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iOS 程序 main 函数之前会发生什么呢?

3个月前

前言

一个 iOS App 的 main 函数位于 main.m 中,这是我们熟知的程序入口。但对 objc 了解更多之后发现,程序在进入我们的 main 函数前已经执行了很多代码,比如熟知的 + load 方法等。本文将跟随程序执行顺序,刨根问底,从 dyldruntime ,看看 main 函数之前都发生了什么。

从dyld开始

动态链接库

iOS 中用到的所有系统 framework 都是动态链接的,类比成插头和插排,静态链接的代码在编译后的静态链接过程就将插头和插排一个个插好,运行时直接执行二进制文件;而动态链接需要在程序启动时去完成“插插销”的过程,所以在我们写的代码执行前,动态连接器需要完成准备工作。

这个是在 Xcode 中看到的 Link 列表:

这些 framework 将会在动态链接过程中被加载,另外还有隐含 link 的 framework,可以测试出来:先找到可执行文件,我这里叫 TestMain 的工程,模拟器路径下找到 TestMain.app,可执行文件默认同名,再通过 otool命令:

$ otool -L TestMain
复制代码

-L 参数打印出所有 link 的 framework(去掉了版本信息如下)

TestMain:    /System/Library/Frameworks/CoreGraphics.framework/CoreGraphics    /System/Library/Frameworks/UIKit.framework/UIKit    /System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Foundation    /System/Library/Frameworks/CoreFoundation.framework/CoreFoundation    /usr/lib/libobjc.A.dylib    /usr/lib/libSystem.dylib
复制代码

除了多了的CoreGraphics(被 UIKit 依赖)外,有两个默认添加的 lib:libobjc 即 objc 和 runtime,libSystem 中包含了很多系统级别 lib,列几个熟知的:

  • libdispatch ( GCD )
  • libsystem_c ( C语言库 )
  • libsystem_blocks ( Block )
  • libcommonCrypto ( 加密库,比如常用的 md5 函数 )

这些 lib 都是dylib格式(如 windows 中的 dll ),系统使用动态链接有几点好处:

  • 代码共用:很多程序都动态链接了这些 lib,但它们在内存和磁盘中中只有一份

  • 易于维护:由于被依赖的 lib 是程序执行时才 link 的,所以这些 lib 很容易做更新,比如libSystem.dyliblibSystem.B.dylib 的替身,哪天想升级直接换成 libSystem.C.dylib 然后再替换替身就行了

  • 减少可执行文件体积:相比静态链接,动态链接在编译时不需要打进去,所以可执行文件的体积要小很多

    dyld

    dyld(the dynamic link editor),Apple 的动态链接器,系统 kernel 做好启动程序的初始准备后,交给 dyld 负责,援引并翻译《 Mike Ash 这篇 blog 》对 dyld 作用顺序的概括:

    1. 从 kernel 留下的原始调用栈引导和启动自己
    2. 将程序依赖的动态链接库递归加载进内存,当然这里有缓存机制
    3. non-lazy 符号立即 link 到可执行文件,lazy 的存表里
    4. Runs static initializers for the executable
    5. 找到可执行文件的 main 函数,准备参数并调用
    6. 程序执行中负责绑定 lazy 符号、提供 runtime dynamic loading services、提供调试器接口
    7. 程序main函数 return 后执行 static terminator
    8. 某些场景下 main 函数结束后调 libSystem 的 _exit 函数

    得益于 dyld 是开源的,github 地址,我们可以从源码一探究竟。

    一切源于dyldStartup.s这个文件,其中用汇编实现了名为__dyld_start的方法,汇编太生涩,它主要干了两件事:

    1. 调用dyldbootstrap::start()方法(省去参数)
    2. 上个方法返回了 main 函数地址,填入参数并调用 main 函数

    这个步骤随手就能验证出来,设置一个符号断点断在_objc_init

    这个函数是runtime的初始化函数,后面会提到。程序运行在很早的时候断住,这时候看调用栈:

    看到了栈底的dyldbootstrap::start()方法,继而调用了dyld::_main()方法,其中完成了刚才说的递归加载动态库过程,由于libSystem默认引入,栈中出现了libSystem_initializer的初始化方法。

    ImageLoader

    当然这个 image 不是图片的意思,它大概表示一个二进制文件(可执行文件或 so 文件),里面是被编译过的符号、代码等,所以 ImageLoader 作用是将这些文件加载进内存,且每一个文件对应一个ImageLoader实例来负责加载

    两步走:

    1. 在程序运行时它先将动态链接的 image 递归加载 (也就是上面测试栈中一串的递归调用的时刻)
    2. 再从可执行文件 image 递归加载所有符号

    当然所有这些都发生在我们真正的main函数执行前。

    runtime 与 +load

    刚才讲到 libSystem 是若干个系统 lib 的集合,所以它只是一个容器 lib 而已,而且它也是开源的,里面实质上就一个文件,init.c,由 libSystem_initializer 逐步调用到了 _objc_init,这里就是 objc 和 runtime 的初始化入口。

    除了 runtime 环境的初始化外,_objc_init中绑定了新 image 被加载后的 callback:

    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound, 1, &map_images);dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0, &load_images);
    复制代码

    可见 dyld 担当了 runtimeImageLoader 中间的协调者,当新 image 加载进来后交由 runtime 大厨去解析这个二进制文件的符号表和代码。继续上面的断点法,断住神秘的 +load 函数:

    清楚的看到整个调用栈和顺序:

    1. dyld 开始将程序二进制文件初始化
    2. 交由 ImageLoader 读取 image,其中包含了我们的类、方法等各种符号
    3. 由于 runtime 向 dyld 绑定了回调,当 image 加载到内存后,dyld 会通知 runtime 进行处理
    4. runtime 接手后调用 map_images 做解析和处理,接下来 load_images 中调用 call_load_methods 方法,遍历所有加载进来的 Class,按继承层级依次调用 Class 的 +load 方法和其 Category 的 +load 方法

    至此,可执行文件中和动态库所有的符号(Class,Protocol,Selector,IMP,…)都已经按格式成功加载到内存中,被 runtime 所管理,再这之后,runtime 的那些方法(动态添加 Class、swizzle 等等才能生效)

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    关于 +load 方法的几个 QA

    Q: 重载自己 Class 的 +load 方法时需不需要调父类?
    A: runtime 负责按继承顺序递归调用,所以我们不能调 super

    Q: 在自己 Class 的 +load 方法时能不能替换系统 framework(比如 UIKit)中的某个类的方法实现
    A: 可以,因为动态链接过程中,所有依赖库的类是先于自己的类加载的

    Q: 重载 +load 时需要手动添加 @autoreleasepool 么?
    A: 不需要,在 runtime 调用 +load 方法前后是加了 objc_autoreleasePoolPush()objc_autoreleasePoolPop() 的。

    Q: 想让一个类的 +load 方法被调用是否需要在某个地方 import 这个文件
    A: 不需要,只要这个类的符号被编译到最后的可执行文件中,+load 方法就会被调用(Reveal SDK 就是利用这一点,只要引入到工程中就能工作)

    总结

    整个事件由 dyld 主导,完成运行环境的初始化后,配合 ImageLoader 将二进制文件按格式加载到内存,
    动态链接依赖库,并由 runtime 负责加载成 objc 定义的结构,所有初始化工作结束后,dyld 调用真正的 main 函数。
    值得说明的是,这个过程远比写出来的要复杂,这里只提到了 runtime 这个分支,还有像 GCDXPC等重头的系统库初始化分支没有提及(当然,有缓存机制在,它们也不会玩命初始化),总结起来就是 main 函数执行之前,系统做了茫茫多的加载和初始化工作,但都被很好的隐藏了,我们无需关心。

    孤独的 main 函数

    当这一切都结束时,dyld 会清理现场,将调用栈回归,只剩下:

    孤独的 main 函数,看上去是程序的开始,确是一段精彩的终结

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