OC底层原理十五：dyld 应用程序加载
实际开发中，大部分人都只知道main是程序的入口。但是app在启动前，具体做了哪些事情，如何保证进入main函数时，所有资源都准备好了？+(void)load函数为何能帮你把一些自定义事项在启动前就处理好？
如果你也有这些疑问，那本节，我们一起探索应用程序的整个启动加载过程。
1. 检查main、load、C++(constructor) 的执行顺序
2. 静态库与动态库
3. app启动加载过程
准备工作
- 可编译的
objc4-781源码: https://www.jianshu.com/p/45dc31d91000dyld-750.6: https://opensource.apple.com/tarballs/dyld/libdispatch-1173.40.5: https://opensource.apple.com/tarballs/libdispatch/Libsystem-1281： https://opensource.apple.com/tarballs/Libsystem/
1. main、load、C++ 的执行顺序
- 测试代码：
__attribute__((constructor)) void htFunc() {
printf("%s \n",__func__);
}
@interface HTPerson : NSObject
@end
@implementation HTPerson
+ (void)load {
NSLog(@"%s", __func__);
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSLog(@"%s",__func__);
}
return 0;
}
- 打印顺序：
load->c++(constructor)->main
image.png
main函数作为程序入口，为什么是最后执行呢？
带着这个疑问，我们往下学习。
2. 静态库与动态库
代码库有静态库和动态库两种，在开始探索app启动流程前，我们先了解两者的区别。
2.1 静态库：
静态编译的库，在编译时就将整个函数库的所有数据都整合进目标代码中。尾缀有.a、.lib、.framework等。
- 优点：
模块化，分工合作，提高了代码的复用和核心技术的保密程度 - 缺点： 会
加大包的体积。如果静态函数库被改变，程序必须重新编译。
2.2 动态库：
编译时不会将函数库编译进目标代码中，只有程序执行到相关函数时，才调用函数库的相应函数。尾缀有.tbd、.so、.framework等
- 优点： 可执行文件
体积小，多个应用程序共享内存中同一份库文件，节省内存资源，支持实时模块升级。
苹果的
动态库支持所有APP共享内存(如UIKit)，但APP的动态库是写入app main bundle根目录中，运行在沙盒中，只支持当前APP内共享内存。（iOS8后App Extension功能支持主app和插件之间共享动态库）
3. App加载过程
我们直观感受的App加载过程是：源文件（.h .m .cpp）-> 预编译（词法语法分析） -> 编译(载入静态库) -> 汇编 -> 链接(关联动态库) -> 生成可执行文件(mach-o)
作为程序员，我们知道代码是
“死”的，只有当触发启动，按照我们设计好的流程一步步执行，才能让程序“活”起来。
在程序启动过程中，当系统内核把资源准备好后，dyld动态链接器就承担着管理者的角色：
配置应用环境->初始化主程序->加载共享缓存->加载动态库->链接主程序->链接动态库->弱符号绑定->执行初始化->调用main函数。
到了main函数后，就交给程序员们自由发挥了。
dyld全称the dynamic link editor，动态链接器。是苹果操作系统的一个重要组成部分。在iOS/Mac OSX系统中，仅有很少量的进程只需要内核就能完成加载，基本上所有进程都是动态链接的，所以mach-o镜像文件中会有很多外部库和符号的引用，但这些引用并不能直接用，在启动时还需要通过这些引用进行内容的填补，这个填补工作就是dyld动态链接器来完成的，也就是符号绑定。dyld动态链接器在系统中是以一个用户态的可执行文件存在，一般应用程序会在Mach-o文件部分指定一个LC_KIAD_DYLINKER的加载命令，此加载命令指定了dyld的路径，通常它的默认值是/usr/lib/dyld。系统内核在加载Mack-o文件时，都需要用dyld（位于/usr/lib/dyld）程序进行链接。
共享缓存机制
在iOS生态中，
每个程序都会用到大量的系统库，但如果我们每个程序运行时，都独立去加载其依赖的相关动态库，势必会造成运行缓慢。为了优化启动速度和程序性能，共享缓存机制应运而生。所有默认的动态链接库被合并成一个大的缓存文件，按不同架构分别保存。
本节主要是梳理和验证APP启动的完整流程。具体内部细节和使用法决，后续在其他文章中进行拓展。
- 我们在
load函数内部打断点，bt打印堆栈信息
image.png
从
bt打印的堆栈信息中可以看到，每一步都是dyld在进行调用的
-
堆栈信息中展示了APP启动前的完整流程。接下来我们就沿着这个流程，从源码中寻找答案。
启动dyld
第一步：执行dyld中的_dyld_start
我们打开dyld源码，全局搜索_dyld_start，找到入口：
image.png
- 我们从汇编代码中看到调用了
dyldbootstrap::start，与我们的第二步完全吻合。
第二步：执行dyldbootstrap::start
- 全局搜索
dyldbootstrap，发现是个命名空间，折叠内部函数，找到start函数：
image.png
打开start函数，发现最后执行了dyld::_main函数，这也与我们第三步完全吻合
image.png
第三步：执行_main函数
进入main函数，发现有600多行😂 ，在这里，我们可以梳理出APP启动的完整流程：
image.png
3.1 设置运行环境
- 设置运行参数、环境变量，获取当前运行框架
image.png
3.2 加载共享缓存
-
checkSharedRegionDisable检查共享缓存是否禁用后，调用mapSharedCache加载共享缓存。
image.png
3.3 实例化主程序
- 将
主程序Mach-O加载进内存，返回一个ImageLoader类型的image对象，即主程序
image.png
3.4 加载插入的动态库
- 遍历
DYLD_INSERT_LIBRARIES环境变量，调用loadInsertedDylib加载库
image.png
3.5 链接主程序
image.png
3.6 链接插入的动态库
image.png
3.7 执行弱符号绑定
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3.8 执行初始化方法
image.png
- 进入
initializeMainExecutable函数
image.png
-
发现都是调用
ImageLoader对象的runInitializers方法来初始化dylib和主程序 -
全局搜索
runInitializers，在ImageLoader.cpp文件中找到实现函数。
image.png
- 核心代码为
processInitializers函数的调用，进入：
image.png
-
recursiveInitialization是ImageLoader对象的调用方法，全局搜索:
image.png
-
递归完成了所有对象的初始化，并将镜像初始化进度实时告知外部关联对象。
3.9 寻找main入口
image.png
以上就是完整的app启动流程。
这里对3.8 执行初始化方法 最后一步的2个内容进行继续探究：
-
notifySingle如何告知外部 -
doInitialization初始化
1. notifySingle如何告知外部
-
全局搜索
notifySingle：
image.png
-
核心代码：
(*sNotifyObjCInit)(image->getRealPath(), image->machHeader()),我们全局搜索sNotifyObjCInit，发现没有找到实现，但是有赋值操作：
image.png
- 搜索
registerObjCNotifiers在哪里被调用：
image.png
- 发现在
_dyld_objc_notify_register中调用。而dyld_objc需要在libobjc源码中搜索。 - 我们打开
objc4源码，搜索_dyld_objc_notify_register(
image.png
- 发现在
_objc_init方法中调用了_dyld_objc_notify_register方法，并传入了入参，所以sNotifyObjCInit的赋值是objc传入的load_images函数指针。因为入参是指针，所以notifySingle是一个回调函数。
回调函数：
通过函数指针调用的函数
把函数指针（地址）作为参数传递给另一个函数，当该指针被用来调用其所指向的函数时，我们就说这是回调函数。
回调函数不是由该函数的实现方直接调用，而是在特定的事件或条件发生时由另外的一方调用的，用于对该事件或条件进行响应。
我们探索一下load_images函数内部：
load_images函数
- 进入
load_images函数内部，核心代码为call_load_methods的调用
image.png
- 进入
call_load_methods函数，核心代码循环调用call_class_loads函数
image.png
- 进入
call_class_loads函数内部，此处明确了load方法的调用。
image.png
- 明确
+load方法的加载时机；
- 明确只有
+load这个名称才有效(因为sel已固定，系统只检查load这个方法名)
对比在+load函数断点处打印的堆栈信息，与我们源码分析过程完全吻合。
image.png
notifySingle从dyld跨库到objc，调用了load_images函数，调用了所有+load函数
HTPerson类的Load函数被调用的完整流程：
- 程序启动
_dyld_start
-> 调用dyldbootstrap::start函数 -> 调用dyld::_main函数
-> 主程序初始化initializeMainExecutable-> 镜像初始化ImageLoader::runInitializers
-> 进程初始化ImageLoader::processInitializers-> 递归初始化ImageLoader::recursiveInitialization
-> 消息发送dyld::notifySingle-> 跨到objc源码库调用load_images-> 调用+load方法
但是，_objc_init什么时候调用的呢? 我们继续往下探索：
2. doInitialization初始化
- 回到3.8步骤，我们理清楚了
notifySingle的消息流程（调用回调函数），接下来看doInitialization初始化动作:
image.png
- 进入
doInitialization：
image.png
发现有doImageInit和doModInitFunctions2个初始化操作
-
doImageInit函数，for循环实现镜像的初始化(macho内获取地址和偏移值，拿到初始化函数)，libSystem系统库的初始化优先级较高。
image.png
-
doModInitFunctions函数： 该函数内实现了所有Cxx文件：
image.png
在测试代码的c++构造函数constructor处加入断点，bt打印堆栈信息检验，确实是在doModInitFunctions函数内完成了实现。
image.png
探索_objc_init调用时机
在objc4源码中搜索_objc_init，加入断点，运行测试代码。
image.png
- 发现也是在
doModInitFunctions函数后，调用了libSystem库的initializer方法。
image.png
验证流程：
- 打开
libSystem源代码，搜索libSystem_initializer：image.png
- 进入
libdispatch_init，发现什么在libdispatch.dylib库中实现。image.png
打开
libdispatch源码，搜索libdispatch_init:
image.png
发现调用了
os_object_init，搜索_os_object_init：image.png
在此处调用了
_objc_init。
_objc_init的完整调用流程：
- 程序启动
_dyld_start
->dyldbootstrap::start->dyld::_main
->dyld::initializeMainExecutable->ImageLoader::runInitializers
->ImageLoader::processInitializers->ImageLoader::recursiveInitialization
->doInitialization->libSystem_initializer(libSystem.B.dylib)
->_os_object_init(libdispatch.dylib)->_objc_init(libobjc.A.dylib)
此刻，回到文初的问题，main、load、C++ 的执行顺序？是否已非常清晰。
-
load: 在 3.8 执行初始化方法的recursiveInitialization函数中，第一次调用notifySingle时完成了所有+load的调用。 -
c++: 在第一次调用notifySingle函数之后，调用doInitialization函数中，完成了所有c++函数的调用和所有库的初始化 -
main: 在 3.9 寻找main入口后，开始调用main函数。
强烈建议阅读以下官方资源：
- 快速熟悉Mach-O结构（后续有变动）
- dyld如何将mach-o信息映射到内存中
- app启动流程(旧版)和优化建议
- 介绍dyld历史，引出dyld3（围绕性能、安全、占用资源进行优化）
- 介绍App Launch工具，优化启动时间
本文仅简单记录dyld的大致启动流程，部分细节并未展开拓展。源码的探索之旅继续进行...
