一、前言
像 C++、Objective-C 都是编译语言。编译语言在执行的时候，必须先通过编译器生成机器码，机器码可以直接在 CPU 上执行，所以执行效率较高。
像 JavaScript、Python 都是直译式语言。直译式语言不需要经过编译的过程，而是在执行的时候通过一个中间的解释器将代码解释为 CPU 可以执行的代码。所以，较编译语言来说，直译式语言效率低一些，但是编写的更灵活。
iOS 开发目前的常用语言：Objective-C 和 Swift。二者都是编译语言，换句话说都是需要编译才能执行的。它们的编译都是依赖于 Clang(swift) + LLVM。本文只关注 Objective-C，原理上大同小异。
充分理解了编译的过程，会对你的开发大有帮助。本文的最后，会以以下几个例子，来讲解如何合理利用 XCode 和编译
- __attribute__
- Clang 警告处理
- 预处理
- 插入编译期脚本
- 提高项目编译速度
二、iOS 编译
Objective-C 采用 Clang 作为前端，而 Swift 则采用 swift() 作为前端，都是 LLVM（Low level vritual machine）作为编译器后端。所以简单的编译过程如图：
其中，swift 的编译命令可以在这里找到
/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/swift
可以通过 Clang，来查看一个文件的编译具体过程，新建 Demo.m
#import <Foundation/Foundation.h>
int main(){
@autoreleasepool {
NSLog(@"%@",@"Hello Leo");
}
return 0;
}
然后终端输入：
~ $ cd /Users/dubin/Desktop/Demo/Demo
Demo $
Demo $ clang -ccc-print-phases -framework Foundation Demo.m -o Demo
0: input, "Foundation", object
1: input, "Demo.m", objective-c
2: preprocessor, {1}, objective-c-cpp-output // 预处理
3: compiler, {2}, ir // 编译生成 IR（中间代码）
4: backend, {3}, assembler // 汇编器生成汇编代码
5: assembler, {4}, object // 生成机器码
6: linker, {0, 5}, image // 链接
7: bind-arch, "x86_64", {6}, image // 生成 Image，也就是最后的可执行文件
在终端运行这个程序：
$ gcc -framework Foundation Demo.m -o Demo
$ ./Demo
2019-03-27 13:55:30.426 Demo[14155:5478670] Hello Leo
另一种终端运行 OC 程序的顺序：
$ cc -c Demo.m
$ cc Demo.o -framework Foundation
ld: warning: text-based stub file /System/Library/Frameworks//Foundation.framework/Foundation.tbd and library file /System/Library/Frameworks//Foundation.framework/Foundation are out of sync. Falling back to library file for linking.
ld: warning: text-based stub file /System/Library/Frameworks//CoreFoundation.framework/Versions/A/CoreFoundation.tbd and library file /System/Library/Frameworks//CoreFoundation.framework/Versions/A/CoreFoundation are out of sync. Falling back to library file for linking.
$ ./a.out
2019-03-27 14:01:52.933 a.out[14413:5483194] Hello Leo
cc -c tst.m 编译：生成 tst.o文件
cc -c man.m 编译： 生成 man.o 文件
cc tst.o man.o -framework Foundation 链接、合并：生成 a.out 可执行文件
./a.out 运行
当然 OC 程序还可以混编 C 程序，格式为：cc -c x.m x.c，或者直接将编译和链接合在一起：cc x.m x.c
-
编译器前端
编译器前端的任务是：语法分析、语义分析、生成中间代码（intermediate representation）。在这个过程中会进行类型检查，如果发现错误或者警告会标注出来在哪一行。
-
编译器后端
编译器后端会进行机器无关的代码优化，生成机器语言，并且进行机器相关的代码优化。iOS 的编译过程，后端的处理如下
①、LVVM 优化器会进行 BitCode 的生成，链接期优化等等。
②、LLVM 机器码生成器会针对不同的架构，比如 arm64 等生成不同的机器码。
三、执行一次 XCode build 的流程
当你在 XCode 中，选择 build 的时候（快捷键 command+B），会执行如下过程
- 编译信息写入辅助文件，创建编译后的文件架构（name.app）
- 处理文件打包信息，例如在 debug 环境下
Entitlements:
{
"application-identifier" = "app的bundleid";
"aps-environment" = development;
}
- 执行 CocoaPod 编译前脚本。例如对于使用 CocoaPod 的工程会执行 CheckPods Manifest.lock
- 编译各个 .m 文件，使用 CompileC 和 clang 命令。
CompileC ClassName.o ClassName.m normal x86_64 objective-c com.apple.compilers.llvm.clang.1_0.compiler
export LANG=en_US.US-ASCII
export PATH="..."
clang -x objective-c -arch x86_64 -fmessage-length=0 -fobjc-arc... -Wno-missing-field-initializers ... -DDEBUG=1 ... -isysroot iPhoneSimulator10.1.sdk -fasm-blocks ... -I 上文提到的文件 -F 所需要的Framework -iquote 所需要的Framework ... -c ClassName.c -o ClassName.o
通过这个编译的命令，我们可以看到
clang是实际的编译命令
-x objective-c 指定了编译的语言
-arch x86_64制定了编译的架构，类似还有arm7等
-fobjc-arc 一些列-f开头的，指定了采用arc等信息。这个也就是为什么你可以对单独的一个.m文件采用非ARC编程。
-Wno-missing-field-initializers 一系列以-W开头的，指的是编译的警告选项，通过这些你可以定制化编译选项
-DDEBUG=1 一些列-D开头的，指的是预编译宏，通过这些宏可以实现条件编译
-iPhoneSimulator10.1.sdk 制定了编译采用的iOS SDK版本
-I 把编译信息写入指定的辅助文件
-F 链接所需要的Framework
-c ClassName.c 编译文件
-o ClassName.o 编译产物
- 链接需要的 Framework，例如 Foundation.framework、AFNetworking.framework、AliPay.framework
- 编译 xib 文件
- 拷贝 xib，图片等资源文件到结果目录
- 编译 ImageAssets
- 处理 info.plist
- 执行 CocoaPod 脚本
- 拷贝 Swift 标准库
- 创建 .app 文件和对其签名
四、ipa 包的内容
例如，通过 iTunes Store 下载微信，获得 ipa 安装包，然后实际看看其安装包的内容。
- 右键 ipa，重命名为 .zip
- 双击 zip 文件，解压缩后会得到一个文件夹。所以，ipa 包就是一个普通的压缩包。
- 右键图中的 [WeChat[，选择显示包内容，然后就能够看到实际的 ipa 包内容了。
五、二进制文件的内容
通过 XCode 的 Link Map File，我们可以窥探二进制文件中布局。在 XCode -> Build Settings -> 搜索 map -> 开启Write Link Map File。
开启后，再编译，我们可以在对应的 Debug/Release 目录下看到对应的 link map 的 text 文件。
默认的目录：
~/Library/Developer/Xcode/DerivedData/<TARGET-NAME>-对应ID/Build/Intermediates/<TARGET-NAME>.build/Debug-iphoneos/<TARGET-NAME>.build/
例如 TargetName是 Demo 的目录：
/Users/cykj/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-bifdsullasutjrbgiiywunmnlmjf/Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphonesimulator/Demo.build
这个映射文件的主要包含以下部分：
-
Object files
这个部分包括的内容：
- .o 文文件，也就是上文提到的 .m 文件编译后的结果。
- .a 文件
- 需要 link 的 framework
# Arch: x86_64
# Object files:
[ 0] linker synthesized
[ 1] dtrace
[ 2] /Users/cykj/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-bifdsullasutjrbgiiywunmnlmjf/Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphonesimulator/Demo.build/Objects-normal/x86_64/MyProxy.o
[ 3] /Users/cykj/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-bifdsullasutjrbgiiywunmnlmjf/Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphonesimulator/Demo.build/Objects-normal/x86_64/ViewController.o
[ 4] /Users/cykj/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-bifdsullasutjrbgiiywunmnlmjf/Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphonesimulator/Demo.build/Objects-normal/x86_64/Person.o
[ 5] /Users/cykj/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-bifdsullasutjrbgiiywunmnlmjf/Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphonesimulator/Demo.build/Objects-normal/x86_64/MyOperation.o
[ 6] /Users/cykj/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-bifdsullasutjrbgiiywunmnlmjf/Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphonesimulator/Demo.build/Objects-normal/x86_64/main.o
[130] /Applications/Xcode10.1.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.1.sdk/System/Library/Frameworks//CoreGraphics.framework/CoreGraphics.tbd这个区域的存储内容比较简单：前面是文件的编号，后面是文件的路径。文件的编号在后续会用到。
-
Sections
这个区域提供了各个段（Segment）和节（Section）在可执行文件中的位置和大小。这个区域完整的描述了可执行文件中的全部内容。其中，段分为两种：
- __TEXT 代码段
- __DATA 数据段
从 Sections 区域可以看到，代码段的 __text 节的地址是 0x100001000，大小是 0x000A5FF9，而二者相加的下一个位置正好是 __stubs 的位置 0x1000A6FFA。
# Sections:
# 位置 大小 段 节
# Address Size Segment Section
0x100001000 0x000A5FF9 __TEXT __text // 代码
0x1000A6FFA 0x000003D8 __TEXT __stubs
0x1000A73D4 0x00000678 __TEXT __stub_helper
0x1000A7A4C 0x0000794A __TEXT __objc_methname // OC 方法名
0x1000AF396 0x000079F4 __TEXT __cstring // 字符串
0x1000B6D8A 0x0000092C __TEXT __objc_classname // OC 类名
0x1000B76B6 0x00002293 __TEXT __objc_methtype // OC 方法类型
0x1000B9950 0x000000E8 __TEXT __const // 常量
0x1000B9A38 0x000043DC __TEXT __gcc_except_tab
0x1000BDE14 0x0000004A __TEXT __ustring
0x1000BDE5E 0x00000166 __TEXT __entitlements
0x1000BDFC4 0x0000037B __TEXT __dof_RACSignal
0x1000BE33F 0x000002E8 __TEXT __dof_RACCompou
0x1000BE628 0x000009CC __TEXT __unwind_info
0x1000BF000 0x00000010 __DATA __nl_symbol_ptr
0x1000BF010 0x000001B8 __DATA __got
0x1000BF1C8 0x00000520 __DATA __la_symbol_ptr
0x1000BF6E8 0x00005D28 __DATA __const
0x1000C5410 0x00002E80 __DATA __cfstring
0x1000C8290 0x00000268 __DATA __objc_classlist // OC 方法列表
0x1000C84F8 0x000001C0 __DATA __objc_catlist
0x1000C86B8 0x00000098 __DATA __objc_protolist // OC 协议列表
0x1000C8750 0x00000008 __DATA __objc_imageinfo
0x1000C8758 0x0000F0C0 __DATA __objc_const // OC 常量
0x1000D7818 0x00001B28 __DATA __objc_selrefs
0x1000D9340 0x00000040 __DATA __objc_protorefs
0x1000D9380 0x00000360 __DATA __objc_classrefs
0x1000D96E0 0x00000170 __DATA __objc_superrefs // OC 父类引用
0x1000D9850 0x00000610 __DATA __objc_ivar // OC ivar
0x1000D9E60 0x00001810 __DATA __objc_data
0x1000DB670 0x00000768 __DATA __data
0x1000DBDD8 0x0000015F __DATA __bss -
Symbols
Section 部分将二进制文件进行了一级划分。而 Symbols 对 Section 中的各个段进行了二级划分，例如，对于 __TEXT __text 表示代码段中的代码内容。
0x100001000 0x000A5FF9 __TEXT __text // 代码而对应的 Symbols，起始地址也是 0x1000021B0。其中，文件编号和上文的编号对应
0x100001000 0x000000A0 [ 2] +[MyProxy proxyWithObj:]
[ 2] /Users/cykj/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-bifdsullasutjrbgiiywunmnlmjf/Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphonesimulator/Demo.build/Objects-normal/x86_64/MyProxy.o具体内容：
# Symbols:
# 地址 大小 文件编号 方法名
# Address Size File Name
0x100001000 0x000000A0 [ 2] +[MyProxy proxyWithObj:]
0x1000010A0 0x00000040 [ 2] -[MyProxy methodSignatureForSelector:]
0x1000010E0 0x000003F0 [ 2] -[MyProxy forwardInvocation:]
0x1000014D0 0x00000040 [ 2] -[MyProxy .cxx_destruct]
0x100001510 0x00000048 [ 2] -[Dog barking:]
0x100001560 0x00000060 [ 3] -[ViewController dealloc]
0x1000015C0 0x000001C0 [ 3] -[ViewController drawImage:
...
到这里，我们知道 OC 的方法是如何存储的，再来看看 ivar 是如何存储的。
首先找到数据栈中 __DATA __objc_ivar
0x1000D9850 0x00000610 __DATA __objc_ivar
然后，搜索这个地址 0x1000D9850，就能找到 ivar 的存储区域。
0x1000D9850 0x00000008 [ 2] _OBJC_IVAR_$_MyProxy.__innerObj
值得一提的是，对于 String，会显式的存储到数据段中，例如：
0x1000AF3F2 0x00000004 [ 3] literal string: http://www.baidu.com
所以，若果你的加密 Key 以明文的形式写在文件里，是一件很危险的事情。
六、dSYM 文件
在每次编译过后，都会生成一个 dsym 文件。dsym 文件中，存储了 16 进制的函数地址映射。
在 App 实际执行的二进制文件中，是通过地址来调用方法的。在 App crash 的时候，第三方工具（Fabric、友盟等）会帮我们抓到崩溃的调用栈，调用栈里会包含 crash 地址的调用信息。然后通过 dSYM 文件，我们就可以由地址映射到具体的函数位置。
XCode 中选择 Window -> Organizer 可以看到生成的 archier 文件。
然后
- 右键 -> 在 finder 中显示。
- 右键 -> 查看包内容。
关于如何用 dsym 文件来分析崩溃位置，查看另一篇博客：iOS 如何调试第三方统计到的崩溃报告
七、应用场景
7.1 __attribute__
或多或少都会在第三方库或者 iOS 的头文件中，见到过 __attribute__。比如
__attribute__ ((warn_unused_result)) // 如果没有使用返回值，编译的时候给出警告
__attribtue__ 是一个高级的的编译器指令，它允许开发者指定更多的编译检查和一些高级的编译期优化。
分为三种：
- 函数属性（Function Attribute）
- 类型属性（Variable Attribute）
- 变量属性（Type Attribute）
语法结构
__attribute__ 语法格式为：__attribute__ ((attribute-list))
放在声明分号 ";" 前面。
比如，在三方库中最常见的，声明一个属性或者方法在当前版本弃用了。
@property (nonatomic, strong) CLASSNAME * property __deprecated;
好处：
给开发者一个过渡的版本，让开发者知道这个属性被弃用了，应当使用最新的 API，但是被 __deprecated 的属性仍然可以正常使用。如果直接弃用，会导致开发者在更新 Pod 的时候，代码无法运行了。
__attribtue__ 的使用场景很多，本文只列举 iOS 开发中常用的几个：
// 弃用 API，用作 API 更新
#define __deprecated __attribute__((deprecated))
// 带描述信息的弃用
#define __deprecated_msg(_msg) __attribute__((deprecated(_msg)))
// 遇到 __unavailable 的变量/方法，编译器直接抛出 Error
#define __unavailable __attribute__((unavailable))
// 告诉编译器，即使这个变量/方法没被使用，也不要抛出警告
#define __unused __attribute__((unused))
// 和 __unused 相反
#define __used __attribute__((used))
// 如果不使用方法的返回值，进行警告
#define __result_use_check __attribute__((__warn_unused_result__))
// OC 方法在 Swift 中不可用
#define __swift_unavailable(_msg) __attribute__((__availability__(swift, unavailable, message=_msg)))
7.2 Clang 警告处理
你一定还见过如下代码：
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
/// 代码
#pragma clang diagnostic pop
这段代码的作用是
- 对当前编译环境进行压栈
- 忽略 -Wundeclared-selector（未声明的）Selector 警告
- 编译代码
- 对编译环境进行出栈
通过 clang diagnostic push/pop 可以灵活的控制代码块的编译选项。
在另一篇文章：iOS 合理利用 Clang 警告来提高代码质量，详细的介绍了 XCode 的警告相关内容。
7.3 预处理
所谓预处理，就是在编译之前的处理。预处理能够让你定义编译器变量，实现条件编译。
比如，这样的代码很常见
#ifdef DEBUG
//...
#else
//...
#endif
我们同样也可以定义其他预处理变量，在 XCode -> 选中 Target -> build settings 中，搜索 preprocessor。可以分别为 Debug 和 Release 两种模式设置预处理宏。
比如加上：TESTMODE = 1，表示在这个宏中的代码运行在测试服务器。
然后，配合多个 Target（右键 Target，选择 Duplicate），单独一个 Target 负责测试服务器。这样就不用每次切换测试服务器都要修改代码了。
#ifdef TESTMODE
// 测试服务器相关的代码
#else
// 生产服务器相关代码
#endif
7.4 插入脚本
通常，如果你使用 CocoaPod 来管理三方库，那么你的 Build Phase 是这样子的：
其中：[CP] 开头的就是 CocoaPod 插入的脚本。
- Check Pods Manifest.lock，用来检查 cocoapod 管理的三方库是否需要更新
- Embed Pods Framework，运行脚本来链接三方库的静态/动态库
- Copy Pods Resources，运行脚本来拷贝三方库的资源文件
而这些配置信息都存储在这个文件（.xcodeproj）里。
到这里，CocoaPod 的原理也就大致搞清楚了，通过修改 xcodeproject，然后配置编译期脚本，来保证三方库能够正确的编译连接。
同样，我们也可以插入自己的脚本来做一些额外的事情。比如，每次进行 archive 的时候，我们都必须手动调整 target 的 build 版本，如果一不小心，就会忘记。这个过程，我们可以通过插入脚本自动化。
buildNumber=$(/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleVersion" "${PROJECT_DIR}/${INFOPLIST_FILE}")
buildNumber=$(($buildNumber + 1))
/usr/libexec/PlistBuddy -c "Set :CFBundleVersion $buildNumber" "${PROJECT_DIR}/${INFOPLIST_FILE}"
这段脚本其实很简单，读取当前 plist 的 build 版本号，然后对其 +1，重新写入。
使用起来也很简单：
- Xcode -> 选中 Target -> 选中 build phase
- 选择添加 Run Script Phase
- 然后把这段脚本拷贝进去，并且勾选 Run Script Only When installing，保证只有我们在安装到设备上的时候，才会执行这段脚本。重命名脚本的名字为 Auto Increase build number
- 然后，拖动这个脚本的到 Link Binary With Libraries 下面。
7.5 脚本编译打包
脚本化编译打包对于 CI（持续集成）来说，十分有用。iOS 开发中，编译打包必备的两个命令是：
// 编译成.app
xcodebuild -workspace $projectName.xcworkspace -scheme $projectName -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir
// 打包
xcrun -sdk iphoneos PackageApplication -v $appDir/$projectName.app -o $appDir/$ipaName.ipa
// 通过 info 命令，可以查看到详细的文档
info xcodebuild
在本文最后的附录中，提供一个自动打包的脚本。
7.6 提高项目编译速度
通常，当项目很大，源代码和三方库引入很多的时候，我们会发现编译的速度很慢。在了解了 XCode 的编译过程后，我们可以从以下角度来优化编译速度。
-
查看编译时间
我们需要一个途径，能够看到编译的时间，这样才能有个对比，知道我们的优化究竟有没有效果。
对于 XCode 8，关闭 XCode，终端输入以下指令
$ defaults write com.apple.dt.Xcode ShowBuildOperationDuration YES然后，重启 XCode，再编译，你会在这里看到编译时间。
-
代码层面的优化
- forward declaration
所谓 forward declaration，就是 @class CLASSNAME，而不是 #import CLASSNAME.h。这样，编译器能大大提高 #import 的替换速度。
- 对常用的工具类进行打包（Framework/.a）
打包成 Framework 或者静态库，这样编译的时候这部分代码就不需要重新编译了。
- 常用头文件放到预编译文件里
pch 文件是预编译文件，这里的内容在执行 XCode build 之前就已经被预编译，并且引入到了每一个 .m 文件里。
-
编译器选项优化
- Debug 模式下，不生成 dsym 文件
上文提到了，dysm 文件里存储了调试信息，在 Debug 模式下，我们可以借助 XCode 和 LLDB 进行调试。所以，不需要生成额外的 dsym 文件来降低编译速度。
- Debug 开启 Build Active Architecture Only
在 XCode -> Build Settings -> Build Active Architecture Only 改为 YES。这样做，可以只编译当前的版本，比如 arm7/arm64 等等，记得只开启 Debug 模式。这个选项在高版本的 XCode 中自动开启了。
- Debug 模式下，关闭编译器优化
八、附录
自动编译打包脚本
export LC_ALL=zh_CN.GB2312;
export LANG=zh_CN.GB2312
buildConfig="Release" //这里是build模式
projectName=[find . -name *.xcodeproj | awk -F "[/.]" '{print $(NF-1)}'[
projectDir=[pwd[
wwwIPADir=~/Desktop/$projectName-IPA
isWorkSpace=true
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~开始编译~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"
if [ -d "$wwwIPADir" ]; then
echo $wwwIPADir
echo "文件目录存在"
else
echo "文件目录不存在"
mkdir -pv $wwwIPADir
echo "创建${wwwIPADir}目录成功"
fi
cd $projectDir
rm -rf ./build
buildAppToDir=$projectDir/build
infoPlist="$projectName/Info.plist"
bundleVersion=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleShortVersionString" $infoPlist`
bundleIdentifier=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleIdentifier" $infoPlist`
bundleBuildVersion=`/usr/libexec/PlistBuddy -c "Print CFBundleVersion" $infoPlist`
if $isWorkSpace ; then #是否用CocoaPod
echo "开始编译workspace...."
xcodebuild -workspace $projectName.xcworkspace -scheme $projectName -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir
else
echo "开始编译target...."
xcodebuild -target $projectName -configuration $buildConfig clean build SYMROOT=$buildAppToDir
fi
if test $? -eq 0
then
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~编译成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"
else
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~编译失败~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"
exit 1
fi
ipaName=[echo $projectName | tr "[:upper:]" "[:lower:]"[ #将项目名转小写
findFolderName=[find . -name "$buildConfig-*" -type d |xargs basename[ #查找目录
appDir=$buildAppToDir/$findFolderName/ #app所在路径
echo "开始打包$projectName.app成$projectName.ipa....."
xcrun -sdk iphoneos PackageApplication -v $appDir/$projectName.app -o $appDir/$ipaName.ipa
if [ -f "$appDir/$ipaName.ipa" ]
then
echo "打包$ipaName.ipa成功."
else
echo "打包$ipaName.ipa失败."
exit 1
fi
path=$wwwIPADir/$projectName$(date +%Y%m%d%H%M%S).ipa
cp -f -p $appDir/$ipaName.ipa $path #拷贝ipa文件
echo "复制$ipaName.ipa到${wwwIPADir}成功"
echo "~~~~~~~~~~~~~~~~~~~结束编译，处理成功~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"