放各種非臨時數(shù)據(jù)（可取到地址的數(shù)據(jù)），這些數(shù)據(jù)又分線程相關(guān)與線程無關(guān)舌胶，其中：
線程相關(guān)的數(shù)據(jù)段主要包括：

        local    //局部變量
        arg      //方法實參
        this     //存放self（用于super的實現(xiàn)）
        that     //用于實現(xiàn)struct的成員變量
        pointer  //用于輔助實現(xiàn)this, that 
        //注: 線程相關(guān)的段數(shù)據(jù)存放在thread_context(線程局部存儲)中捆蜀，只對本線程可見
復(fù)制代碼

線程無關(guān)的數(shù)據(jù)段主要包括：

        const    //常量字符串
        static   //靜態(tài)變量
        instant  //立即數(shù)
        //注：線程無關(guān)的段數(shù)據(jù)存放在machine中，各線程都可見
復(fù)制代碼

在對語法樹進行遍歷的過程中辆琅，OCPack編譯器會維護一個符號表，對每個變量聲明（VarDecl）建立相應(yīng)的符號表項这刷，存放其段名和序號（index）婉烟。

對語法樹中的變量引用（VarDeclRef 結(jié)點），OCPack編譯器會找到其相應(yīng)的 VarDecl 的符號表項暇屋，生成相應(yīng)的 push似袁、pop 指令。

push和pop指令的參數(shù)就是段名和序號（index）：

push segment index —— 將 segment 段中的 index 處數(shù)據(jù) push 到操作棧頂
pop segment index —— 將操作棧頂?shù)臄?shù)據(jù) pop 到 segment 段中的 index 處

2.2 prolog 指令

prolog 指令是每個虛擬機中方法的第一條指令咐刨，它會根據(jù)其指令參數(shù)為當(dāng)前方法棧幀中的local段開辟相應(yīng)大小的段空間昙衅，并記錄當(dāng)前棧幀的返回地址，然后計算并記錄參數(shù)列表（arg 段）起始地址定鸟，再將調(diào)用者的棧頂指針指向參數(shù)表之前而涉，最后切換到被調(diào)用者的棧幀。
格式：prolog arg_size local_size
- 其中 arg_size 表示所有參數(shù)的總長度联予，用于計算參數(shù)列表的起始地址
- local_size 表示局部變量段的長度

方法調(diào)用和傳參這塊的設(shè)計需要一些特別的考慮啼县，主要需要滿足幾個要求：

調(diào)用者只需將參數(shù)和返回值按要求 push 到操作棧上，然后直接跳轉(zhuǎn)到被調(diào)方法的起始地址沸久，程序就可順利執(zhí)行季眷，調(diào)用方不應(yīng)承擔(dān)其他不必要的責(zé)任
根據(jù)棧機的一般調(diào)用邏輯，被調(diào)函數(shù)返回時卷胯，剛才push進來的參數(shù)和返回值應(yīng)該已由被調(diào)者pop子刮，此時棧頂應(yīng)該只有返回值，棧頂以下應(yīng)該是跟這次調(diào)用無關(guān)的其他數(shù)據(jù)
被調(diào)方需要知道參數(shù)和返回地址的具體位置窑睁，參數(shù)需要有固定地址挺峡，支持隨機訪問葵孤，不能是只靠 pop 得到的暫存值
局部變量也需要隨機訪問，其大小需要在函數(shù)執(zhí)行一開始就分配好

為了滿足這些需求沙郭，OCPack中設(shè)計了 prolog 這一指令：

在每個方法頭部加此指令佛呻，調(diào)用者一跳到當(dāng)前方法就執(zhí)行此指令，相關(guān)設(shè)置都在此指令中執(zhí)行病线，盡量減少對調(diào)用者的要求吓著。
根據(jù)約定，執(zhí)行到 prolog 時送挑，棧頂存放的是返回地址绑莺，棧頂以下是倒排的參數(shù)表， prolog 指令先 pop 返回地址并保存下來惕耕，然后將調(diào)用者的棧楨的 sp 往回調(diào)整參數(shù)表的長度（此長度作為指令參數(shù)由編譯時確定纺裁，調(diào)用者無需通過棧來傳遞此信息），也即指向第一個參數(shù)的位置司澎。注意此時還沒有生成被調(diào)用者的棧楨欺缘，所有的操作都還在調(diào)用者的棧楨上下文內(nèi)。這樣就能夠保證被調(diào)者返回時調(diào)用者的 sp 是在合適的位置挤安，到時候直接 push 返回值就可以谚殊。
此時 prolog 根據(jù)返回地址及調(diào)用者的棧楨信息生成新棧楨，新棧幀中建立的 arg 段直接指向參數(shù)表的起始位置蛤铜，之后訪問參數(shù)即可使用 push arg i 或 pop arg i 等指令嫩絮。
同時，局部變量的 local 段也需要建立围肥，其大小也由編譯時確定剿干，即是 prolog 指令的 local_size 參數(shù)，在建好棧楨并切換當(dāng)前棧幀后穆刻，即完成了方法調(diào)用的過渡階段置尔，程序流程便可繼續(xù)進行。

2.3 ret 指令

ret 指令是虛擬機中方法的最后一條指令氢伟，與 prolog 相對應(yīng)撰洗，用于回退棧幀（unwind frame），并將返回值數(shù)據(jù)由被調(diào)方的棧頂拷貝到 unwind 以后調(diào)用方的操作棧頂腐芍，以實現(xiàn)調(diào)用完成后返回值位于當(dāng)前棧頂?shù)恼{(diào)用約定差导。
格式：ret retSize

此處有一次數(shù)據(jù)拷貝，拷貝大小即為返回值的大小猪勇。為盡量減少對調(diào)用者的影響设褐，在編譯期給 ret 方法增加 retSize 參數(shù)，以便在執(zhí)行 ret 的時候就能完成數(shù)據(jù)拷貝，棧幀回退到調(diào)用者后助析，調(diào)用者可以預(yù)期返回值就在自己操作棧的棧頂犀被，后續(xù)邏輯不受當(dāng)前棧頂值是由方法調(diào)用返回還是自行 push 得到的影響，邏輯較清晰外冀。

2.4 跳轉(zhuǎn)指令

為了實現(xiàn)條件判斷 if/else 和 for 循環(huán)等流程控制語法寡键，OCPack指令集定義了jmp和jmp_if指令，根據(jù)語法樹中對應(yīng)類型的節(jié)點具體情況雪隧，生成相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)指令和跳轉(zhuǎn) label西轩。這些文本跳轉(zhuǎn) label 會被存儲在 .s 文件中，然后在下一階段（Assembler 將 .s 轉(zhuǎn)換為 .bin時）被替換成相應(yīng)的偏移地址脑沿。

2.5 switch指令

1) switch跳轉(zhuǎn)表

switch需要運行時決定跳到哪個 case label 對應(yīng)的地址藕畔，只用jmp_if需要在 case列表代碼尾部插入多條比較語句，而棧機又需要每次比較前都push相應(yīng)的參數(shù)庄拇，實現(xiàn)比較繁瑣而且性能較差注服，因此OCPack在指令集中增加了cmp_n、resolve_label和jmp_tos指令措近。

首先溶弟，OCPack編譯器在生成指令時會先將 switch 要比較的目標(biāo) push 進操作棧，然后再將各個 case 的值 push 進棧瞭郑，然后添加cmp_n n指令辜御。在運行時，cmp_n n指令會從棧上 pop 出n個數(shù)據(jù)凰浮，與棧頂?shù)臄?shù)據(jù)（即 switch 的目標(biāo)）進行比較我抠，如果與第i個相等苇本，則將ipush到棧頂袜茧。
后面再添加指令resolve_label label_prefix。此指令在運行時會將 label_prefix 與棧頂?shù)?code>i進行字符串拼接瓣窄，生成目標(biāo) label 名笛厦，并在 machine 中進行查找，找到對應(yīng)的 label 地址俺夕，push 到棧頂裳凸。其中 label_prefix 是每個 switch 語句唯一的，可以支持 switch 嵌套劝贸。
然后再添加指令jmp_tos姨谷。此指令在運行時會跳轉(zhuǎn)到棧頂?shù)牡刂罚瑥亩鴮崿F(xiàn) switch 的功能映九。

2) continue和break的支持：

分別維護一個 break和 continue 的 label 棧梦湘，棧頂元素為當(dāng)前 break 或 continue 調(diào)用時應(yīng)該 jmp 到的目標(biāo) label，在目標(biāo)表達式開始和結(jié)束時進行入棧和出棧操作。在遇到語法樹上結(jié)點為 break 或 continue 時捌议，取出當(dāng)前棧頂?shù)哪繕?biāo) label哼拔，生成jmp 目標(biāo)label指令。

2.6 call指令

使用 libffi 實現(xiàn)動態(tài) c 方法調(diào)用瓣颅。對于每個被調(diào)用的 c 方法倦逐，在 .s 會有一項DECL_C_FUNC 的聲明，聲明包含此方法的名稱宫补、簽名（包括參數(shù)個數(shù)和類型）等信息檬姥。
.s 中的參數(shù)類型是OCPack自定義的字符串，一一對應(yīng)到 libffi 的類型守谓。對于 struct 來說穿铆，生成指令時需要遞歸找到 struct 所有成員的類型，拼成相應(yīng)的字符串斋荞，然后在運行期反解字符串荞雏，構(gòu)造出 libffi 所需的數(shù)據(jù)類型。
對于變參的方法平酿，方法名相同而參數(shù)個數(shù)或類型不同的凤优，在 DECL_C_FUNC 時會對應(yīng)不同的條目，虛擬機在運行時會根據(jù)對應(yīng)的條目去構(gòu)造相應(yīng)的 libffi 參數(shù)數(shù)據(jù)蜈彼。

2.7 基本一元筑辨、二元運算符指令

指令集中對算術(shù)、邏輯幸逆、移位等等基本運算符都有對應(yīng)的指令棍辕，指令參數(shù)包括返回值類型、操作數(shù)類型等还绘。
在虛擬機的實現(xiàn)代碼中將各種運算楚昭、數(shù)據(jù)類型的組合分配到相應(yīng)的c語言實現(xiàn)，運行時就根據(jù)傳入的指令和參數(shù)調(diào)用其相應(yīng)實現(xiàn)拍顷。

注：此指令只支持整型抚太、浮點型等基本數(shù)據(jù)類型的運算，不支持自定義類型重載的運算符

2.8 左右值轉(zhuǎn)換

指令集有左值轉(zhuǎn)右值的指令昔案，其參數(shù)為右值的 size尿贫。此指令的作用為：先 pop 操作棧頂存儲的地址（addr），然后取地址為 addr 的大小為 size 的內(nèi)存數(shù)據(jù)踏揣，push 到操作棧頂庆亡。
在 clang 生成的 AST 中，所有 VarDeclRef 其實對應(yīng)的是變量的地址捞稿，對于訪問變量內(nèi)容（變量右值）的代碼又谋，AST 中 VarDeclRef 的父節(jié)點都是左右值轉(zhuǎn)換節(jié)點钝尸。因此OCPack中 push 指令，類似push seg index都是將 seg 段 index 處的地址 push 進操作棧搂根，而取對應(yīng)地址處的具體內(nèi)容由左右值轉(zhuǎn)換指令來完成珍促。

注：在實現(xiàn)初期，OCPack的 push 指令是直接將 seg 段 index 處變量的右值 push 進操作棧（即這種情況下忽略左右值轉(zhuǎn)換的結(jié)點）剩愧，但后來發(fā)現(xiàn)在類似賦值操作中的左值變量的情況下猪叙，AST 中沒有左右值轉(zhuǎn)換結(jié)點，如果對這些情況特殊處理仁卷，邏輯會變得較為復(fù)雜且難以保證覆蓋完全穴翩，后來決定完全依照 AST 中結(jié)點的排布邏輯，將 push 操作的對象改成了對應(yīng)變量的左值锦积，犧牲部分性能換取程序的可靠性芒帕。

2.9 Objective-C 方法調(diào)用指令

指令集中有專用于調(diào)用 Objective-C 方法的指令 OBJC_MSG_CLASS/OBJC_MSG_INST。
虛擬機在解釋執(zhí)行此指令時丰介，先取得存儲在棧上的所有參數(shù)背蟆，然后構(gòu)造相應(yīng)的 NSInvocation，通過 invoke 來實現(xiàn)對 Objective-C runtime 的調(diào)用哮幢。
指令實現(xiàn)中带膀，對于 target 和參數(shù)都采用 __unsafe_unretained 方式進行引用，即不改變其生命周期橙垢。返回值則一律使用 autorelease 方式垛叨，確保返回值在返回給直接調(diào)用者時是有效的。

注：實現(xiàn)過程中柜某，Objective-C 調(diào)用指令所需的輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存排布順序也經(jīng)歷了一番修改嗽元。因為對于 Objective-C 方法來說，只有拿到 selector 才能知道具體有多少個參數(shù)喂击，所以之前設(shè)計是參數(shù)表倒著放剂癌，即第一個參數(shù)放棧頂，第二個參數(shù)依次往下排惭等。這樣可以穩(wěn)定地 pop 兩次就得到 selector 的聲明珍手，然后再根據(jù) selector 中指明的參數(shù)個數(shù)及大小 pop 所有的參數(shù)办铡。但這種方法在參數(shù)大小大于 64 bit 的情況下（如 struct）就比較難處理了辞做，因為要得到正確的 struct 數(shù)據(jù)，程序需要 pop 對應(yīng)個數(shù)的64 bit寡具，然后做拼接秤茅，煩瑣而且容易出錯。經(jīng)權(quán)衡童叠，還是在指令參數(shù)中增加了參數(shù)表長度（編譯期得到）框喳，在調(diào)用 OBJC_MSG_CLASS/OBJC_MSG_INST 指令前课幕，參數(shù)還是按順序push（即第一個參數(shù)先 push，棧頂是最后一個參數(shù)）五垮，在指令的實現(xiàn)中乍惊，根據(jù)指令參數(shù)中提供的參數(shù)表長度，直接從 sp 算出第一個參數(shù)的起始位置放仗，這樣所有的參數(shù)都可以用指針訪問润绎，而不用關(guān)心其大小了。原先需要的多次 pop 指令诞挨，變成只需在指令退出前莉撇，將 sp 回退參數(shù)表長度即可。

匯編模塊

功能：匯編程序（.s） -> 二進制補丁程序（.bin）

解析整個 .s 文本惶傻，將文本 token 轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進制數(shù)據(jù)棍郎，主要包括：

立即數(shù)從文本到二進制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換
跳轉(zhuǎn) label 到地址的轉(zhuǎn)換
常量字符串的轉(zhuǎn)換，此處一開始直接在 .s 中存儲了字符串银室，后來遇到 '\n\t' 等情況不能很好地支持涂佃，就改成了直接存儲字節(jié)碼
生成導(dǎo)出函數(shù)表，表中記錄了虛擬機中定義的方法名和地址的對應(yīng)關(guān)系
生成導(dǎo)入函數(shù)表蜈敢，包含了所有調(diào)用到的c方法聲明及其 index巡李，代碼段中調(diào)用 c 方法時直接調(diào)用此處的 index
static 數(shù)據(jù)段大小和全局區(qū)的總大小，因為虛擬機初始化時需要將全局區(qū)放到一段 shared & anonymous mmap 內(nèi)存上扶认，故需要此 size
存儲 GUID 值
存儲 Target arch侨拦，此值用于驗證 32bit 和 64bit，確保平臺和 .bin 文件的匹配
文本指令轉(zhuǎn)化為二進制指令

轉(zhuǎn)換完成后將各數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)段辐宾，再將整個內(nèi)存 dump 成一個二進制文件狱从。

注：二進程文件在運行時所需的大部分?jǐn)?shù)據(jù)其排布都與 .bin 文件里的排布完全相同，這樣能方便地使用內(nèi)存映射來實現(xiàn) .bin 文件的加載叠纹，從而可以減少私有內(nèi)存的占用量季研。

加載模塊

功能：二進制補丁程序(.bin)加載

在調(diào)用 load_image 時，虛擬機會先將 .bin 文件 mmap 到一段內(nèi)存中誉察，檢測 magic number, bin version 及 arch 是否匹配与涡。

然后按全局區(qū)的大小申請一段 shared anonymous mmap 內(nèi)存。

然后分別加載各個數(shù)據(jù)段持偏，建立必要的運行時內(nèi)存數(shù)據(jù)驼卖，主要的數(shù)據(jù)段包括：

常量字符串段，將全局區(qū)對應(yīng)大小的內(nèi)存分配給常量段鸿秆，并將對應(yīng)的 index 指向?qū)?yīng)的字符串起始地址
靜態(tài)數(shù)據(jù)段酌畜，將全局區(qū)對應(yīng)大小的內(nèi)存分配給靜態(tài)段
導(dǎo)出符號表
導(dǎo)入符號表
代碼段
GUID數(shù)據(jù)

注：bin文件具體格式如下： [圖片上傳中...(image-1b9c27-1603349931409-1)]

執(zhí)行模塊

功能：二進制補丁程序（.bin）的執(zhí)行

1) 虛擬機基本信息

棧和各個段都以 64bit 為單位
調(diào)用方法前，需要將對應(yīng)的參數(shù) push 到操作棧上
調(diào)用完成后卿叽，棧頂放的就是返回值
運行時上下文（thread_context）和棧幀
- thread_context 維護一個棧幀的鏈表桥胞，用以存放調(diào)用關(guān)系
- 棧幀用于存放當(dāng)前方法的運行時信息恳守，主要包括：
  - 棧幀基地址
  - 返回地址
  - 指向調(diào)用方棧幀基地址的指針
  - 段表基地址
  - 操作棧基址
  - 操作棧指針 sp
  - 程序計數(shù)器 ip

注：VM 函數(shù)棧幀具體內(nèi)存布局如下：

[圖片上傳中...(image-370312-1603349931409-0)]

2) Objective-C 調(diào)用虛擬機方法

Objective-C 代碼通過向虛擬機的 callFunctionWithArgs: 方法傳入要調(diào)用函數(shù)名及其參數(shù)（此處的參數(shù)為真正參數(shù)的地址）并得到返回值來與虛擬機進行交互贩虾。
callFunctionWithArgs: 方法內(nèi)部會通過函數(shù)名查找導(dǎo)出表催烘，找到其方法簽名和地址。然后根據(jù)方法簽名中指定的參數(shù)大小缎罢，將傳入的參數(shù)地址處對應(yīng)大小的數(shù)據(jù) push 到操作棧上颗圣，然后再跳轉(zhuǎn)到被調(diào)方法的開始地址處，開始執(zhí)行匯編指令屁使。
虛擬機執(zhí)行完所有匯編指令后返回到 callFunctionWithArgs: 中在岂，該方法再負(fù)責(zé)把棧頂?shù)姆祷刂禂?shù)據(jù)拷貝到調(diào)用方傳入的返回值地址處。
調(diào)用完成后蛮寂，虛擬機的棧頂?shù)刂窇?yīng)該保持與調(diào)用前完全一致蔽午。
如果虛擬機方法的返回值是 NSObject* 類型，OCPack會根據(jù)存儲返回值的變量是否是強引用而決定是否需要對返回的對象做__brige_retained操作酬蹋，用以中和調(diào)用方對 strong 類型變量的 release 操作及老。其他情況下因為返回的都是 autorelease 的對象，返回時不做特殊處理（詳見編譯模塊小節(jié)中 2.9 段Objective-C方法調(diào)用指令）范抓。

3) 虛擬機調(diào)用 OC 方法（f1）骄恶，f1 又調(diào)用到了虛擬機的方法（f2）

要支持此流程，需保證 f2 調(diào)用完成后虛擬機當(dāng)前棧幀的 sp 與調(diào)用前完全一致匕垫，以保證 f1 的執(zhí)行不受影響僧鲁。

4) 虛擬機方法間互相調(diào)用

在調(diào)用OC方法時，會先檢測對應(yīng)的方法是否在導(dǎo)出函數(shù)表中象泵，如果在寞秃，則走此流程。這也要求調(diào)用虛擬機方法時的參數(shù)表應(yīng)該與直接調(diào)用 OC 方法是一致的偶惠，否則還需要重新拷貝參數(shù)做適配春寿，降低虛擬機性能。

5) 多線程支持

運行時上下文（thread_context）指針放在線程局部存儲中忽孽，每個線程在讀绑改、寫上下文中數(shù)據(jù)時都是操作當(dāng)前線程自己的數(shù)據(jù)，這樣就能保證各個線程之間運行狀態(tài)相互隔離兄一，從而支持多線程的調(diào)用場景厘线。
OCPack注冊了線程退出的回調(diào)函數(shù)，當(dāng)一個線程退出時OCPack會刪除所有虛擬機在此線程中的上下文相關(guān)數(shù)據(jù)瘾腰。

6) 內(nèi)存占用

二進制文件加載使用 mmap皆的，全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)使用shared & anonymous mmap覆履，常量字符串?dāng)?shù)據(jù)直接指向 .bin 中的地址蹋盆。
運行時上下文（thread_context）是每個線程一份费薄，都使用shared & anonymous mmap。
運行時的虛擬機類本身只維護導(dǎo)入函數(shù)和導(dǎo)出函數(shù)數(shù)據(jù)以及少量指針數(shù)據(jù)栖雾。

7) 崩潰時的椑懵眨回溯

運行時上下文（thread_context）中維護有一個棧幀結(jié)構(gòu)（thread_frame）的鏈表，對應(yīng)的就是虛擬機中方法的調(diào)用關(guān)系析藕。
崩潰時遍歷所有線程中所有虛擬機的 thread_context召廷，遍歷其棧幀結(jié)構(gòu)鏈表，取出每個棧幀中存儲的 ip 地址寫到崩潰日志中账胧。
崩潰日志中按照線程組織崩潰棧竞慢，還會記錄每個虛擬機的地址和其加載的 .bin 文件的 GUID，用以正確區(qū)分線程治泥、虛擬機的實例和 bin 文件筹煮。

8) 崩潰符號解析

由OCPack編譯器生成或指定一個 GUID，后續(xù)生成的所有相關(guān)文件（包括.s居夹、.sym败潦、.bin以及運行時生成的崩潰 log）中都存有此 GUID。線上的崩潰日志發(fā)送回來后准脂，崩潰解析服務(wù)器能夠根據(jù)日志中的 GUID 查找到相應(yīng)的符號文件進行符號解析劫扒。同時構(gòu)建服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中存儲了對應(yīng) GUID 的 bin 文件打包時所有依賴項的源信息（包括對應(yīng)的 .s 文件、bin 代碼對應(yīng)的源代碼版本狸膏、OCPack工具鏈的版本等）沟饥，方便開發(fā)重現(xiàn)、定位相關(guān)問題湾戳。

9) Hook Objective-C 方法

原理與 JSPatch 類似闷板，通過將目標(biāo)類的目標(biāo)方法替換為 objc_msgForward，同時將 forwardInvocation 替換為自定義的 forward 方法院塞，實現(xiàn)當(dāng)目標(biāo)方法被調(diào)用時遮晚，轉(zhuǎn)向 forwardInvocation 的自定義實現(xiàn)。在自定義的 forward 的實現(xiàn)中拦止，將 NSInvocation 傳給內(nèi)置的虛擬機县遣，虛擬機會取出其參數(shù)并調(diào)用相應(yīng)的虛擬機方法，最后將返回值設(shè)回給 NSInvocation汹族，即完成了 Hook 的功能萧求。
與 JSPatch 相比，用OCPack的方法調(diào)用省去了大量的字符串解析操作顶瞒，參數(shù)大都可直接傳入虛擬機進行處理夸政，方法調(diào)用的整體開銷比 JSPatch 小。

性能優(yōu)化

二進制程序的大小優(yōu)化

OCPack在實現(xiàn)初期榴徐，采用了模板類的方式實現(xiàn)一守问、二元操作符的對不同操作數(shù)和返回值類型的支持匀归，這樣調(diào)試起來比較方便。但后來發(fā)現(xiàn)這種方案會導(dǎo)致代碼體積會暴增耗帕。模板方法會根據(jù)輸入穆端、輸出參數(shù)的類型生成大量的方法，而其中大部分方法都只有很短的幾條指令仿便，從最后的二進制內(nèi)容分析看体啰，光方法名就占用了大量內(nèi)存。
- 在功能基本穩(wěn)定后嗽仪，在單元測試的保證下荒勇，將模板改為了宏實現(xiàn)，大幅地減小代碼段和數(shù)據(jù)段的體積闻坚，framework 文件的大小從3.5M減到了不到150k枕屉。

性能優(yōu)化

匯編代碼優(yōu)化
- 由語法樹直接生成的匯編代碼里面會有很多無用的 push 操作，主要原因是某些表達式的返回值沒有被用到鲤氢，此時 push 是多余的搀擂，而且在比較大的循環(huán)還可能會使棧長度暴增，影響性能和穩(wěn)定性
- 優(yōu)化方法是盡量去掉無用的 push 指令卷玉。主要是通過定義一些規(guī)則來判別某指令的返回值是否被用到哨颂，對于無用的表達式返回值不進行 push 操作。
虛擬機性能優(yōu)化
- 將頻繁用到的數(shù)據(jù)緩存下來：取運行時上下文和讀寫棧幀是頻繁操作相种，涉及線程局部存儲數(shù)據(jù)的讀取威恼，運行時上下文結(jié)構(gòu)的指針只會在一個線程中訪問，通過對代碼進行重構(gòu)寝并，將它緩存到 executor 類中箫措，提高了運行時效率。
- 盡量減少核心循環(huán)處代碼的內(nèi)存訪問次數(shù)：將棧幀中的部分?jǐn)?shù)據(jù)（如：ip）提出來放到 executor 類中衬潦，減少頻繁讀寫ip時導(dǎo)致的不必要的內(nèi)存操作次數(shù)斤蔓。
- 盡量提高核心循環(huán)處代碼效率：用數(shù)組代替 map 實現(xiàn)指令到指令處理器的映射關(guān)系，提高運行時查詢效率镀岛。
- 優(yōu)化后比優(yōu)化前提高了將近一倍

III. 未來計劃

鏈接器

支持多個 .m 對應(yīng)的多個 .bin 鏈接成一個 .bin 文件弦牡，且各個 .bin 文件之間能夠互相調(diào)用

其他語法支持

支持聲明 block 的語法

性能優(yōu)化

去掉虛函數(shù)調(diào)用
指令長度對齊
保證 sp、ip 等頻繁操作的數(shù)據(jù)都放入寄存器——匯編實現(xiàn)相關(guān)核心方法漂羊、或者改變代碼結(jié)構(gòu)
生成匯編代碼的優(yōu)化（窺孔優(yōu)化等）
其他

Debug工具

因為虛擬機執(zhí)行時是按指令執(zhí)行的驾锰，不容易直接對應(yīng)到 Objective-C 代碼，調(diào)試起來有點麻煩走越，后續(xù)計劃做一些功能椭豫，調(diào)試時方便地顯示指令地址到 Objective-C 源代碼的對應(yīng)關(guān)系。

作者：zhangjiezhi_
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來源：掘金
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