iOS 编译一览

在面试比较常见的一个问题，做iOS这么多年了，能不能讲讲iOS的编译过程？这个过程中都有哪些产物？下面我们就来简单梳理一下

编译器

编译的第一步，肯定需要有一个编译器。它是用来完成高级语言到低级语言（机器码）的一个转换。

• 现代编译器主要工作流程：
  

• 现代编译器标准三阶段结构：
  
  编译器前端（frontend）、优化器、编译器后端（backend）

iOS开发中我们目前采用的编译器是LLVM，曾经有用GCC（GNU Compiler Collection）。

LLVM

LLVM 项目是模块化和可重用的编译器和工具链技术的集合，它的命名最早源自于底层虚拟机器（Low Level Virtual Machine），后面随着项目的发展，LLVM决定放弃缩写的含义，直接打造成了一个品牌。“The name “LLVM” itself is not an acronym; it is the full name of the project.”

Clang是LLVM的主要子项目之一，它是C系列语言的编译器前端（C、C++、Objective-C、Objective-C++）。

• Objective-C编译需要Clang与LLVM后端来完成。

• Swift的编译则是通过Swift编译器前端与LLVM后端完成的。

Swift的编译器前端中swift和swiftc到底有什么区别呢？

swift 是 Swift 的交互式的编程环境 (REPL)。
swiftc 是 Swift 编译器。
swiftc 是 swift 的一个快捷方式
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• Swift的编译流程相对于Objective-C来说，中间多了SIL（Swift 中间语言）层，想了解更多的Swift编译过程可以看文末【Swift Compiler】

LLVM编译流程（Clang为例）

1、创建一个Command Line Tool项目（OC为例），编译其中的main.m文件

#import 

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSInteger a = 3;
        NSInteger b = 4;
        NSInteger c = MAX(a, b);
        NSLog(@"the result = %ld", c);
    }
    return 0;
}

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查看源文件编译所经历的阶段，在终端输入如下命令：

终端输入：clang -ccc-print-phases main.m

终端输出：
				+- 0: input, "main.m", objective-c
            +- 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output
         +- 2: compiler, {1}, ir
      +- 3: backend, {2}, assembler
   +- 4: assembler, {3}, object
+- 5: linker, {4}, image
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image
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（1）预处理阶段

预处理阶段主要做以下事情：

• 导入头文件
• 对宏定义进行替换
• 处理#开头的预编译指令，如：#define、#pragma、#if等

查看预处理结果：

终端输入：clang -E main.m

终端输出：
# 1 "/Path/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Headers/FoundationLegacySwiftCompatibility.h" 1 3
# 193 "/Path/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Headers/Foundation.h" 2 3
# 9 "main.m" 2

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSInteger a = 3;
        NSInteger b = 4;
        NSInteger c = ({ __typeof__(a) __a0 = (a); __typeof__(b) __b0 = (b); (__a0 < __b0) ? __b0 : __a0; });
        NSLog(@"the result = %ld", c);
    }
    return 0;
}

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通过上面的终端输出结果我们发现：头文件已经被导入且宏定义也已经被成功替换了。

（2）词法分析阶段

将预处理完成后的代码转换成token流（有些书中也称token为词法单元），如+、=都可以称之为一个个token。

终端输入：clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

终端输出：
......
......
identifier 'NSInteger'	 [StartOfLine] [LeadingSpace]	Loc=
identifier 'a'	 [LeadingSpace]	Loc=
equal '='	 [LeadingSpace]	Loc=
numeric_constant '3'	 [LeadingSpace]	Loc=
semi ';'		Loc=
identifier 'NSInteger'	 [StartOfLine] [LeadingSpace]	Loc=
identifier 'b'	 [LeadingSpace]	Loc=
equal '='	 [LeadingSpace]	Loc=
numeric_constant '4'	 [LeadingSpace]	Loc=
semi ';'		Loc=
identifier 'NSInteger'	 [StartOfLine] [LeadingSpace]	Loc=
identifier 'c'	 [LeadingSpace]	Loc=
equal '='	 [LeadingSpace]	Loc=
......
......
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（3）语法分析阶段

验证语法的正确性，将所有节点组合成抽象语法树（AST）

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
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其中校验语法的正确性是通过Static Analysis（静态分析）来完成

（4）CodeGen生成IR代码（中间代码生成）

CodeGen负责将语法树从上至下遍历，翻译成LLVM IR代码。LLVM IR即是编译器前端输出，也是编译器后端的输入，属于桥接性质的语言。

// 生成IR，这一步会产生.ll扩展名文件
clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

// 这块LLVM可以做一些优化工作，Xcode中可以设置优化级别（Optimization Level）
clang -O3 -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll
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关于Optimization Level相关设置项：

• None [-O0]：不做优化-默认在Debug模式开启
• Fast [-O, O1]：优化编译需要更多时间，大型函数需要更多内存。
• Faster [-O2]：编译器执行几乎所有支持的优化，不涉及空间速度折衷，不执行循环展开、函数内联、寄存器重命名。与Fast设置项比，增加了编译时间和生成代码的性能
• Fastest [-O3]：开启由Faster设置指定的所有优化项，并打开函数内联和寄存器重命名选项。可能会使可执行文件变大
• Fastest, Smallest [-Os]：优化大小，开启除了增加代码大小之外的所有更快的优化，执行旨在减少代码大小的进一步优化。Release环境默认开启
• Fastest, Aggressive Optimizations [-Ofast]：启用Fastest的所有优化，也会启用可能会破坏严格标准合规性激进优化项。
• Smallest, Aggressive Size Optimizations [-Oz]：通过将重复代码模式隔离到编译器生成的函数中来进一步节省大小。

更详细的解释，请参照文末“Build Settings Reference”

如果开启bitcode，则会进一步优化生成中间码（Xcode 14不推荐使用bitcode）

// 产生.bc扩展名文件
clang -emit-llvm -c main.m -o main.bc
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（5）生成汇编代码

// 产生.s扩展名文件
clang -S -fobjc-arc main.m -o main.s
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（6）生成目标文件

// 产生.o扩展名文件
clang -fmodules -c main.m -o main.o
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（7）生成可执行文件Mach-O（链接）

// Mach-O文件：
clang main.m -o main
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测试运行可执行文件：

// 当前文件路径下，执行Mach-O文件
./main
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编译流程示意图：

Xcode Build 全过程（Xcode 12.3）

…

关于编译速度优化思路.

…

到目前为止，整个iOS的编译流程基本上已经梳理清楚。

那么整个编译过程中都产生了哪些文件呢？你心中应该已有答案！

参考资料

• LLVM官网
• Swift Compiler
• Build Settings Reference
• 深入剖析 iOS 编译 Clang / LLVM

完整优秀版请移步小专栏：
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