iOS底層探索(一) - 從零開始認(rèn)識Clang與LLVM
寫在前面
編譯器是屬于底層知識，在日常開發(fā)中少有涉及，但在我的印象中，越接近底層是越需要編程基本功，也是越復(fù)雜的。但要想提升技術(shù)卻始終繞不開要對底層原理的探究，很多資料都是直接拋出一堆函數(shù)概念和一頓操作，基礎(chǔ)一般的小伙伴看了表示一臉懵逼。在此結(jié)合我自己的理解進(jìn)行優(yōu)化總結(jié)一下。畢竟知識水平有限，有問題或總結(jié)不妥的地方歡迎指出，多多學(xué)習(xí)，非常感謝！2018.2
入門起步
- 經(jīng)過上一篇對編譯器的基本介紹，相信大家對Clang都有一個基本的認(rèn)識了，通俗來說是一個編譯器的前端，負(fù)責(zé)分析源代碼(就是我們使用的C/OC/C++等)。
Clang的編譯過程
1.預(yù)處理
預(yù)處理顧名思義是預(yù)先處理，那預(yù)處理都做了哪些事情呢？內(nèi)容如下。
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(1) import 頭文件替換
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面向?qū)ο缶幊痰乃季S下，我們寫代碼會經(jīng)常用到其他類的屬性\方法等,我們只需要導(dǎo)入頭文件就可以用了，如：
#import <Foundation/Foundation.h> // 這里將會在預(yù)處理時會把 Foundation.h 文件的內(nèi)容拷貝過來并替換 -
基于這個原理，這里引出了一個小問題，如果
ClassA.h文件引用了ClassB.h，并且ClassB.h也引用了ClassA.h，這里是不是就會互相循環(huán)引入了？- 解決辦法是在頭文件中使用
@class ClassA;- 代替
#import "ClassA.h"- 這么寫意思是聲明
ClassA是一個類，這樣你就可以使用ClassA做類名了，如果需要使用ClassA的方法屬性等可以在 .m 實現(xiàn)文件中再通過import MyClass.h的方式使用，這種方法不但可以解決互相引入的問題還可以優(yōu)化編譯速度。
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(2) macro 宏展開
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無參宏： 如:
#define DATA_TYPE_NUM @"number"在此宏定義作用域內(nèi)，輸入了 DATA_TYPE_NUM，在預(yù)處理過程中 DATA_TYPE_NUM 都會被替換成 @"number"。
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帶參宏： 帶參數(shù)的宏 如：
#define CYXColor(r, g, b) [UIColor colorWithRed:(r)/255.0 green:(g)/255.0 blue:(b)/255.0 alpha:1.0]
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(3) 處理其他的預(yù)編譯指令（其實預(yù)編譯過程也是出了預(yù)編譯指令的過程）
條件編譯語句也是在預(yù)處理階段完成，并且條件編譯只允許編譯源程序中滿足條件的程序段，使生成的目標(biāo)程序較短，從而減少了內(nèi)存的開銷并提高了程序的效率,如以下代碼就只會保留一個return語句：
#if DEBUG return YES; #else return NO; #endif -
(4) 總結(jié)：
- 簡單來說，“#”這個符號是編譯器預(yù)處理的標(biāo)志， 以下是一些常用的預(yù)處理指令參考
預(yù)處理指令 用法解析 #undef 取消已定義的宏 #if 如果給定條件為真，則編譯以下代碼 #ifdef 如果宏已經(jīng)定義，則編譯以下代碼 #ifndef 如果宏沒有定義，則編譯以下代碼 #elif 如果前面的#if給定條件不為真，當(dāng)前條件為真，則編譯以下代碼 #endif 結(jié)束一個#if……#else條件編譯塊
*PS:還需要了解更多關(guān)于預(yù)編譯的內(nèi)容，還請自行百度*
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`$clang -E main.m`
2. Lexical Analysis - 詞法分析（輸出token流）
- 預(yù)處理完成了以后，開始詞法分析。詞法分析其實是編譯器開始工作真正意義上的第一個步驟，其所做的工作主要為將輸入的代碼轉(zhuǎn)換為一系列符合特定語言的詞法單元，這些詞法單元類型包括了關(guān)鍵字，操作符，變量等等。舉個例子:
Objective-C語言包含了關(guān)鍵字if、else、new等，那么在詞法分析步驟時，遇到i與f或n與e與w組合在一起的時候，需要將這幾個字母組合為關(guān)鍵字if或new這個詞法單元。
- 詞法分析，只需要將源代碼以字符文本的形式轉(zhuǎn)化成Token流的形式，不涉及交驗語義，不需要遞歸，是線性的。
什么是token流呢？可以這么理解：就是有"類型"，有"值"的一些小單元。
- 再舉個例子：
比如一個運算表達(dá)式：
(28 + 78) * 2這里面只需要解析出(是一個開括號，28是數(shù)字整形，+是一個運算符號即可。
編譯指令： $clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
3.Semantic Analysis - 語法分析（輸出(AST)抽象語法樹）
編譯指令：$clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
- 語法分析的最終產(chǎn)物是輸出抽象語法樹
- 語法分析，在Clang中由Parser和Sema兩個模塊配合完成
- 交驗語法是否正確
- 根據(jù)當(dāng)前語言的語法，生成語意節(jié)點，并將所有節(jié)點組合成抽象語法樹（AST）
- 這一步跟源碼等價，可以反寫出源碼
- Static Analysis 靜態(tài)分析
- 通過語法樹進(jìn)行代碼靜態(tài)分析，找出非語法性錯誤
- 模擬代碼執(zhí)行路徑，分析出control-flow graph(CFG) 【MRC時代會分析出引用計數(shù)的錯誤】
- 預(yù)置了常用Checker（檢查器）
未完待續(xù) ...
這是上篇，為保證博客質(zhì)量與閱讀體驗（個人感覺一次閱讀過多文字有點影響閱讀體驗），先分享已完成的上半部分，下篇將繼續(xù)介紹Clang編譯過程中的剩下環(huán)節(jié)，歡迎持續(xù)關(guān)注，感謝理解與支持！2018.2
預(yù)告：下篇將繼續(xù)介紹Clang與LLVM以下環(huán)節(jié)的相關(guān)知識。
下面是一些關(guān)鍵詞，有興趣的朋友先自行谷歌學(xué)習(xí)吧，下篇等我有閑情的時候再更新了，我也不知道什么時候。2018.7.15
4. CodeGen - （Intermediate Representation，簡稱IR）IR中間代碼生成
- CodeGen 負(fù)責(zé)將語法樹叢頂至下遍歷，翻譯成LLVM IR
- LLVM IR 是Frontend的輸出，也是LLVM Backend的輸入，前后端的橋接語言 （Swift也是轉(zhuǎn)成這個）
- 與 Objective-C Runtime 橋接
- Class/Meta Class/Protocol/Category內(nèi)存結(jié)構(gòu)生成，并存放在指定section中（如Class：_DATA, _objc_classrefs）
- Method/lvar/Property內(nèi)存結(jié)構(gòu)生成
- 組成method_list/ivar_list/property_list并填入Class
- Non-Fragile ABI:為每個Ivar合成OBJC_IVAR_$_偏移值常量
- 存取Ivar的語句（ivar = 123; int a = ivar;）轉(zhuǎn)寫成base + OBJC_IVAR$_的形式
- 將語法樹中的ObjcMessageExpr翻譯成相應(yīng)版本的objc_msgSend，對super關(guān)鍵字的調(diào)用翻譯成objc_msgSendSuper
- 根據(jù)修飾符strong/weak/copy/atomic合成@property 自動實現(xiàn)的 setter/getter
- 處理@synthesize
- 生成block_layout的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
- 變量的capture(__block/__weak)
- 生成_block_invoke函數(shù)
- ARC：分析對象引用關(guān)系，將objc_storeStrong/objc_storeWeak等ARC代碼插入
- 將ObjCAutoreleasePoolStmt轉(zhuǎn)譯成objc_autoreleasePoolPush/Pop
- 實現(xiàn)自動調(diào)用[super dealloc]
- 為每個擁有ivar的Class合成.cxx_destructor方法來自動釋放類的成員變量，代替MRC時代的“self.xxx = nil”
5. Optimize - 優(yōu)化IR
- 遞歸優(yōu)化成尾遞歸
6. LLVM Bitcode - 生成字節(jié)碼
7. Assemble - 生成Target相關(guān)匯編
- Assemble - 生成Target相關(guān)Object(Mach-O)
8. Link生成Executable
參考文檔
https://zh.wikipedia.org/wiki/C%E9%A2%84%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8
https://llvm.org/docs/tutorial/LangImpl2.html
https://www.objc.io/issues/6-build-tools/compiler/
