最近的狀態(tài)嘚吧嘚
最近工作有些忙碌，不停追趕著迭代，修復(fù)問題填坑…已經(jīng)不記得上次自己寫文章是什么時候了，導(dǎo)致之前的賬號都忘了，好在一直有做筆記的習(xí)慣。知識在于積累和反復(fù)，無論多么成熟的開發(fā)人員都有遺漏或者淡忘一些時間久不用或者不在意的東西。
回顧下iOS系統(tǒng)架構(gòu)
iOS 系統(tǒng)是基于 ARM 架構(gòu)的，大致可以分為四層：?
1.最上層是用戶體驗層，主要是提供用戶界面。這一層包含了 SpringBoard用戶GUI管理界面、Spotlight、Accessibility輔助功能。
2.第二層是應(yīng)用框架層，是開發(fā)者會用到的，這一層包含了開發(fā)框架 Cocoa Touch。
3.第三層是核心框架層，是系統(tǒng)核心功能的框架層。這一層包含了各種圖形和媒體核心框架、Metal 等。
4.第四層是 Darwin 層，是操作系統(tǒng)的核心，屬于操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)。這一層包含了系統(tǒng)內(nèi)核 XNU、驅(qū)動等。
用戶體驗層、應(yīng)用框架層和核心框架層，屬于用戶態(tài)，是上層 App 的活動空間。Darwin 是用戶態(tài)的下層支撐，是 iOS 系統(tǒng)的核心。
Darwin 的內(nèi)核是 XNU，而 XNU 是在 UNIX 的基礎(chǔ)上做了很多改進(jìn)以及創(chuàng)新。了解 XNU 的內(nèi)部是怎么樣的，將有助于我們解決系統(tǒng)層面的問題。
Darwin 歷史
Darwin: (部分開源)基于喬布斯的：OpenStep
OpenStep：及其前身NextStep則是衍生與加州大學(xué)伯克利分校所發(fā)布的Berkeley Software Distribution（BSD).
Darwin內(nèi)核XNU: 結(jié)合了BSD 與 Mach，以及蘋果自己的一些科技研發(fā)出來的。
早期的 BSD 是 UNIX 衍生出的操作系統(tǒng)，現(xiàn)在 BSD 是類 UNIX 操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。XNU 的 BSD 來源于 FreeBSD 內(nèi)核，經(jīng)過深度定制而成。IEEE 為了保證軟件可以在各個 UNIX 系統(tǒng)上運行而制定了 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)，iOS 也是通過 BSD 對 POSIX 的兼容而成為了類 UNIX 系統(tǒng)。
iOS 6 后，為了增強(qiáng)系統(tǒng)安全，BSD 實行了 ASLR（Address Space Layout Randomization，地址空間布局隨機(jī)化）。隨著 iPhone 硬件升級，為了更好地利用多核，BSD 加入了工作隊列，以支持多核多線程處理，這也是 GCD 能更高效工作的基礎(chǔ)。 BSD 還從 TrustdBSD 引入了 MAC 框架以增強(qiáng)權(quán)限 entitlement 機(jī)制的安全。
Darwin主要組件：
BSD
Mach ： 最底層為（BSD和I/O kit提供服務(wù)
I/O Kit : 面向?qū)ο蟮脑O(shè)備驅(qū)動框架
Platform Expert
libkern
libs
XNU內(nèi)核是一個混合內(nèi)核，它的核心是一個叫Mach的微內(nèi)核，Mach中也是消息傳遞機(jī)制，但是它使用的是指針形式傳遞，因為大部分服務(wù)都在XNU內(nèi)核中，所以Mach沒有昂貴的復(fù)制操作，只用指針就可以完成消息傳遞。
微內(nèi)核可以提高系統(tǒng)的模塊化程度，提供內(nèi)存保護(hù)的消息傳遞機(jī)制；
宏內(nèi)核也可以叫單內(nèi)核，在出現(xiàn)高負(fù)荷狀態(tài)時依然能夠讓系統(tǒng)保持高效運作。
Mach 是對內(nèi)核運作方式的一次探索創(chuàng)新。Mach 提出了“微內(nèi)核”的概念——將系統(tǒng)內(nèi)核的部分任務(wù)交給用戶層進(jìn)程處理。(Mach 可以認(rèn)為是微內(nèi)核的 BSD 系統(tǒng))
XNU(“X is Not UNIX”)
Mach負(fù)責(zé) XNU 比較底層的任務(wù)。如：
－搶占式多任務(wù)，包括內(nèi)核線程（Mac OS X用內(nèi)核線程實現(xiàn)POSIX線程）
－內(nèi)存保護(hù)
－虛擬內(nèi)存管理
－進(jìn)程間通信
－中斷管理
－實時支持
－內(nèi)核調(diào)試支持
－控制臺I/O
下面詳細(xì)聊下 XNU 的架構(gòu)，看看它的內(nèi)部到底都包含了了哪些
其中，Mach是作為 UNIX 內(nèi)核的替代，主要解決 UNIX 一切皆文件導(dǎo)致抽象機(jī)制不足的問題，為現(xiàn)代操作系統(tǒng)做了進(jìn)一步的抽象工作。 Mach 負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)最基本的工作，包括進(jìn)程和線程抽象、處理器調(diào)度、進(jìn)程間通信、消息機(jī)制、虛擬內(nèi)存管理、內(nèi)存保護(hù)等。
進(jìn)程對應(yīng)到 Mach 是 Mach Task，Mach Task 可以看做是線程執(zhí)行環(huán)境的抽象，包含虛擬地址空間、IPC 空間、處理器資源、調(diào)度控制、線程容器。
進(jìn)程在 BSD 里是由 BSD Process 處理，BSD Process 擴(kuò)展了 Mach Task，增加了進(jìn)程 ID、信號信息等，BSD Process 里面包含了擴(kuò)展 Mach Thread 結(jié)構(gòu)的 Uthread。
Mach 的模塊包括進(jìn)程和線程都是對象，對象之間不能直接調(diào)用，只能通過 Mach Msg 進(jìn)行通信，也就是 mach_msg() 函數(shù)。在用戶態(tài)的那三層中，也就是在用戶體驗層、應(yīng)用框架層和核心框架層中，你可以通過 mach_msg_trap() 函數(shù)觸發(fā)陷阱，從而切至 Mach，由 Mach 里的 mach_msg() 函數(shù)完成實際通信，具體實現(xiàn)可以參看 NSHipster 的這篇文章“Inter-Process Communication”。
每個 Mach Thread 表示一個線程，是 Mach 里的最小執(zhí)行單位。Mach Thread 有自己的狀態(tài)，包括機(jī)器狀態(tài)、線程棧、調(diào)度優(yōu)先級（有 128 個，數(shù)字越大表示優(yōu)先級越高）、調(diào)度策略、內(nèi)核 Port、異常 Port。
Mach Thread 既可以由 Mach Task 處理，也可以擴(kuò)展為 Uthread，通過 BSD Process 處理。這是因為 XNU 采用的是微內(nèi)核 Mach 和 宏內(nèi)核 BSD 的混合內(nèi)核，具備微內(nèi)核和宏內(nèi)核的優(yōu)點。
Mach 是微內(nèi)核，可以將操作系統(tǒng)的核心獨立在進(jìn)程上運行，不過，內(nèi)核層和用戶態(tài)各層之間切換上下文和進(jìn)程間消息傳遞都會降低性能。為了提高性能，蘋果深度定制了 BSD 宏內(nèi)核，使其和 Mach 混合使用。
宏內(nèi)核 BSD 是對 Mach 封裝，提供進(jìn)程管理、安全、網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動、內(nèi)存、文件系統(tǒng)（HFS+）、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）、虛擬文件系統(tǒng)（VFS）、POSIX（Portable Operating System Interface of UNIX，可移植操作系統(tǒng)接口）兼容。
BSD 提供了更現(xiàn)代、更易用的內(nèi)核接口，以及 POSIX 的兼容，比如通過擴(kuò)展 Mach Task 進(jìn)程結(jié)構(gòu)為 BSD Process。對于 Mach 使用 mach_msg_trap() 函數(shù)觸發(fā)陷阱來處理異常消息，BSD 則在異常消息機(jī)制的基礎(chǔ)上建立了信號處理機(jī)制，用戶態(tài)產(chǎn)生的信號會先被 Mach 轉(zhuǎn)換成異常，BSD 將異常再轉(zhuǎn)換成信號。對于進(jìn)程和線程，BSD 會構(gòu)建 UNIX 進(jìn)程模型，創(chuàng)建 POSIX 兼容的線程模型 pthread。
除了微內(nèi)核 Mach 和宏內(nèi)核 BSD 外，XNU 還有 IOKit。IOKit 是硬件驅(qū)動程序的運行環(huán)境，包含電源、內(nèi)存、CPU 等信息。IOKit 底層 libkern 使用 C++ 子集 Embedded C++ 編寫了驅(qū)動程序基類，比如 OSObject、OSArray、OSString 等，新驅(qū)動可以繼承這些基類來寫。
了解了 XNU 后，接下來，我再跟你聊聊 XNU 怎么加載 App 的？
XNU 怎么加載 App？
iOS 的可執(zhí)行文件和動態(tài)庫都是 Mach-O 格式，所以加載 APP 實際上就是加載 Mach-O 文件。
Mach-O header 信息結(jié)構(gòu)代碼如下：
struct mach_header_64 {
? ?uint32_t? ? ? ? magic;? ? ? // 64位還是 32 位
? ? cpu_type_t? ? ? cputype;? ? // CPU類型，比如 arm 或 X86
? ? cpu_subtype_t? cpusubtype; // CPU子類型，比如 armv8
? ? uint32_t? ? ? ? filetype;? //文件類型
? ? uint32_t? ? ? ? ncmds;? ? ? // load commands的數(shù)量
? ? uint32_t? ? ? ? sizeofcmds; // load commands大小
? ? uint32_t? ? ? ? flags;? ? ? //標(biāo)簽
? ? uint32_t? ? ? ? reserved;? //保留字段
};
如上面代碼所示，包含了表示是 64 位還是 32 位的 magic、CPU 類型 cputype、CPU 子類型 cpusubtype、文件類型 filetype、描述文件在虛擬內(nèi)存中邏輯結(jié)構(gòu)和布局的 load commands 數(shù)量和大小等文件信息。
其中，文件類型 filetype 表示了當(dāng)前 Mach-O 屬于哪種類型。Mach-O 包括以下幾種類型。
OBJECT，指的是 .o 文件或者 .a 文件；
EXECUTE，指的是 IPA 拆包后的文件；
DYLIB，指的是 .dylib 或 .framework 文件；
DSYM，指的是保存有符號信息用于分析閃退信息的文件（平時診斷crash信息會用到）。
整個 fork 進(jìn)程，加載解析 Mach-O 文件的過程可以在 XNU 的源代碼中查看，代碼路徑是 darwin-xnu/bsd/kern/kern_exec.c，kern_exec.c，相關(guān)代碼在 __mac_execve 函數(shù)里DYLINKER，指的是動態(tài)鏈接器；
加載 Mach-O 文件，內(nèi)核會 fork 進(jìn)程，并對進(jìn)程進(jìn)行一些基本設(shè)置，比如為進(jìn)程分配虛擬內(nèi)存、為進(jìn)程創(chuàng)建主線程、代碼簽名等。用戶態(tài) dyld 會對 Mach-O 文件做庫加載和符號解析。
int __mac_execve(proc_t p, struct __mac_execve_args *uap, int32_t *retval)
{
? ? // 字段設(shè)置
? ? ...
? ? int is_64 = IS_64BIT_PROCESS(p);
? ? struct vfs_context context;
? ? struct uthread? *uthread; // 線程
? ? task_t new_task = NULL;? // Mach Task
? ? ...
? ? context.vc_thread = current_thread();
? ? context.vc_ucred = kauth_cred_proc_ref(p);
? ? // 分配大塊內(nèi)存，不用堆棧是因為 Mach-O 結(jié)構(gòu)很大。
? ? MALLOC(bufp, char *, (sizeof(*imgp) + sizeof(*vap) + sizeof(*origvap)), M_TEMP, M_WAITOK | M_ZERO);
? ? imgp = (struct image_params *) bufp;
? ? // 初始化 imgp 結(jié)構(gòu)里的公共數(shù)據(jù)
? ? ...
? ? uthread = get_bsdthread_info(current_thread());
? ? if (uthread->uu_flag & UT_VFORK) {
? ? ? ? imgp->ip_flags |= IMGPF_VFORK_EXEC;
? ? ? ? in_vfexec = TRUE;
? ? } else {
? ? ? ? // 程序如果是啟動態(tài)，就需要 fork 新進(jìn)程
? ? ? ? imgp->ip_flags |= IMGPF_EXEC;
? ? ? ? // fork 進(jìn)程
? ? ? ? imgp->ip_new_thread = fork_create_child(current_task(),
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? NULL, p, FALSE, p->p_flag & P_LP64, TRUE);
? ? ? ? // 異常處理
? ? ? ? ...
? ? ? ? new_task = get_threadtask(imgp->ip_new_thread);
? ? ? ? context.vc_thread = imgp->ip_new_thread;
? ? }
? // 加載解析 Mach-O
? ? error = exec_activate_image(imgp);
? ?if (imgp->ip_new_thread != NULL) {
? ? ? ? new_task = get_threadtask(imgp->ip_new_thread);
? ?}
? ? if (!error && !in_vfexec) {
? ? ? ? p = proc_exec_switch_task(p, current_task(), new_task, imgp->ip_new_thread);
? ? ? ? should_release_proc_ref = TRUE;
? ? }
? ? kauth_cred_unref(&context.vc_ucred);
? ? if (!error) {
? ? ? ? task_bank_init(get_threadtask(imgp->ip_new_thread));
? ? ? ? proc_transend(p, 0);
? ? ? ? thread_affinity_exec(current_thread());
? ? ? ? // 繼承進(jìn)程處理
? ? ? ? if (!in_vfexec) {
? ? ? ? ? ? proc_inherit_task_role(get_threadtask(imgp->ip_new_thread), current_task());
? ? ? ? }
? ? ? ? // 設(shè)置進(jìn)程的主線程
? ? ? ? thread_t main_thread = imgp->ip_new_thread;
? ? ? ? task_set_main_thread_qos(new_task, main_thread);
? ? }
? ? ...
}
小結(jié)
總體來說，XNU 加載就是為 Mach-O 創(chuàng)建一個新進(jìn)程，建立虛擬內(nèi)存空間，解析 Mach-O 文件，最后映射到內(nèi)存空間。流程可以概括為：
fork 新進(jìn)程；
為 Mach-O 分配內(nèi)存；
解析 Mach-O；
讀取 Mach-O 頭信息；
遍歷 load command 信息，將 Mach-O 映射到內(nèi)存；
啟動 dyld。
