iOS技能拓展 初识符号与链接

本文主要介绍Mach-O、编译链接、符号分类（文末有个符号知识题）

符号可能平时开发的时候接触不多，本文会从新手视角介绍一下这个在编译链接阶段默默付出的家伙

一、MachO

1.MachO

• Mach-O（MachO Object）是macOS、iOS、iPadOS存储程序和库的文件格式。对应系统通过应用二进制接口（application binary interface，缩写为ABI）来运行该格式的文件
• Mach-O格式用来替代BSD系统的a.out格式。Mach-O文件格式保存了在编译过程和链接过程中产生的机器代码和数据，从而为静态链接和动态链接的代码提供了单一文件格式
• Mach-O文件中全部由二进制组成，可以理解成文件配置+二进制代码

2.MachO调用过程

1. 调用fork函数，创建一个process
2. 调用execve或其衍生函数，在该进程上加载，执行我们的Mach-O文件。当我们调用execve（程序加载器）内核实际上在执行以下操作：
   • 将文件加载到内存中
   • 开始分析Mach-O中的mach_header，以确认它是有效的Mach-O文件

二、查看MachO信息

1.查看mach-header

为了方便就新建了一个MacOS的项目代码如下，编译生成可执行文件

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}
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使用如下命令查看mach-header

/// objdump查看
objdump --macho --private-header machO文件

/// otool查看
otool -h machO文件
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2.查看__TEXT段

objdump --macho -d machO文件
复制代码

3.编译链接过程

1. 生成目标文件

在编译时编译器干了两件事情：

• 将代码尽可能的转成汇编语言
• 将符号归类——上例使用的NSLog属于导入符号（存在别的machO文件中）它会在链接时才确定它的内存地址，因此需要暂存起来——放到重定位符号表中（其他用到的系统库API均是如此）
  • 为什么在链接时才能确定它的内存地址，是因为生成目标文件时内存没有虚拟化，本machO文件中符号可以通过地址偏移得到，而导入符号（其他machO文件）却不行
  • 同时也可以通过查看重定位符号表来查看API的使用情况

/// 查看目标文件的重定向符号表
objdump --macho --reloc 目标文件
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1. 生成可执行文件

粗略的讲，链接过程是将多个目标文件的符号表汇总到一张表中（处理目标文件的符号表），最后去生成可执行文件exec

三、符号表

1.符号表

• Symbol Table：用来保存符号
• String Table：用来保存符号的名称
• Indirect Symbol Table：叫做间接符号表，用来保存使用的外部符号。更准确一点就是使用的外部动态库的符号，是Symbol Table的子集，例如使用Foundation库中的NSLog就是间接符号

使用如下命令就可以查看可执行文件中符号表，其中-p表示不排序，-a表示输出全部符号表，包括调试符号

nm -pa xxx(MachO文件路径)
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迷迷糊糊能看到main、NSlog、objc_autoreleasePoolPop、objc_autoreleasePoolPush等输出，这不正就是我们代码中的main函数执行嘛！

但是每次使用nm -pa xxx(MachO文件路径)总归有点麻烦，好在我们可以使用脚本（脚本是真的香）

nm -pa ${BUILD_DIR}/${CONFIGURATION}${EFFECTIVE_PLATFORM_NAME}/* > /dev/ttys000
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• nm：在linux中列出目标文件的符号清单，常用来查看动态链接库中的函数
• -p：不排序符号，使用该选项后的输出没有按照地址也没有按照符号名称排序
• -a：输出全部符号表，包括调试符号
• ${BUILD_DIR}/${CONFIGURATION}${EFFECTIVE_PLATFORM_NAME}/*：Xcode内置的参数以便于使用相对路径来执行命令
• /dev/ttys000：终端窗口。可以在终端窗口使用tty查看当前终端

也可以在项目根目录下新建一个build.sh，在文件中添加需要执行的脚本命令，同时在Run Script中进行配置脚本（有可能需要赋予执行权限）

从这个图可以看出链接主程序->脚本运行->签名应用

2.调试符号

• 文件通过汇编器生成目标文件时 会生成一个DWARF格式的调试文件，它被放在machO文件中的DWARF段；
• 而在链接过程中DWARF段会被干掉并放到可执行文件的符号表中

3.剥离调试符号

方案一：Xcode中给我们提供了Strip Symbols选项

但是编译之后终端输出没有任何变化，这是因为剥离符号是在执行脚本之后的

方案二：我们可以通过设置链接器参数来修改链接时的配置，具体可以通过man ld在终端中查看，从而会发现-S参数可以剥离调试符号

那么具体怎么配置呢？

• 新建Configuration文件
• 将Product和Configuration文件一一对应起来
• 配置Configuration文件：OTHER_LDFLAGS = -Xlinker -S
  • -Xlinker表示后面的参数是传给链接器的
• 编译之后在BuildSettings中的other link flag中查看是否添加成功

四、符号表分类

1.全局符号和静态符号

将代码改写——添加全局变量和静态变量

#import <Foundation/Foundation.h>

// 全局变量
int global_num = 10;
int global_undefine_num;

// 静态变量
static int static_num = 10;
static int static_undefine_num;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%d-%d", static_num, static_undefine_num);
    }
    return 0;
}

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使用如下命令行查看可执行文件（剥去调试符号更容易查看）

objdump --macho -syms machO文件
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从终端输出可以看出：

• 不管是否初始化，全局变量都变成了全局符号
• 静态变量都变成了本地符号
  • 这里需要注意的是，如果静态变量未使用的话，是会变成调试符号的

1.1 全局符号与本地符号

全局符号和本地符号的本质区别是其可见性（visibility），可见性分为两种：

• default：用它定义的符号将被导出
• hidden：用它定义的符号将不被导出

隐藏全局符号有两种方法：

1. 使用static修饰（最为简单）
2. 修改其可见性（全局符号转为本地符号，且未初始化的全局变量会被存放在未初始化的变量区中）

int global_num __attribute__((visibility("hidden"))) = 10;
int global_undefine_num __attribute__((visibility("hidden")));
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1.2 二级命名空间

• 动态库实现不对外声明的全局符号+主项目只做声明全局符号
  • 输出结果为动态库的代码 => 全局符号对整个项目可见

• 动态库实现不对外声明的全局符号+主项目声明&实现全局符号
  • 输出结果为主工程的代码 => 全局符号对整个项目可见
  • 这是由于二级命名空间的缘故——链接器默认采用二级命名空间，除了记录符号名称，还会记录符号属于哪个可执行文件 => 优先使用本工程的符号

• 动态库实现对外声明的全局符号+主项目声明&实现全局符号
  • 报错/Users/felix/Desktop/FXDemo/FXDemo/ViewController.m:18:6: Redefinition of 'global_symbol'
  • 因为动态库的全局符号对外导出了，在主工程会重新加入符号表
  • 如果不导入声明文件就不会报错
• 主项目两个不同文件声明同一个全局符号
  • 报错1 duplicate symbol for architecture arm64
  • 因为两个符号命名空间一样

1.3 全局符号总结

全局符号对整个项目可见；本地符号对当前文件可见

1. 动态库中的全局符号，仅在主项目中声明也可以使用；
2. 动态库中的静态符号，在其他项目中都不可使用
3. 在主项目、动态库中分别声明同一名称的符号，就牵扯到二级命名空间问题
4. 同一项目中不能存在多个全局符号（因为二级命名空间一样）

二级命名空间&一级命名空间，链接器默认会采用二级命名空间，也就是除了记录符号之外，还会记录符号属于哪个machO的，比如记录NSLog属于Foundation

2.导入符号和导出符号

继续拿刚才的NSLog举例：

• 对于本machO文件来说，导入了NSLog符号（导入符号）
• 对于Foundation来说，它导出了NSLog符号（导出符号）

可以使用命令行查看本文件中的导出符号

objdump --macho --exports-trie machO地址
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• 将导出符号结果与全局符号结果相比较，可以看出导出符号一定是全局符号，因为它对整个项目都可见，且提供给别的项目使用
  • 由于符号表是占体积的，我们可以通过剥离符号来减少App体积
  • 而使用到的导出符号NSLog将作为间接符号保存起来，这部分符号是不能被脱去的，否则程序无法正常运行
  • 从导出符号一定是全局符号这个结论可知，全局符号也是不能被脱去的

间接符号表用来保存外部符号，即导出符号，可以使用命令行查看本文件中使用到的间接符号表

objdump --macho --indirect-symbols machO地址
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• 平时在定义全局符号/全局变量的时候，需要注意它在编译时会作为导出符号被别的空间/模块所使用
• 一般情况下，全局符号是导出符号，但这不是绝对的，我们可以通过链接器来控制它
  • 以动态库举例，它只需要在链接的时候提供导出符号即可，但Objective-C中所有类默认都是导出符号
  • 新建FXPerson的Objective-C对象，再去查看导出符号
  • 即便把Objective-C对象的声明从.h文件放到.m文件中，也丝毫不会改变它创建了一个导出符号的结果

可以通过在Xcconfig文件中这么定义，就能指定对应的“导出符号”不导出——不但可以减少App体积，同时无法通过符号访问对应类会更加安全

// 剥离调试符号
OTHER_LDFLAGS = ${inherited} -Xlinker -S
// 剥离FXPerson元类导出符号
OTHER_LDFLAGS = ${inherited} -Xlinker -unexported_symbol -Xlinker _OBJC_METACLASS_$_FXPerson
// 剥离FXPerson类导出符号
OTHER_LDFLAGS = ${inherited} -Xlinker -unexported_symbol -Xlinker _OBJC_CLASS_$_FXPerson
// -unexported_symbol_list可以指定一个需要剥离文件的符号
// -map导出当前machO文件的符号信息以及链接其他库的信息
OTHER_LDFLAGS = ${inherited} -Xlinker -map -Xlinker 地址
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3.弱引用符号和弱定义符号

• 弱引用符号（Weak Reference Symbol）如果链接器找不到该符号的定义，则将其设置为0。链接器会将此符号设置为弱链接标志
  • 关键字为weak import
  • 可以只做声明不做实现——需要判空使用
  • 不配置链接器参数会报错——Undefined symbol: _weak_import_function
  • 配置链接器参数为-U（告诉链接器这个符号是动态链接的，在编译时不需要理会）
  • OTHER_LDFLAGS = ${inherited} -Xlinker -U -Xlinker _weak_import_function
  • 作用：避免找不到符号实现而崩溃
• 弱定义符号（Weak Defintion Symbol）如果链接器为此符号找到了另一个非弱定义，则弱定义将被忽略
  • 关键字为weak
  • 本身是一个全局符号/导出符号
  • 只做声明不做实现会报错
  • 声明+多个实现不会报错——动态运行会使用最先找到的弱定义符号，其他都将被忽略
  • 作用：避免多个全局符号的实现冲突

4.重新导出符号

像NSLog这种导入符号在machO文件中是UND未定义的

• 如果别的可执行文件想重新使用这个符号的话，需要重新导出——放到本文件的导出符号表中——外界可以使用这个符号
• 那么就需要用到链接器中的参数-alias（起别名）会把间接符号表变成导出符号
  • 仅限间接符号可以这么使用

5.Swift符号

添加一个Swift文件

import Foundation

private class SwiftPerson {
    func playGame() {
        
    }
}

public class PublicPerson {
    func playGame() {
        
    }
}
复制代码

使用命令行查看符号表并过滤

objdump --macho -syms machO文件 | grep 'Person'
复制代码

• Swift文件会生成很多符号
• public和private对应着全局符号和本地符号
• BuildSettings中有配置项可以对Swift符号进行剥离——Strip Swift Symbols

五、剥离符号表

• 动态库要留下导出符号供外部使用
  • 不能剥离全局符号/导出符号——Non-Global Symbols
• 静态库是目标文件的合集+重定位符号表，只能接触到调试符号
  • 只能剥离调试符号——Debug Symbols
• App不需要供外部使用，但是需要保留外部导入的符号
  • 不能剥离间接符号表/导入符号（NSLog）——All Symbols

就符号而言，App链接同等代码量的静态库和动态库，哪个包体积更小？

• 静态库的所有符号都会放到主工程中的符号表中——可能有全局符号、本地符号、导出符号等（除了导入符号）
  • 而App中除了导入符号，其他全部可以被剥离
• 动态库的导出符号都会放到主工程的间接符号表中
  • 动态库的导出符号不会被剥离

所以App链接静态库的体积会小于动态库