iOS之深入解析dyld与ObjC的关联原理

App启动与dylb加载

我们知道 dyld 的加载过程，即在 App 启动启动执行 main 函数之前，dylb 主要作了环境变量配置、共享缓存、主程序的初始化、插入动态库、链接主程序、链接动态库、弱符号绑定、执行初始化方法、寻找主程序入口等一系列处理，具体请参考我之前的博客：iOS之深入解析App启动dyld加载流程的底层原理；
在 main 函数执行过程中，当 dyld 加载到开始链接主程序的时候 , 递归调用 recursiveInitialization 函数。
recursiveInitialization 函数第一次执行 , 进行 libsystem 的初始化。其执行过程为：recursiveInitialization -> doInitialization -> doModInitFunctions -> libSystemInitialized 。
libsystem 的初始化 , 它会调用起 libdispatch_init , libdispatch 的 init 会调用 _os_object_init , 这个函数里面调用了 _objc_init。
_objc_init 中注册并保存了 map_images , load_images , unmap_image 函数地址，从而进入了我们类的加载过程。

_objc_init 源码解析

一、 _objc_init 底层方法

objc4-781 官方源码_objc_init 方法如下：

void _objc_init(void) {
    
    
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    runtime_init();
    exception_init();
    cache_init();
    _imp_implementationWithBlock_init();

    // 什么时候调用? images 镜像文件
    // map_images()
    // load_images()
    
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);

#if __OBJC2__
    didCallDyldNotifyRegister = true;
#endif
}

源码解读：
- environ_init() ：读取影响运行时的环境变量，如果需要，还可以打开环境变量帮助 export OBJC_HRLP = 1；
- tls_init()：关于线程 key 的绑定，例如线程数据的析构函数；
- static_init()：运行C++静态构造函数，在 dyld 调用静态析构函数之前，libc 会调用_objc_init()；
- runtime_init()：runtime 运行时环境初始化，主要是 unattachedCategories、allocatedClasses 等分类初始化；
- exception_init()：初始化 libobjc 的异常处理系统；
- cache_init()：缓存条件初始化；
- _imp_implementationWithBlock_init()：启动回调机制，通常这不会处理什么，因为所有的初始化都是惰性的，但是对于某些进程会迫不及待地加载 trampolines dylib；
- _dyld_objc_notify_register：dyld的注册仅供 objc 运行时使用，注册处理程序以便在映射、取消映射和初始化 objc 镜像文件时使用，dyld 将使用包含 objc_image_info 的镜像文件数组，回调 mapped 函数；

二、environ_init：环境变量初始化

environ_init 方法的源码如下，其中的关键代码是 for 循环：

	void environ_init(void) {
    
    
	    //...省略部分逻辑
	if (PrintHelp  ||  PrintOptions) {
    
    
	        //...省略部分逻辑
	        for (size_t i = 0; i < sizeof(Settings)/sizeof(Settings[0]); i++) {
    
    
	            const option_t *opt = &Settings[i];            
	            if (PrintHelp) _objc_inform("%s: %s", opt->env, opt->help);
	            if (PrintOptions && *opt->var) _objc_inform("%s is set", opt->env);
	        }
	    }
	}

将 for 循环独立出来，去除所有条件，放入工程之中，打印环境变量：

	objc[38640]: OBJC_DISABLE_TAG_OBFUSCATION is set
	objc[38640]: OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA: disable non-pointer isa fields
	objc[38640]: OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA is set
	objc[38640]: OBJC_DISABLE_INITIALIZE_FORK_SAFETY: disable safety checks for +initialize after fork
	objc[38640]: OBJC_DISABLE_INITIALIZE_FORK_SAFETY is set

在 main 函数中，打上如下断点：

在这里插入图片描述

在不设置环境变量 OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA 的时候，LLDB 打印 person 的 isa 信息：

	lldb) x/4gx person
	0x1010b5680: 0x001d800100008265 0x0000000000000000
	0x1010b5690: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
	(lldb) p/t 0x001d800100008265
	(long) $1 = 0b0000000000011101100000000000000100000000000000001000001001100101

在设置环境变量 OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA 为 YES 之后（环境变量的配置在 target – Edit Scheme – Run --Arguments – Environment Variables 中配置），之后再次打印 person 的 isa 信息：

	(lldb) x/4gx person
	0x100a09f20: 0x0000000100008260 0x0000000000000000
	0x100a09f30: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
	(lldb) p/t 0x0000000100008260
	(long) $1 = 0b0000000000000000000000000000000100000000000000001000001001100000

由上不难看出： isa 地址的二进制 $1 的末位由 1 变成了 0，通过 isa 底层结构分析，可知 isa 的最后一位就是 nonpointer 位，表示是否对 isa 指针开启指针优化（0：纯 isa 指针；1：不止是类对象地址）。isa 中包含了类信息、对象的引用计数等。
关于 isa 的结构分析，请参考我之前的博客：iOS之深入解析对象isa的底层原理；
配置打印load 方法的环境变量OBJC_PRINT_LOAD_METHODS，设置为YES；然后在 YDWPerson 类中重写 +load 函数：

在这里插入图片描述

运行程序，然后再次打印，控制台日志如下：

	...
	objc[39088]: LOAD: class 'NSApplication' scheduled for +load
	objc[39088]: LOAD: class 'NSBinder' scheduled for +load
	objc[39088]: LOAD: class 'NSColorSpaceColor' scheduled for +load
	objc[39088]: LOAD: class 'NSNextStepFrame' scheduled for +load
	objc[39088]: LOAD: category 'NSColor(NSUIKitSupport)' scheduled for +load
	objc[39088]: LOAD: +[NSApplication load]
	objc[39088]: LOAD: +[NSBinder load]
	...
	objc[39088]: LOAD: +[YDWPerson load]
	···

从上可以看出：OBJC_PRINT_LOAD_METHOD S可以监控所有的 +load 方法，从而处理启动优化；

三、tls_init：线程 key 的绑定

主要是本地线程池的初始化以及析构，源码如下：

	void tls_init(void) {
    
    
	#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS//本地线程池，用来进行处理
	    pthread_key_init_np(TLS_DIRECT_KEY, &_objc_pthread_destroyspecific);//初始init
	#else
	    _objc_pthread_key = tls_create(&_objc_pthread_destroyspecific);//析构
	#endif
	}

四、static_init：运行系统级别的C++静态构造函数

主要是运行系统级别的C++静态构造函数，在dyld调用我们的静态构造函数之前，libc调用_objc_init方法，即系统级别的C++构造函数，先于自定义的 C++ 构造函数运行：

	static void static_init() {
    
    
	    size_t count;
	    auto inits = getLibobjcInitializers(&_mh_dylib_header, &count);
	    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
    
    
	        inits[i]();
	    }
	}

五、runtime_init：运行时环境初始化

主要是运行时的初始化，主要分为两部分：分类初始化、类的表初始化：

	void runtime_init(void) {
    
    
	    objc::unattachedCategories.init(32);
	    objc::allocatedClasses.init(); //初始化 -- 开辟的类的表
	}

六、exception_init：初始化 libobjc 的异常处理系统

主要是初始化libobjc的异常处理系统，注册异常处理的回调，从而监控异常的处理，源码如下：

	void exception_init(void) {
    
    
	    old_terminate = std::set_terminate(&_objc_terminate);
	}

当有crash（crash是指系统发生的不允许的一些指令，然后系统给的一些信号）发生时，会来到_objc_terminate方法，走到uncaught_handler扔出异常：

/***********************************************************************
 * _objc_terminate
 * Custom std::terminate handler.
 *  * The uncaught exception callback is implemented as a std::terminate handler. 
 * 1. Check if there's an active exception
 * 2. If so, check if it's an Objective-C exception
 * 3. If so, call our registered callback with the object.
 * 4. Finally, call the previous terminate handler.
**********************************************************************/
static void (*old_terminate)(void) = nil;
static void _objc_terminate(void)
{
    
    
    if (PrintExceptions) {
    
    
        _objc_inform("EXCEPTIONS: terminating");
    }

    if (! __cxa_current_exception_type()) {
    
    
        // No current exception.
        (*old_terminate)();
    }
    else {
    
    
        // There is a current exception. Check if it's an objc exception.
        @try {
    
    
            __cxa_rethrow();
        } @catch (id e) {
    
    
            // It's an objc object. Call Foundation's handler, if any.
            (*uncaught_handler)((id)e);//扔出异常
            (*old_terminate)();
        } @catch (...) {
    
    
            // It's not an objc object. Continue to C++ terminate.
            (*old_terminate)();
        }
    }
}

搜索uncaught_handler，在app层会传入一个函数用于处理异常，以便于调用函数，然后回到原有的app层中，如下所示，其中fn即为传入的函数，即 uncaught_handler 等于 fn：

objc_uncaught_exception_handler 
objc_setUncaughtExceptionHandler(objc_uncaught_exception_handler fn)
{
    
    
//    fn为设置的异常句柄 传入的函数，为外界给的
    objc_uncaught_exception_handler result = uncaught_handler;
    uncaught_handler = fn; //赋值
    return result;
}

七、cache_init：缓存条件初始化

void cache_init() {
    
    
#if HAVE_TASK_RESTARTABLE_RANGES
    mach_msg_type_number_t count = 0;
    kern_return_t kr;

    while (objc_restartableRanges[count].location) {
    
    
        count++;
    }
    // 为当前任务注册一组可重新启动的缓存
    kr = task_restartable_ranges_register(mach_task_self(),
                                          objc_restartableRanges, count);
    if (kr == KERN_SUCCESS) return;
    _objc_fatal("task_restartable_ranges_register failed (result 0x%x: %s)",
                kr, mach_error_string(kr));
#endif // HAVE_TASK_RESTARTABLE_RANGES
}

八、_imp_implementationWithBlock_init：启动回调机制

该方法主要是启动回调机制，通常这不会做什么，因为所有的初始化都是惰性的，但是对于某些进程，我们会迫不及待地加载libobjc-trampolines.dylib，其源码如下：

void
_imp_implementationWithBlock_init(void)
{
    
    
#if TARGET_OS_OSX
    // Eagerly load libobjc-trampolines.dylib in certain processes. Some
    // programs (most notably QtWebEngineProcess used by older versions of
    // embedded Chromium) enable a highly restrictive sandbox profile which
    // blocks access to that dylib. If anything calls
    // imp_implementationWithBlock (as AppKit has started doing) then we'll
    // crash trying to load it. Loading it here sets it up before the sandbox
    // profile is enabled and blocks it.
    // 在某些进程中渴望加载libobjc-trampolines.dylib。一些程序（最著名的是嵌入式Chromium的较早版本使用的QtWebEngineProcess）启用了严格限制的沙箱配置文件，从而阻止了对该dylib的访问。如果有任何调用imp_implementationWithBlock的操作（如AppKit开始执行的操作），那么我们将在尝试加载它时崩溃。将其加载到此处可在启用沙箱配置文件之前对其进行设置并阻止它。
    // This fixes EA Origin (rdar://problem/50813789)
    // and Steam (rdar://problem/55286131)
    if (__progname &&
        (strcmp(__progname, "QtWebEngineProcess") == 0 ||
         strcmp(__progname, "Steam Helper") == 0)) {
    
    
        Trampolines.Initialize();
    }
#endif
}

九、_dyld_objc_notify_register：dyld 注册

① _dyld_objc_notify_register方法

_dyld_objc_notify_register 方法的声明如下：

//
// Note: only for use by objc runtime
// Register handlers to be called when objc images are mapped, unmapped, and initialized.
// Dyld will call back the "mapped" function with an array of images that contain an objc-image-info section.
// Those images that are dylibs will have the ref-counts automatically bumped, so objc will no longer need to
// call dlopen() on them to keep them from being unloaded.  During the call to _dyld_objc_notify_register(),
// dyld will call the "mapped" function with already loaded objc images.  During any later dlopen() call,
// dyld will also call the "mapped" function.  Dyld will call the "init" function when dyld would be called
// initializers in that image.  This is when objc calls any +load methods in that image.
//
void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped    mapped,
                                _dyld_objc_notify_init      init,
                                _dyld_objc_notify_unmapped  unmapped);

_dyld_objc_notify_register 的具体实现，请请参考我之前的博客：iOS之深入解析App启动dyld加载流程的底层原理。

② 从上面分析，可以得出：

仅供objc运行时使用；
注册处理程序，以便在映射、取消映射和初始化objc图像时调用；
dyld将会通过一个包含objc-image-info的镜像文件的数组回调mapped函数。

③ 方法中的三个参数分别表示的含义如下：

map_images：dyld将image（镜像文件）加载进内存时，会触发该函数；
load_image：dyld初始化image会触发该函数；
unmap_image：dyld将image移除时，会触发该函数。

dyld与ObjC的关联

未完待续