iOS App从点击到启动

程序启动之前

从exec()开始

main()函数是整个程序的入口,在程序启动之前,系统会调用exec()函数。在Unix中exec和system的不同在于,system是用shell来调用程序,相当于fork+exec+waitpid,fork 函数创建子进程后通常都会调用 exec 函数来执行一个新程序;而exec是直接让你的程序代替原来的程序运行。

system 是在单独的进程中执行命令,完了还会回到你的程序中。而exec函数是直接在你的进程中执行新的程序,新的程序会把你的程序覆盖,除非调用出错,否则你再也回不到exec后面的代码,也就是当前的程序变成了exec调用的那个程序了。

UNIX 提供了 6 种不同的 exec 函数供我们使用。

通过分析我们发现,含有 l 和 v 的 exec 函数的参数表传递方式是不同的。含有 e 结尾的 exec 函数会传递一个环境变量列表。含有 p 结尾的 exec 函数取的是新程序的文件名作为参数,而其他exec 函数取的是新程序的路径。

如果函数出错则返回-1,若成功则没有返回值。其中只有execve是真正意义上的系统调用,其它都是在此基础上经过包装的库函数。

exec函数族的作用是根据指定的文件名找到可执行文件,并用它来取代调用进程的内容,换句话说,就是在调用进程内部执行一个可执行文件。这里的可执行文件既可以是二进制文件,也可以是任何Unix下可执行的脚本文件。

iOS 系统架构

Mac系统是基于Unix内核的图形化操作系统,Mac OS 和 iOS 系统架构的对比分析发现,Mac OS和iOS的系统架构层次只有最上面一层不同,Mac是Cocoa框架,而iOS是Cocoa Touch框架,其余的架构层次都是一样的。

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Core OS是用FreeBSD和Mach所改写的一个名叫Darwin的开放原始码操作系统, 是开源、符合POSIX标准的一个Unix核心。这一层包含并提供了整个iPhone OS的一些基础功能,比如:硬件驱动, 内存管理,程序管理,线程管理(POSIX),文件系统,网络(BSD Socket),以及标准输入输出等等,所有这些功能都会通过C语言的API来提供。

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核心OS层的驱动提供了硬件和系统框架之间的接口。然而,由于安全的考虑,只有有限的系统框架类能访问内核和驱动。iPhone OS提供了许多访问操作系统低层功能的接口集,iPhone 应用通过LibSystem库来访问这些功能,这些接口集有线程(POSIX线程)、网络(BSD sockets)、文件系统访问、标准I/O、Bonjour和DNS服务、现场信息(Locale Information)、内存分配和数学计算等。

Core Services在Core OS基础上提供了更为丰富的功能, 它包含了Foundation.Framework和Core Foundation.Framework, 之所以叫Foundation,就是因为它提供了一系列处理字符串,排列,组合,日历,时间等等的基本功能。

Foundation是属于Objective-C的API,Core Fundation是属于C的API。另外Core servieces还提供了如Security(用来处理认证,密码管理,安全性管理等), Core Location, SQLite和Address Book等功能。

核心基础框架(CoreFoundation.framework)是基于C语言的接口集,提供iPhone应用的基本数据管理和服务功能。该框架支持Collection数据类型(Arrays、 Sets等)、Bundles、字符串管理、日期和时间管理、原始数据块管理、首选项管理、URL和Stream操作、线程和运行循环(Run Loops)、端口和Socket通信。

核心基础框架与基础框架是紧密相关的,它们为相同的基本功能提供了Objective-C接口。如果开发者混合使用Foundation Objects 和Core Foundation类型,就能充分利用存在两个框架中的”toll-free bridging”技术(桥接)。toll-free bridging使开发者能使用这两个框架中的任何一个的核心基础和基础类型。

静态链接库与动态链接库

iOS中的相关文件有如下几种:Dylib,动态链接库(又称 DSO 或 DLL);Bundle,不能被链接的 Dylib,只能在运行时使用 dlopen() 加载,可当做 macOS 的插件。Framework,包含 Dylib 以及资源文件和头文件的文件夹。

动态链接库是一组源代码的模块,每个模块包含一些可供应用程序或者其他动态链接库调用的函数,在应用程序调用一个动态链接库里面的函数的时候,操作系统会将动态链接库的文件映像映射到进程的地址空间中,这样进程中所有的线程就可以调用动态链接库中的函数了。动态链接库加载完成后,这个时候动态链接库对于进程中的线程来说只是一些被放在地址进程空间附加的代码和数据,操作系统为了节省内存空间,同一个动态链接库在内存中只有一个,操作系统也只会加载一次到内存中。

因为代码段在内存中的权限都是为只读的,所以当多个应用程序加载同一个动态链接库的时候,不用担心应用程序会修改动态链接库的代码段。当线程调用动态链接库的一个函数,函数会在线程栈中取得传递给他的参数,并使用线程栈来存放他需要的变量,动态链接库函数创建的任何对象都为调用线程或者调用进程拥有,动态链接库不会拥有任何对象。如果动态链接库中的一个函数调用了VirtualAlloc,系统会从调用进程的地址空间预定地址,即使撤销了对动态链接库的映射,调用进程的预定地址依然会存在,直到用户取消预定或者进程结束。

静态链接库与动态链接库都是共享代码的方式,如果采用静态链接库,则无论你愿不愿意,lib 中的指令都全部被直接包含在最终生成的包文件中了。但是若使用 动态链接库,该 动态链接库 不必被包含在最终包里,包文件执行时可以“动态”地引用和卸载这个与 安装包 独立的 动态链接库文件。静态链接库和动态链接库的另外一个区别在于静态链接库中不能再包含其他的动态链接库或者静态库,而在动态链接库中还可以再包含其他的动态或静态链接库。

Linux中静态函数库的名字一般是libxxx.a;利用静态函数库编译成的文件比较大,因为整个函数库的所有数据都会被整合进目标代码中。编译后的执行程序不需要外部的函数库支持,因为所有使用的函数都已经被编译进去了。当然这也会成为他的缺点,因为如果静态函数库改变了,那么你的程序必须重新编译。

动态函数库的名字一般是libxxx.so,相对于静态函数库,动态函数库在编译的时候并没有被编译进目标代码中,你的程序执行到相关函数时才调用该函数库里的相应函数,因此动态函数库所产生的可执行文件比较小。由于函数库没有被整合进你的程序,而是程序运行时动态的申请并调用,所以程序的运行环境中必须提供相应的库。动态函数库的改变并不影响你的程序,所以动态函数库的升级比较方便。

iOS开发中静态库和动态库是相对编译期和运行期的。静态库在程序编译时会被链接到目标代码中,程序运行时将不再需要载入静态库。而动态库在程序编译时并不会被链接到目标代码中,只是在程序运行时才被载入,因为在程序运行期间还需要动态库的存在。

iOS中静态库可以用.a或.Framework文件表示,动态库的形式有.dylib和.framework。系统的.framework是动态库,一般自己建立的.framework是静态库。

.a是一个纯二进制文件,.framework中除了有二进制文件之外还有资源文件。.a文件不能直接使用,至少要有.h文件配合。.framework文件可以直接使用,.a + .h + sourceFile = .framework。

动态库的一个重要特性就是 即插即用 性,我们可以选择在需要的时候再加载动态库。如果不希望在软件一启动就加载动态库,需要将

中 *.framework 对应的Status由默认的 Required 改成 Optional ;或者将 xx.framework 从 Link Binary With Libraries 列表中删除。

可以使用dlopen加载动态库,动态库中真正的可执行代码为 xx.framework/xx 文件。

也可以使用NSBundle来加载动态库,实现代码如下:

可以为动态库的加载和移除添加监听回调,github上有一个完整的示例代码,从中可以发现,一个工程软件启动的时候会加载多达一百二十多个动态库,即使是一个空白的项目。

但是,需要注意的一点是,不要在初始化方法中调用 dlopen(),对性能有影响。因为 dyld 在 App 开始前运行,由于此时是单线程运行所以系统会取消加锁,但 dlopen() 开启了多线程,系统不得不加锁,这就严重影响了性能,还可能会造成死锁以及产生未知的后果。所以也不要在初始化器中创建线程。

据说,iOS现在可以使用自定义的动态库,低版本的需要手动的使用dlopen()加载。动态库上架会有一些审核的规则,如不要把x86/i386的包和arm架构的包lipo在一起使用。如:

如此便将模拟器和设备的静态库文件合并成一个文件输出了。

上海有家公司有过一个成功上架的案例,但我没有在这方面做过测试,至于能不能过审,还需要验证。

dylib加载调用

基于上面的分析,在exec()时,系统内核把应用映射到新的地址空间,每次起始位置都是随机的。然后使用dyld 加载 dylib 文件(动态链接库),dyld 在应用进程中运行的工作就是加载应用依赖的所有动态链接库,准备好运行所需的一切,它拥有和应用一样的权限。

加载 Dylib时,先从主执行文件的 header 中获取需要加载的所依赖动态库的列表,从中找到每个 dylib,然后打开文件读取文件起始位置,确保它是 Mach-O 文件(针对不同运行时可执行文件的文件类型)。然后找到代码签名并将其注册到内核。

应用所依赖的 dylib 文件可能会再依赖其他 dylib,因此动态库列表是一个递归依赖的集合。一般应用会加载 100 到 400 个 dylib 文件,但大部分都是系统 dylib,它们会被预先计算和缓存起来,加载速度很快。但加载内嵌(embedded)的 dylib 文件很占时间,所以尽可能把多个内嵌 dylib 合并成一个来加载,或者使用 static archive。

在加载所有的动态链接库之后,它们只是处在相互独立的状态,代码签名使得我们不能修改指令,那样就不能让一个 dylib 调用另一个 dylib。通过fix-up可以将它们结合起来,dyld 所做的事情就是修正(fix-up)指针和数据。Fix-up 有两种类型,rebasing(在镜像内部调整指针的指向) 和 binding(将指针指向镜像外部的内容)。

因为 dylib 之间有依赖关系,所以 动态库 中的好多操作都是沿着依赖链递归操作的,Rebasing 和 Binding 分别对应着 recursiveRebase() 和 recursiveBind() 这两个方法。因为是递归,所以会自底向上地分别调用 doRebase() 和 doBind() 方法,这样被依赖的 dylib 总是先于依赖它的 dylib 执行 Rebasing 和 Binding。

Rebaing 消耗了大量时间在 I/O 上,在 Rebasing 和 Binding 前会判断是否已经 预绑定。如果已经进行过预绑定(Prebinding),那就不需要 Rebasing 和 Binding 这些 Fix-up 流程了,因为已经在预先绑定的地址加载好了。

Binding 处理那些指向 dylib 外部的指针,它们实际上被符号(symbol)名称绑定,是一个字符串。dyld 需要找到 symbol 对应的实现,在符号表里查找时需要很多计算,找到后会将内容存储起来。Binding 看起来计算量比 Rebasing 更大,但其实需要的 I/O 操作很少,因为之前 Rebasing 已经替 Binding 做过了。Objective-C 中有很多数据结构都是靠 Rebasing 和 Binding 来修正(fix-up)的,比如 Class 中指向超类的指针和指向方法的指针。

OC调用

C++ 会为静态创建的对象生成初始化器,与静态语言不同,OC基于Runtime机制可以用类的名字来实例化一个类的对象。Runtime 维护了一张映射类名与类的全局表,当加载一个 dylib 时,其定义的所有的类都需要被注册到这个全局表中。ObjC 在加载时可以通过 fix-up 在动态类中改变实例变量的偏移量,利用这个技术可以在不改变dylib的情况下添加另一个 dylib 中类的方法,而非常见的通过定义类别(Category)的方式改变一个类的方法。

主执行文件和相关的 dylib的依赖关系构成了一张巨大的有向图,执行初始化器先加载叶子节点,然后逐步向上加载中间节点,直至最后加载根节点。这种加载顺序确保了安全性,加载某个 dylib 前,其所依赖的其余 dylib 文件肯定已经被预先加载。最后 dyld 会调用 main() 函数。main() 会调用 UIApplicationMain(),程序启动。

程序启动逻辑

使用Xcode打开一个项目,很容易会发现一个文件--main.m文件,此处就是应用的入口了。程序启动时,先执行main函数,main函数是ios程序的入口点,内部会调用UIApplicationMain函数,UIApplicationMain里会创建一个UIApplication对象 ,然后创建UIApplication的delegate对象 —–(您的)AppDelegate ,开启一个消息循环(main runloop),每当监听到对应的系统事件时,就会通知AppDelegate。

UIApplication对象是应用程序的象征,每一个应用都有自己的UIApplication对象,而且是单例的。通过[UIApplication sharedApplication]可以获得这个单例对象,一个iOS程序启动后创建的第一个对象就是UIApplication对象, 利用UIApplication对象,能进行一些应用级别的操作。

UIApplicationMain函数实现如下:

第一个参数表示参数的个数,第二个参数表示装载函数的数组,第三个参数,是UIApplication类名或其子类名,若是nil,则默认使用UIApplication类名。第四个参数是协议UIApplicationDelegate的实例化对象名,这个对象就是UIApplication对象监听到系统变化的时候通知其执行的相应方法。

启动完毕会调用 didFinishLaunching方法,并在这个方法中创建UIWindow,设置AppDelegate的window属性,并设置UIWindow的根控制器。如果有storyboard,会根据info.plist中找到应用程序的入口storyboard并加载箭头所指的控制器,显示窗口。storyboard和xib最大的不同在于storyboard是基于试图控制器的,而非视图或窗口。展示之前会将添加rootViewController的view到UIWindow上面(在这一步才会创建控制器的view)

每个应用程序至少有一个UIWindow,这window负责管理和协调应用程序的屏幕显示,rootViewController的view将会作为UIWindow的首视图。

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未使用storyboard的启动

程序启动的完整过程如下:

1.main 函数

2.UIApplicationMain

  • 创建UIApplication对象
  • 创建UIApplication的delegate对象
  • delegate对象开始处理(监听)系统事件(没有storyboard)
  • 程序启动完毕的时候, 就会调用代理的application:didFinishLaunchingWithOptions:方法
  • 在application:didFinishLaunchingWithOptions:中创建UIWindow
  • 创建和设置UIWindow的rootViewController
  • 显示窗口

3.根据Info.plist获得最主要storyboard的文件名,加载最主要的storyboard(有storyboard)

  • 创建UIWindow
  • 创建和设置UIWindow的rootViewController
  • 显示窗口

AppDelegate的代理方法

AppDelegate加载顺序
1.application:didFinishLaunchingWithOptions:
2.applicationDidBecomeActive:

ViewController中的加载顺序
1.loadView
2.viewDidLoad
3.load
4.initialize
5.viewWillAppear
6.viewWillLayoutSubviews
7.viewDidLayoutSubviews
8.viewDidAppear

View中的加载顺序
1.initWithCoder(如果没有storyboard就会调用initWithFrame,这里两种方法视为一种)
2.awakeFromNib
3.layoutSubviews
4.drawRect

一些方法的使用时机

应用程序启动就会调用的方法,在这个方法里写的代码最先调用。

用到本类时才调用,这个方法里一般设置导航控制器的主题等,如果在后面的方法设置导航栏主题就太迟了!

这个方法里面会创建UIWindow,设置根控制器并展现,比如某些应用程序要加载授权页面也是在这加,也可以设置观察者,监听到通知切换根控制器等。

在使用IB的时候才会涉及到此方法的使用,当.nib文件被加载的时候,会发送一个awakeFromNib的消息到.nib文件中的每个对象,每个对象都可以定义自己的awakeFromNib函数来响应这个消息,执行一些必要的操作。在这个方法里设置view的背景等一系列普通操作。

创建视图的层次结构,在没有创建控制器的view的情况下不能直接写 self.view 因为self.view的底层是:

这么写会直接造成死循环。

如果重写这个loadView方法里面什么都不写,会显示黑屏。

视图将要布局子视图,苹果建议的设置界面布局属性的方法,这个方法和viewWillAppear里,系统的底层都是没有写任何代码的,也就是说这里面不写super 也是可以的。

在这个方法里一般设置子控件的frame。

UI控件都是画上去的,在这一步就是把所有的东西画上去。drawRect方法只能在加载时调用一次,如果后面还需要调用,比如下载进度的圆弧,需要一直刷帧,就要使用setNeedsDisplay来定时多次调用本方法。

这是AppDelegate的应用程序获取焦点方法,真正到了这里,才是所有东西全部加载完毕。

启动分析

应用启动时,会播放一个启动动画。iPhone上是400ms,iPad上是500ms。如果应用启动过慢,用户就会放弃使用,甚至永远都不再回来。为了防止一个应用占用过多的系统资源,开发iOS的苹果工程师门设计了一个“看门狗”的机制。在不同的场景下,“看门狗”会监测应用的性能。如果超出了该场景所规定的运行间,“看门狗”就会强制终结这个应用的进程。

iOS App启动时会链接并加载Framework和static lib,执行UIKit初始化,然后进入应用程序回调,执行Core Animation transaction等。每个Framework都会增加启动时间和占用的内存,不要链接不必要的Framework,必要的Framework不要标记为Optional。避免创建全局的C++对象。

初始化UIKit时字体、状态栏、user defaults、Main.storyboard会被初始化。User defaults本质上是一个plist文件,保存的数据是同时被反序列化的,不要在user defaults里面保存图片等大数据。

对于 OC 来说应尽量减少 Class,selector 和 category 这些元数据的数量。编码原则和设计模式之类的理论会鼓励大家多写精致短小的类和方法,并将每部分方法独立出一个类别,但这会增加启动时间。在调用的地方使用初始化器,不要使用__atribute__((constructor)) 将方法显式标记为初始化器,而是让初始化方法调用时才执行。比如使用 dispatch_once(),pthread_once() 或 std::once()。也就是在第一次使用时才初始化,推迟了一部分工作耗时。

建立网络连接前需要做域名解析,如果网关出现问题,dns解析不正常时,dns的超时时间是应用控制不了的。在程序设计时要考虑这些问题,如果程序启动时有网络连接,应尽快的结束启动过程,网络访问通过线程解决,而不阻塞主线程的运行。

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最新评论
  • 3_N 工程师 2016/11/10

    “否则你再也回不到exec后面的代码” 不应该是”否则你再也回不到exec后面的代码”嘛?

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