iOS啟動優化 —— LLVM編譯流程 & Clang插件開發-有解無憂

1. LLVM

1.1 LLVM概述

LLVM是架構編譯器的框架系統，以C++撰寫而成，用于優化任意程式語言撰寫的程式的編譯時間（compile-time）、鏈接時間（link-time）、運行時間（run-time）以及空閑時間（idle-time），對開發者保持開放，并兼容已有腳本，目前LLVM已經被蘋果IOS開發工具，Xilinx Vivado， Facebook，Google等各大公司采用，

1.2 傳統編譯器設計

原始碼 Source Code + 前端 Frontend + 優化器 Optimizer + 后端 Backend（代碼生成器 CodeGenerator）+ 機器碼 Machine Code，如下圖所示

前端Frontend：負責決議源代碼，它會進行：詞法分析、語法分析、語意分析，檢查源代碼是否存在錯誤，然后構建針對語言的抽象語法樹（AST：Abstract Syntax Tree，LLVM 的前端還會生成中間代碼（intermediate representation，簡稱IR），
優化器 Optimizer：優化器負責進行各種優化，改善代碼的運行時間，例如消除冗余計算等；
后端 Backend（代碼生成器 Code Generator）：將代碼映射到目標指令集，生成機器代碼，并且進行機器代碼相關的代碼優化；

1.3 ios的編譯器架構

OC、C、C++使用的編譯器前端是Clang，Swift是swift，后端都是LLVM，如下圖所示

1.4 LLVM的設計

LLVM設計的最重要方面是，使用通用的代碼表示形式（IR），它是用來在編譯器中表示代碼的形式，所有LLVM可以為任何編程語言獨立撰寫前端，并且可以為任意硬體架構獨立撰寫后端，做到了前后端分離如下所示

傳統的編譯器，前端，優化器和后端是連在一起的，是一個專案，但是在llvm中，前端和后端分開了，兩者中間有一個通用的中間層，也就是IR，前端決議源代碼，然后詞法分析、語法分析、語意分析、AST等作業完成之后，生成IR輸出給優化器，優化器負責優化IR代碼，然后后端接受IR代碼后根據需要適配的設備生成X86、ARM64等，所以，當出現一個新設備，只需要研發一個新設備的后端，出現一個高級語言，就研發高級語言的前端，這樣就能支持所有的語言和設備，

1.5 Clang

clang是LLVM專案中的一個子專案，它是基于LLVM架構圖的輕量級編譯器，誕生之初是為了替代GCC，提供更快的編譯速度，它是負責C、C++、OC語言的編譯器，屬于整個LLVM架構中的編譯器前端，對于開發者來說，研究Clang可以給我們帶來很多好處

2. 編譯流程

可以通過以下命令列印原始碼的編譯階段：

clang -ccc-print-phases main.m

這里新建一個后通過命令列印原始碼的編譯階段：

0 - 輸入檔案：找到源檔案
1 - 預處理階段：這個程序處理包括宏的替換，頭檔案的匯入
2 - 編譯階段：進行詞法分析、語法分析、檢測語法是否正確，最終生成IR
3 - 后端：這里LLVM會通過一個一個的pass去優化，每個pass做一些事情，最終生成匯編代碼
4 - 匯編代碼生成目標檔案
5 - 鏈接：鏈接需要的動態庫和靜態庫，生成可執行檔案
6 - 系結：通過不同的架構，生成對應架構的可執行檔案

在main.m中輸入一些代碼，

然后通過指令clang -E main.m >> main1.m生成預處理之后的檔案，

開頭是一些宏展開和.h檔案的展開，

然后最后看到main函式，這里成C沒有了，變成了30.

所以我們得出：

typedef不是預處理指令，也就是說：typedef可以給資料型別取別名，但是在預處理階段不會被替換掉，
define則在預處理階段會被替換，所以經常被是用來進行代碼混淆，目的是為了app安全，

3. 編譯階段

編譯階段會進行詞法分析、語法分析、檢測語法是否正確，最終生成IR，

3.1 詞法分析

預處理完成后就會進行詞法分析，這里會把代碼切成一個個Token，比如大小括號，等于號還有字串等，通過下列指令來查看詞法分析

  clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

詞法分析結果：

3.2 語法分析

詞法分析完成后就是語法分析，它的任務是驗證語法是否正確，在詞法分析的基礎上將單詞序列組合成各類詞法短語，如程式、陳述句、運算式 等等，然后將所有節點組成抽象語法樹（Abstract Syntax Tree，AST），語法分析程式判斷程式在結構上是否正確，

通過下列指令來查看語法分析

  clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

得到下面的結果（這里面的地址是虛擬地址，還沒開辟記憶體，可以看作是檔案的偏移地址）：

FunctionDecl ：函式方法宣告，
ParmVarDecl: 引數宣告，
CompoundStmt：復合陳述句，
CallExpr：函式呼叫，
BinaryOperator：運算子，
ImplicitCastExpr：函式指標，
DeclRefExpr：函式型別，

3.3 生成中間代碼IR

完成以上步驟后，就開始生成中間代碼IR了，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，

簡化一下代碼：

然后通過下列指令來生成 .ll 的文本檔案，查看IR代碼，

  clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

生成IR代碼如下（這一步會進行語法檢查）：

@：全域標識
%：區域標識
alloca：開辟空間
align：記憶體對齊
i32： 32bit，4個位元組
store：寫入記憶體
load：讀取資料
call：呼叫函式
ret：回傳

上面的IR代碼是沒有經過優化的，所以會比較長， LLVM的優化級別分別是: -O0 , -O1 , -O2 , -O3 , -Os ，可以在xcode里面 target -> Build Settings -> optimization Level 設定優化等級，

輸入下列指令來生成優化后的IR代碼，

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

下面是優化后的IR代碼，可以明顯看出來代碼少了很多，優化等級并不是越高越好的，一般情況下，debug模式下是不進行優化的，而在release模式下是-Os 優化等級，

3.4 bitCode

xcode7以后開啟bitcode，蘋果會做進一步優化，生成.bc的中間代碼，我們通過優化后的IR代碼生成.bc代碼，Bitcode的目的是根據不同的CPU架構，蘋果能夠在APPStore直接下載不同的架構的包，

輸入下列指令來生成bc代碼，

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

4. 生成匯編代碼

到了這一步，這里就到了backend，這里LLVM會通過一個一個的pass去優化，每個pass做一些事情，最終生成匯編代碼，

我們通過生成的.bc或者.ll代碼生成匯編代碼，

 clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
 clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s

這里分別通過main.ll，main.bc，main.m來生成匯編之后進行對比，

main.bc生成的匯編代碼：

main.ll生成的匯編代碼：

main.m生成的匯編代碼：

這里發現通過main.bc 和 main.ll 生成的匯編代碼都是54行，說明并沒有額外進行代碼優化，main.m是沒有經過優化的原始碼，轉化為匯編后則多了幾行代碼，那么這里的代碼是否還能進行優化呢？試一下，輸入以下代碼

clang -Os -S -fobjc-arc main.bc -o main3.s

這是指令運行后得到的代碼，發現比之前的又少了幾行，這就說明：當選定了優化等級了之后，在不同的節點上，還能進行優化，

5. 生成目標檔案（匯編器）

目標檔案的生成，是匯編器以匯編代碼作為插入，將匯編代碼轉換為機器代碼，最后輸出目標檔案（object file），

通過以下指令來生產.o檔案

clang -fmodules -c main.s -o main.o

可以通過nm命令，查看下main.o中的符號

$xcrun nm -nm main.o

指令執行后發現輸出下面的結果：

_printf函式是一個是undefined 、external 的
undefined表示在當前檔案暫時找不到符號_printf
external表示這個符號是外部可以訪問的

這里為什么undefined了呢？因為這里呼叫了外部的方法，這個時候就需要鏈接了，

6. 生成可執行檔案(鏈接)

鏈接主要是鏈接需要的動態庫和靜態庫，生成可執行檔案，

連接器把編譯生成的.o檔案和 .dyld .a檔案鏈接，生成一個mach-o檔案

clang main.o -o main

查看鏈接之后的符號

$xcrun nm -nm main

指令執行后得到下面的結果：

這里看到有兩個undefined，一個是_printf，一個是dyld_stub_binder，但是后面都有(from libSystem)，這里的dyld_stub_binder也是一個外部函式，在dyld里面，當mach-o 進入到記憶體之后，外部符號就會和binder進行系結，這個程序是dyld強制系結的，這里就是去系結_printf，鏈接就是要知道內部的符號是在外面的哪個庫里面，系結就是將外面的函式的地址和內部的符號進行系結，鏈接在編譯期，系結在執行期，所以只要鏈接就一定有一個外部函式也就是dyld_stub_binder，

7. clang 插件

7.1 LLVM下載

	由于國內網路限制，需要借助鏡像下載llvm的原始碼鏈接: [link](https://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/help/llvm/).
復制代碼

下載LLVM專案

git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/llvm.git

在LLVM的tool目錄下下載Clang

cd llvm/tools
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/clang.git

在LLVM的projects目錄下下載compiler-rt、libcxx、libcxxabi

cd ../projects
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/compiler-rt.g it
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/libcxx.git git clone 
https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/libcxxabi.git

在Clang的tools下安裝extra工具

cd ../tools/clang/tools
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/llvm/clang-tools-extra.git

7.2 LLVM 編譯

由于最新的LLVM只支持cmake來編譯，所以需要安裝cmake

查看brew是否安裝cmake，如果已經安裝，則跳過下面步驟

brew list

通過brew安裝cmake

brew install cmake

7.3 編譯LLVM

通過xcode編譯LLVM

cmake編譯成Xcode專案

mkdir build_xcode
cd build_xcode
cmake -G Xcode ../llvm

使用xcode編譯Clang

選擇手動創建schemes

編譯（CMD + B），選擇ALL_BUILD Secheme進行編譯，預計1+小時，

通過ninja編譯LLVM

使用ninja進行編譯則還需要安裝ninja，使用以下命令安裝ninja

brew install ninja

在LLVM原始碼根目錄下新建一個build_ninja目錄，最侄訓在build_ninja目錄下生成``build.ninja`

在LLVM原始碼根目錄下新建llvm_release目錄，最終編譯檔案會在llvm_release檔案夾路徑下

cd llvm_build
//注意DCMAKE_INSTALL_PREFIX后面不能有空格
cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX= 安裝路徑（本機為/ Users/xxx/xxx/LLVM/llvm_release）

依次執行編譯，安裝指令

ninja
ninja install

7.4 創建插件

在/llvm/tools/clang/tools下新建插件LSPlugin

在/llvm/tools/clang/tools目錄下的CMakeLists.txt檔案，新增add_clang_subdirectory(LSPlugin)，

在LSPlugin目錄下新建 LSPlugin.cpp 和CMakeLists.txt，并在CMakeLists.txt中加上以下代碼

add_llvm_library( HKPlugin MODULE BUILDTREE_ONLY
  LSPlugin.cpp
)

接下來利用cmake重新生成Xcode專案，在build_xcode目錄下執行以下命令

cmake -G Xcode ../llvm

最后可以在LLVM的xcode專案中可以看到Loadable modules目錄下由自定義的LSPlugin目錄了，然后可以在里面撰寫插件代碼了，

面試基礎

iOS面試基礎知識（一）

iOS面試基礎知識（二）

iOS面試基礎知識（三）

iOS面試基礎知識（四）

iOS面試基礎知識（五）

知識詳解

iOS面試要點之GCD面試要點

iOS面試要點之多執行緒面試要點

iOS面試要點之block面試要點

iOS面試要點之Runtime面試要點

iOS面試要點之RunLoop面試要點

iOS面試要點之記憶體管理面試要點

iOS面試要點之MVC、MVVM面試要點

iOS面試要點之網路性能優化要點

iOS面試要點之網路編程面試要點

iOS面試要點之KVC&KVO面試要點

iOS面試要點之資料存盤面試要點

iOS面試要點之混編技術面試要點

iOS面試要點之設計模式面試要點

iOS面試要點之UI面試要點

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/yidong/296463.html

標籤：其他

上一篇：百度地圖開發-繪制點線提示框 07

下一篇：華為動態標簽管理如何助力廣告營銷