[OC学习笔记]启动流程

Posted 2023-01-04 Billy Miracle

我们的app是如何从桌面图标被启动的嘞？这个问题值得探究。

冷启动与热启动

这两个启动的区别其实很简单，就看启动之前手机后台是否有app存活。

名称	区别
冷启动	启动时，App的进程不在系统里，需要开启新进程。
热启动	启动时，App的进程还在系统里，不需要开启新进程。

Mach-O

mach-o是ios/macOS二进制文件的格式，mach-o又分为几种不同的类型。本文介绍了常见的mach-o文件类型以及它们的不同之处。
在Xcode->Build Setting ->Mach-O Type中，我们可以选择下面几种类型：

• Executable（产物为ipa包）
• Dynamic Library（产物为动态库）
• Bundle（产物为bundle文件）
• Static Library（产物为静态库）
• Relocatable Object File（重定向文件）

这个exec文件就是mach-o格式的可执行文件。

可执行文件生成流程

• 源文件：载入.h、.m、.cpp等文件
• 预编译：替换宏，删除注释，展开头文件，产生.i文件
• 编译：将.i文件转换为汇编语言，产生.s文件
• 汇编：将汇编文件转换为机器码文件，产生.o文件
• 链接：对.o文件中引用其他库的地方进行引用，生成最后的可执行文件
  

APP启动流程

dyld的概念

点击图标后，系统调用exec()函数，系统将对应的Mach-O文件加载进内存，同时再将dyld加载进内存。dyld就会进行动态链接。其中dyld的主要工作有一下几点：

• 递归加载可执行文件所依赖所有动态库
• 进行rebase和bingding操作
• 调用main函数

dyld（the dynamic link editor）是苹果的动态链接器，是苹果操作系统一个重要组成部分，在系统内核做好程序准备工作之后，交由dyld负责连接，加载程序。关于dyld，苹果已经开源dyld源码,我们可以通过阅读源码来了解dyld在pre-main阶段的流程。截止目前dyld已经更新至dyld4了，iOS15以上系统都是使用的dyld4。

app启动起始点

在ViewController的load方法打上断点，使用bt查看堆栈：

可以发现一开始的堆栈是 start然而通过网上查找资料可以发现，在调用start前还调用了_dyld_start。从网上找到这么一张图：

流程和我们查看的堆栈基本一致。

dyld源码分析

在源码中全局搜索_dyld_start，发现源码是由汇编编写完成的，通过下面的注释：

//
// This assembly code just needs to align the stack and jump into the C code for:
//      dyld::start(dyld4::KernelArgs*)
//

我们可以得知，此汇编代码只需要对齐堆栈并跳转到dyld::start(dyld4::KernelArgs*)。通过搜索namespace dyld4，可以找到start函数:

//
// Entry point for dyld.  The kernel loads dyld and jumps to __dyld_start which
// sets up some registers and call this function.
//
// Note: this function never returns, it calls exit().  Therefore stack protectors
// are useless, since the epilog is never executed.  Marking the fucntion no-return
// disable the stack protector.  The stack protector was also causing problems
// with armv7k codegen since it access the random value through a GOT slot in the
// prolog, but dyld is not rebased yet.
//
/*
dyld 的入口点。 内核加载 d 并跳转到 __dyld_start 这会设置一些寄存器并调用此函数。
注意：这个函数从不返回，它调用exit()。 
因此，堆栈保护器是无用的，因为永远不会执行epilog。 标记不返回功能禁用堆栈保护器。 
堆栈保护器也导致了armv7k codegen的问题，因为它通过prolog中的GOT插槽访问随机值，但dyld尚未重新定位。
*/
void start(const KernelArgs* kernArgs) __attribute__((noreturn)) __asm("start");
void start(const KernelArgs* kernArgs)

    // Emit kdebug tracepoint to indicate dyld bootstrap has started <rdar://46878536>
    // Note: this is called before dyld is rebased, so kdebug_trace_dyld_marker() cannot use any global variables
    dyld3::kdebug_trace_dyld_marker(DBG_DYLD_TIMING_BOOTSTRAP_START, 0, 0, 0, 0);

    // walk all fixups chains and rebase dyld
    // Note: withChainStarts() and fixupAllChainedFixups() cannot use any static DATA pointers as they are not rebased yet
    const MachOAnalyzer* dyldMA = getDyldMH();
    assert(dyldMA->hasChainedFixups());
    uintptr_t           slide = (long)dyldMA; // all fixup chain based images have a base address of zero, so slide == load address
    __block Diagnostics diag;
    dyldMA->withChainStarts(diag, 0, ^(const dyld_chained_starts_in_image* starts) 
        dyldMA->fixupAllChainedFixups(diag, starts, slide, dyld3::Array<const void*>(), nullptr);
    );
    diag.assertNoError();

    // Now, we can call functions that use DATA
    mach_init();

    // set up random value for stack canary
    // 栈溢出保护
    __guard_setup(kernArgs->findApple());

    // setup so that open_with_subsystem() works
    _subsystem_init(kernArgs->findApple());

    // use placement new to construct ProcessConfig object in __DATA_CONST, before it is made read-only
    ProcessConfig& config = *new ((ProcessConfig*)sConfigBuffer) ProcessConfig(kernArgs, sSyscallDelegate);

    // make __DATA_CONST read-only (kernel maps it r/w)
    dyldMA->forEachSegment(^(const MachOAnalyzer::SegmentInfo& segInfo, bool& stop) 
        if ( segInfo.readOnlyData ) 
            const uint8_t* start = (uint8_t*)(segInfo.vmAddr + slide);
            size_t         size  = (size_t)segInfo.vmSize;
            sSyscallDelegate.mprotect((void*)start, size, PROT_READ);
        
    );

#if !SUPPPORT_PRE_LC_MAIN
    // stack allocate RuntimeLocks. They cannot be in the Allocator pool which is usually read-only
    RuntimeLocks  sLocks;
#endif

    // create Allocator and APIs/RuntimeState object in that allocator
    // 在该分配器中创建分配器和 API/运行时状态对象
    APIs& state = APIs::bootstrap(config, sLocks);

    // load all dependents of program and bind them together
    // 加载程序的所有依赖项并将它们绑定在一起
    // 注意：⚠️调用流程图里提到的prepare()函数
    MainFunc appMain = prepare(state, dyldMA);

    // now make all dyld Allocated data structures read-only
    state.decWritable();

    // call main() and if it returns, call exit() with the result
    // Note: this is organized so that a backtrace in a program's main thread shows just "start" below "main"
    int result = appMain(state.config.process.argc, state.config.process.argv, state.config.process.envp, state.config.process.apple);

    // if we got here, main() returned (as opposed to program calling exit())
#if TARGET_OS_OSX
    // <rdar://74518676> libSystemHelpers is not set up for simulators, so directly call _exit()
    if ( MachOFile::isSimulatorPlatform(state.config.process.platform) )
        _exit(result);
#endif
    state.libSystemHelpers->exit(result);

我们可以继续看prepare()函数，立面调用了runAllInitializersForMain()：

加载动态库

找到runAllInitializersForMain()源码：

在objc4源码中的_objc_init 方法处断点，并且使用bt命令查看调用栈：

_objc_init里面调用_dyld_objc_notify_register来注册3个方法：

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();
#if __OBJC2__
    cache_t::init();
#endif
    _imp_implementationWithBlock_init();
	// 调用_dyld_objc_notify_register来注册3个方法 
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);

#if __OBJC2__
    didCallDyldNotifyRegister = true;
#endif

map_images的调用

先看map_images源码：

map_images(unsigned count, const char * const paths[],
           const struct mach_header * const mhdrs[])

    mutex_locker_t lock(runtimeLock);
    return map_images_nolock(count, paths, mhdrs);

在dyld源码中搜索_dyld_objc_notify_register方法，可以看到mapped（第一个参数）就是map_images：

void APIs::_dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped   mapped,
                                      _dyld_objc_notify_init     init,
                                      _dyld_objc_notify_unmapped unmapped)

    if ( config.log.apis )
        log("_dyld_objc_notify_register(%p, %p, %p)\\n", mapped, init, unmapped);
    //⚠️
    setObjCNotifiers(mapped, init, unmapped);

    // If we have prebuilt loaders, then the objc optimisations may hide duplicate classes from libobjc.
    // We need to print the same warnings libobjc would have.
    if ( const PrebuiltLoaderSet* mainSet = this->processPrebuiltLoaderSet() )
        mainSet->logDuplicateObjCClasses(*this);

继续寻找setObjCNotifiers方法并定位：

void RuntimeState::setObjCNotifiers(_dyld_objc_notify_mapped mapped, _dyld_objc_notify_init init, _dyld_objc_notify_unmapped unmapped)

	// 保存三个方法
    _notifyObjCMapped   = mapped;
    _notifyObjCInit     = init;
    _notifyObjCUnmapped = unmapped;
    
	// 传入块
    withLoadersReadLock(^
        // callback about already loaded images
        size_t maxCount = this->loaded.size();
        STACK_ALLOC_ARRAY(const mach_header*, mhs, maxCount);
        STACK_ALLOC_ARRAY(const char*, paths, maxCount);
        for ( const Loader* ldr : loaded ) 
            // don't need _mutex here because this is called when process is still single threaded
            const MachOLoaded* ml = ldr->loadAddress(*this);
            if ( ldr->hasObjC ) 
                paths.push_back(ldr->path());
                mhs.push_back(ml);
            
        
        if ( !mhs.empty() ) 
            (*_notifyObjCMapped)((uint32_t)mhs.count(), &paths[0], &mhs[0]);
            if ( this->config.log.notifications ) 
                this->log("objc-mapped-notifier called with %ld images:\\n", mhs.count());
                for ( uintptr_t i = 0; i < mhs.count(); ++i ) 
                    this->log(" objc-mapped: %p %s\\n", mhs[i], paths[i]);
                
            
        
    );

可以看到里面对全局变量赋值其实就是保存3个方法，之后调用了withLoadersReadLock并且传入了block，block内部执行了_notifyObjCMapped。那么block的执行就会调用map_images方法。

void RuntimeState::withLoadersReadLock(void (^work)())

#if BUILDING_DYLD
    if ( this->libSystemHelpers != nullptr ) 
        this->libSystemHelpers->os_unfair_recursive_lock_lock_with_options(&(_locks.loadersLock), OS_UNFAIR_LOCK_NONE);
        work();
        this->libSystemHelpers->os_unfair_recursive_lock_unlock(&_locks.loadersLock);
    
    else
#endif
    
        work();//⚠️
    

可以看到在withLoadersReadLock是直接调用块的。也就是说，map_images是在objc_init的时候就会调用。

load_images的调用

先看我们前面传入的三个参数：

_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);

⇩

void APIs::_dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped   mapped,
                                      _dyld_objc_notify_init     init,
                                      _dyld_objc_notify_unmapped unmapped)

    if ( config.log.apis )
        log("_dyld_objc_notify_register(%p, %p, %p)\\n", mapped, init, unmapped);
    //⚠️
    setObjCNotifiers(mapped, init, unmapped);

⇩

void RuntimeState::setObjCNotifiers(_dyld_objc_notify_mapped mapped, _dyld_objc_notify_init init, _dyld_objc_notify_unmapped unmapped)

	// 保存三个方法
    _notifyObjCMapped   = mapped;
    _notifyObjCInit     = init;
    _notifyObjCUnmapped = unmapped;

还是在runAllInitializersForMain中调用：

可以看到不论加载libSystem还是其他类都用到了这个方法，点进去看实现：

void RuntimeState::notifyObjCInit(const Loader* ldr)

    //this->log("objc-init-notifier checking mh=%p, path=%s, +load=%d, objcInit=%p\\n", ldr->loadAddress(), ldr->path(), ldr->mayHavePlusLoad, _notifyObjCInit);
    if ( (_notifyObjCInit != nullptr) && ldr->mayHavePlusLoad ) 
        const MachOLoaded* ml  = ldr->loadAddress(*this);
        const char*        pth = ldr->path();
        dyld3::ScopedTimer timer(DBG_DYLD_TIMING_OBJC_INIT, (uint64_t)ml, 0, 0);
        if ( this->config.log.notifications )
            this->log("objc-init-notifier called with mh=%p, path=%s\\n", ml, pth);
        _notifyObjCInit(pth, ml);//⚠️
    

其中除了打log外，主要的目的就是调用_notifyObjCInit，这个值是objc通过_dyld_objc_notify_register传给dyld的，然后在setObjCNotifiers方法中存储的。
可以看到dyld在加载应用程序的时候也是需要objc的。dyld像是一个首脑派发加载任务给objc，objc把动态库加载进内存。

rebase和bind

mach-o文件中的符号地址都是虚拟地址，在程序启动的时候，系统会生成一个随机数（alsr），使用虚拟地址加上alsr才是物理地址，也就是程序正真调用的地址。我们把从虚拟地址换算成物理地址的过程称之为rebase。
可以看到start中生成了slide这个相当于alsr。注释：所有基于修正链的image的基址均为零，因此slide等于加载地址。在后面调用prepare方法时传入了这个值：

// load all dependents of program and bind them together
MainFunc appMain = prepare(state, dyldMA);

这里的do fixups也是去处理了rebase。

调用main函数

在start()函数里面的后面，调用prepare方法获取main函数，之后直接调用，程序就进入我们的源代码中了。