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編譯器的組成部分

傳統(tǒng)的編譯器通常分為三個部分，分別為：前端(frontEnd)，優(yōu)化器(Optimizer)和后端(backEnd)，在編譯過程中，各自執(zhí)行不同的功能：

前端(frontEnd)主要負責詞法分析，語法分析和語義分析，將源代碼轉化為抽象語法樹(AST)，最后生成中間代碼；
優(yōu)化器(Optimizer)則是在前端的基礎上，對生成的中間代碼進行優(yōu)化；
后端(backEnd)則是將已經(jīng)優(yōu)化的中間代碼，根據(jù)不同平臺架構轉化為各自平臺的機器代碼；

編譯器的種類

GCC

GCC（GNU Compiler Collection，GNU編譯器套裝），是一套由 GNU 開發(fā)的編程語言編譯器，GCC 原名為 GNU C 語言編譯器，因為它原本只能處理 C語言，GCC 快速演進，變得可處理 C++、Fortran、Pascal、Objective-C、Java, 以及 Ada 等他語言；

LLVM

LLVM是一個完整的編譯器(compiler)框架系統(tǒng)，以C++編寫而成，用于優(yōu)化以任意程序語言編寫的程序的編譯時間(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(fā)者保持開放，并兼容已有腳本；
在理解LLVM時，我們可以認為它包括了一個狹義的LLVM和一個廣義的LLVM；
廣義的LLVM其實就是指整個LLVM編譯器架構，包括了前端、后端、優(yōu)化器、眾多的庫函數(shù)以及其他的模塊；
狹義的LLVM其實就是聚焦于編譯器后端功能（代碼生成、代碼優(yōu)化、JIT等）的一系列模塊和庫；

Clang

Clang是LLVM編譯系統(tǒng)的前端，是GCC的替代品，其可以看成是LLVM的子集，相比于GCC編譯器Clang功能更加強大；
其速度快，占用內(nèi)存小，診斷信息可讀性強，兼容性好，Clang有靜態(tài)分析而GCC沒有，Clang使用BSD許可證，GCC使用GPL許可證；
下面用一張圖來表示Clang與LLVM之間的關系:

Snip20210112_43.png

從圖中可以看出Clang其實大致上可以看成是LLVM編譯器架構的前端，主要處理一些和具體機器無關的針對語言的分析操作；編譯器的優(yōu)化器部分和后端部分其實就是我們之前談到的LLVM后端（狹義的LLVM），而整體的Compiler架構就是LLVM架構；

iOS編譯過程

Xcode的默認使用的編譯器是 clang，clang首先會對 Objective-C 代碼做預處理，分析檢查，然后將其轉換為低級的類匯編代碼；
下面通過具體的代碼來演示iOS的編譯過程：

第一步：預處理(preprocessor)

C語言代碼如下所示：

#import <Foundation/Foundation.h>

#define DEBUG 1

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        //insert code ...
        #ifdef DEBUG
          printf("hello debug\n");
        #else
          printf("hello world\n");
        #endif
          NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

終端cd到指定文件路徑，然后執(zhí)行xcrun clang -E main.m，最后終端輸出的代碼如下所示：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

          printf("hello debug\n");

          NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

可以看到，在代碼預處理的時候，注釋被刪除，條件編譯指令被處理；
代碼預處理完成之后的具體編譯流程如下圖所示:

Snip20210112_44.png

第二步：詞法分析

詞法分析：通過詞法分析器讀入源文件的字符流，然后將他們組織成有意義的詞素(lexeme)序列，對于每個詞素，詞法分析器會生成對應的詞法單元（token）作為輸出，測試代碼如下：

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int a = 10;
        int b = 20;
        int c = a + b;
        NSLog(@" c = %d",c);
    }
    return 0;
}

終端cd到指定文件路徑，執(zhí)行詞法分析命令：xcrun clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m 最后終端輸出的代碼如下所示：

annot_module_include '#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int a = 10;
        int b'      Loc=<main.m:9:1>
int 'int'    [StartOfLine]  Loc=<main.m:11:1>
identifier 'main'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:11:5>
l_paren '('     Loc=<main.m:11:9>
int 'int'       Loc=<main.m:11:10>
identifier 'argc'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:11:14>
comma ','       Loc=<main.m:11:18>
const 'const'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:11:20>
char 'char'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:11:26>
star '*'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:11:31>
identifier 'argv'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:11:33>
l_square '['        Loc=<main.m:11:37>
r_square ']'        Loc=<main.m:11:38>
r_paren ')'     Loc=<main.m:11:39>
l_brace '{'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:11:41>
at '@'   [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:12:5>
identifier 'autoreleasepool'        Loc=<main.m:12:6>
l_brace '{'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:12:22>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:13:9>
identifier 'a'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:13>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:15>
numeric_constant '10'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:17>
semi ';'        Loc=<main.m:13:19>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:14:9>
identifier 'b'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:14:13>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:14:15>
numeric_constant '20'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:14:17>
semi ';'        Loc=<main.m:14:19>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:15:9>
identifier 'c'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:13>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:15>
identifier 'a'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:17>
plus '+'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:19>
identifier 'b'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:21>
semi ';'        Loc=<main.m:15:22>
identifier 'NSLog'   [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:16:9>
l_paren '('     Loc=<main.m:16:14>
at '@'      Loc=<main.m:16:15>
string_literal '" c = %d"'      Loc=<main.m:16:16>
comma ','       Loc=<main.m:16:25>
identifier 'c'      Loc=<main.m:16:26>
r_paren ')'     Loc=<main.m:16:27>
semi ';'        Loc=<main.m:16:28>
r_brace '}'  [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:17:5>
return 'return'  [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:18:5>
numeric_constant '0'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:12>
semi ';'        Loc=<main.m:18:13>
r_brace '}'  [StartOfLine]  Loc=<main.m:19:1>
eof ''      Loc=<main.m:20:1>

看到詞法分析器將代碼中的關鍵字，操作符，變量，分號，括號全部分割開來成為獨立的詞法單元；

第三步：語法分析

詞法分析獲取的詞法單元(Token)流，會被解析成一棵抽象語法樹(abstract syntax tree - AST)，且會對語法樹進行代碼靜態(tài)分析，校驗語法是否錯誤；
終端執(zhí)行語法分析命令：clang -Xclang -ast-dump -fsyntax-only main.m，終端輸出結果如下所示：

Snip20210112_45.png

第四步：生成中間代碼文件

終端執(zhí)行命令：clang -O3 -S -emit-llvm main.m -o main.ll，本地生成一個main.ll文件，用Xcode打開其內(nèi)容如下：

; ModuleID = 'main.m'
source_filename = "main.m"
target datalayout = "e-m:o-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128"
target triple = "x86_64-apple-macosx10.15.0"

%struct.__NSConstantString_tag = type { i32*, i32, i8*, i64 }

@__CFConstantStringClassReference = external global [0 x i32]
@.str = private unnamed_addr constant [8 x i8] c" c = %d\00", section "__TEXT,__cstring,cstring_literals", align 1
@_unnamed_cfstring_ = private global %struct.__NSConstantString_tag { i32* getelementptr inbounds ([0 x i32], [0 x i32]* @__CFConstantStringClassReference, i32 0, i32 0), i32 1992, i8* getelementptr inbounds ([8 x i8], [8 x i8]* @.str, i32 0, i32 0), i64 7 }, section "__DATA,__cfstring", align 8

; Function Attrs: ssp uwtable
define i32 @main(i32, i8** nocapture readnone) local_unnamed_addr #0 {
  %3 = tail call i8* @llvm.objc.autoreleasePoolPush() #1
  notail call void (i8*, ...) @NSLog(i8* bitcast (%struct.__NSConstantString_tag* @_unnamed_cfstring_ to i8*), i32 30)
  tail call void @llvm.objc.autoreleasePoolPop(i8* %3)
  ret i32 0
}

; Function Attrs: nounwind
declare i8* @llvm.objc.autoreleasePoolPush() #1

declare void @NSLog(i8*, ...) local_unnamed_addr #2

; Function Attrs: nounwind
declare void @llvm.objc.autoreleasePoolPop(i8*) #1

attributes #0 = { ssp uwtable "correctly-rounded-divide-sqrt-fp-math"="false" "darwin-stkchk-strong-link" "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "min-legal-vector-width"="0" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-jump-tables"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="false" "probe-stack"="___chkstk_darwin" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="penryn" "target-features"="+cx16,+fxsr,+mmx,+sahf,+sse,+sse2,+sse3,+sse4.1,+ssse3,+x87" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #1 = { nounwind }
attributes #2 = { "correctly-rounded-divide-sqrt-fp-math"="false" "darwin-stkchk-strong-link" "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf" "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="false" "probe-stack"="___chkstk_darwin" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="penryn" "target-features"="+cx16,+fxsr,+mmx,+sahf,+sse,+sse2,+sse3,+sse4.1,+ssse3,+x87" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }

!llvm.module.flags = !{!0, !1, !2, !3, !4, !5, !6, !7}
!llvm.ident = !{!8}

!0 = !{i32 2, !"SDK Version", [2 x i32] [i32 10, i32 15]}
!1 = !{i32 1, !"Objective-C Version", i32 2}
!2 = !{i32 1, !"Objective-C Image Info Version", i32 0}
!3 = !{i32 1, !"Objective-C Image Info Section", !"__DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip"}
!4 = !{i32 4, !"Objective-C Garbage Collection", i32 0}
!5 = !{i32 1, !"Objective-C Class Properties", i32 64}
!6 = !{i32 1, !"wchar_size", i32 4}
!7 = !{i32 7, !"PIC Level", i32 2}
!8 = !{!"Apple clang version 11.0.0 (clang-1100.0.33.17)"}

第五步：優(yōu)化器(Optimizer) 優(yōu)化中間代碼

全局變量優(yōu)化、循環(huán)優(yōu)化、尾遞歸優(yōu)化等，如果開啟了 bitcode 蘋果會做進一步的優(yōu)化；

第六步：生成匯編文件

終端執(zhí)行命令：clang -S -fobjc-arc main.m -o main.s，本地生成一個main.s文件，用Xcode打開其內(nèi)容如下：

    .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
    .build_version macos, 10, 15    sdk_version 10, 15
    .globl  _main                   ## -- Begin function main
    .p2align    4, 0x90
_main:                                  ## @main
    .cfi_startproc
## %bb.0:
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset %rbp, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register %rbp
    subq    $48, %rsp
    movl    $0, -4(%rbp)
    movl    %edi, -8(%rbp)
    movq    %rsi, -16(%rbp)
    callq   _objc_autoreleasePoolPush
    leaq    L__unnamed_cfstring_(%rip), %rsi
    movl    $10, -20(%rbp)
    movl    $20, -24(%rbp)
    movl    -20(%rbp), %edi
    addl    -24(%rbp), %edi
    movl    %edi, -28(%rbp)
    movl    -28(%rbp), %edi
    movl    %edi, -32(%rbp)         ## 4-byte Spill
    movq    %rsi, %rdi
    movl    -32(%rbp), %esi         ## 4-byte Reload
    movq    %rax, -40(%rbp)         ## 8-byte Spill
    movb    $0, %al
    callq   _NSLog
    movq    -40(%rbp), %rdi         ## 8-byte Reload
    callq   _objc_autoreleasePoolPop
    xorl    %eax, %eax
    addq    $48, %rsp
    popq    %rbp
    retq
    .cfi_endproc
                                        ## -- End function
    .section    __TEXT,__cstring,cstring_literals
L_.str:                                 ## @.str
    .asciz  " c = %d"

    .section    __DATA,__cfstring
    .p2align    3               ## @_unnamed_cfstring_
L__unnamed_cfstring_:
    .quad   ___CFConstantStringClassReference
    .long   1992                    ## 0x7c8
    .space  4
    .quad   L_.str
    .quad   7                       ## 0x7

    .section    __DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip
L_OBJC_IMAGE_INFO:
    .long   0
    .long   64

.subsections_via_symbols

第七步：生成目標文件(二進制文件) main.o

終端執(zhí)行命令：xcrun clang -fmodules -c main.m -o main.o，本地生成一個main.o文件；

第八步：鏈接器鏈接多個目標文件最終生成一個可執(zhí)行的Mach-O文件

鏈接器把編譯生成的所有 .o 文件和（dylib、a、tbd）文件結合，生成一個Mach-O文件(可執(zhí)行文件)；
使用終端命令：xcrun clang main.o -o main；
在編譯時，鏈接器的主要工作任務：
- 符號綁定：完成變量名與其地址，函數(shù)名與其地址之間的綁定；
- Mach-O文件中的主要內(nèi)容是數(shù)據(jù)和代碼，數(shù)據(jù)就是全局變量，代碼就是函數(shù)，全局變量和函數(shù)都存儲在指定的位置，計算機指令通過符號去操作數(shù)據(jù)和調(diào)用函數(shù)，首先必須要進行符號的綁定，才能根據(jù)符號去操作數(shù)據(jù)和調(diào)用函數(shù)；
- 靜態(tài)庫的鏈接：將靜態(tài)庫文件直接打包進入Mach-O文件中；
- 生成的多個Mach-O文件最終合成一個Mach-O文件，項目中各個文件之間的函數(shù)存在相互調(diào)用，也就是說存在相互依賴，單個的Mach-O文件是無法執(zhí)行成功的,因為當前文件中需要調(diào)用其他文件中的函數(shù)方法，最終由于找不到對應的函數(shù)而終止執(zhí)行；所以我們需要把所有的Mach-O文件合并，最終生成一個可執(zhí)行的Mach-O文件；
對于Mach-O文件中的動態(tài)庫，在編譯期只是對其進行引用并沒有加載，等到了App運行時，dyld會對Mach-O文件中所有動態(tài)庫的引用進行掃描，逐一加載鏈接，但不會打包進Mach-O文件中，這是與靜態(tài)庫最大的區(qū)別；

編譯多個文件 -- 實戰(zhàn)演練

首先創(chuàng)建一個C語言工程如下所示:

Snip20210118_13.png

在終端依次輸入:
- xcrun clang -c main.m
- xcrun clang -c YYPerson.m
在本地會生成兩個目標文件 main.o 與YYPerson.o；

Snip20210118_14.png

將多個編譯之后的目標文件通過鏈接器進行鏈接，生成a.out可執(zhí)行文件；
在終端中輸入：xcrun clang main.o YYPerson.o -Wl,xcrun —show-sdk-path/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Foundation

Snip20210118_15.png

在終端中輸入以下命令進行查看：xcrun nm -nm a.out；

Snip20210118_16.png

undefined 符號表示的是該文件類未定義，所以在目標文件和 Foundation framework 動態(tài)庫做鏈接處理時，鏈接器會嘗試解析所有的undefined 符號；
dylib 這種格式，表示是動態(tài)鏈接的，編譯的時候不會被編譯到執(zhí)行文件中，在程序執(zhí)行的時候才 link，這樣就不用算到包大小里，而且不更新執(zhí)行程序就能夠更新庫；

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iOS逆向04 -- 編譯過程

iOS逆向04 -- 編譯過程

編譯器的組成部分

編譯器的種類

GCC

LLVM

Clang

iOS編譯過程

第一步：預處理(preprocessor)

第二步：詞法分析

第三步：語法分析

第四步：生成中間代碼文件

第五步：優(yōu)化器(Optimizer) 優(yōu)化中間代碼

第六步：生成匯編文件

第七步：生成目標文件(二進制文件) main.o

第八步：鏈接器鏈接多個目標文件最終生成一個可執(zhí)行的Mach-O文件

編譯多個文件 -- 實戰(zhàn)演練

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編譯器的種類

GCC

LLVM

Clang

iOS編譯過程

第一步：預處理(preprocessor)

第二步：詞法分析

第三步：語法分析

第四步：生成中間代碼文件

第五步：優(yōu)化器(Optimizer) 優(yōu)化中間代碼

第六步：生成匯編文件

第七步：生成目標文件(二進制文件) main.o

第八步：鏈接器 鏈接多個目標文件最終生成一個可執(zhí)行的Mach-O文件

編譯多個文件 -- 實戰(zhàn)演練

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第八步：鏈接器鏈接多個目標文件最終生成一個可執(zhí)行的Mach-O文件