iOS啓動優化之從exec()到main()

上一篇文章咱們講到了啓動優化須要的一些理論知識，這篇文章咱們講一下從exec()到main()系統幫咱們作了哪些操做。

什麼是exec()?

exec()函數是一個系統調用，當啓動一個應用程序的時候，系統內核把應用映射到新的地址空間，且每次起始位置都是隨機的（由於使用了ASLR），並將起始位置到0x000000這段範圍的進程權限都標記爲不可讀寫不可執行。

• 若是是32位進程，這個範圍至少是4KB。
• 若是是64位進程，至少是4GB。
• 能夠捕捉任何空指針引用。
• 捕捉任何指針截斷。

關於Dylibs

首先，內核加載動態連接庫的幫助程序Dyld，讓Dyld來啓動應用的進程。Dyld的工做是：

• 加載全部依賴的Dylib。
• 它擁有和應用同樣的權限。

Dyld的加載步驟

加載dylibs

• 從主執行文件的header獲取須要加載的依賴庫列表。
• 找到動態庫的Mach-O文件。
• 打開和開始運行每個文件。
• 確保它是mach-o文件。
• 找到代碼簽名並將其註冊到內核。
• 而後在該dylib的每一個segment上調用mmap()。

應用所依賴的dylib文件可能會依賴其它的dylib，因此dyld加載dylib的過程是一個遞歸的調用過程。

• 加載應用程序全部的直接依賴項
• 加載每一個dylib所依賴的dylib
• 清洗和重複
• 應用通常會加載100-400個dylib文件。
  • 大部分都是系統的dylib。
  • 系統的dylib會預加載和緩存那些dyld要作的工做，加載速度很快。

修復（Fix-ups）

在加載完全部依賴的dylib後，它們是彼此獨立的，咱們須要將它們綁在到一塊兒，這個過程就是修復。由於代碼簽名的存在，咱們沒法修復指令，那麼就不能讓一個dylib調用另外一個dylib，這時須要加載更多的中間層。

現代的code-gen被稱爲動態PIC（位置無關代碼），能夠加載到該地址上，而且是動態的，也就是說地址被間接的分配了。當調用發生時，code_gen會在__DATA段中建立一個指向被調用者的指針，而後加載該指針並跳轉過去。

因此dyld作的事情就是修正（fix-up）指針和數據，Fix-up有兩種類型，rebasing（重設地址）和binding（綁定）。

Rebasing指的是在鏡像內調整指針，Binding指的是在鏡像外調整指針。

能夠在任何二進制文件上使用dyldinfo指令來查看全部的修復：

Rebasing

在過去，dyld會把dylib加載到指定的地址，全部指針和數據對於代碼來講都是對的，dyld無需作任何fix-up。現在使用了ASLR會將dylib加載到新的隨機地址，這個隨機地址跟代碼和數據指向的舊地址會有誤差，dyld須要修正這個誤差（slide），Rebasing就是將dylib內部的指針地址都加上這個偏移量，計算方法以下：

Slide = actual_address - preferred_address
複製代碼

當咱們重設地址時，實際上在全部的Data頁面上都產生了錯誤，而後對頁面進行修改，就會產生COW（寫入時複製），因此重設地址有時會很是昂貴。這可能會產生I/O瓶頸，但由於rebase的順序是按地址排列的，因此從內核的角度來看這是個有次序的任務，它會進行預讀，減小I/O消耗。

Binding

Binding是處理那些指向dylib外部的指針，這些指針經過名稱進行綁定，實際上就是個字符串。運行時，dyld須要找到該符號指針的位置，這須要計算，遍歷查找符號表，一旦找到，就將該值存儲到數據指針裏。計算複雜度比Rebasing要高的多，可是I/O不多，由於Rebasing完成了大部分I/O操做。

ObjC

• 大多數ObjC的設置都是經過rebasing和binding來完成的，好比Class中指向超類的指針和指向方法的指針。
• ObjC是個動態語言，能夠用類的名字來實例化一個類的對象。這意味着ObjC運行時須要維護一張映射類名與類的全局表。當加載dylib時，其定義的全部類都須要註冊到這個全局表中。
• C++中有個問題叫作脆弱的基類問題。ObjC就沒有這個問題，由於會在加載時經過fix-up動態類中改變實例變量的偏移量。
• 能夠定義類別，改變另外一個類中的方法。
• 選擇器是惟一的。

Initializers

• C++編譯器生成初始化器來完成那些抽象DATA的初始化。
• ObjC中經過+load方法來完成該操做，但不建議使用+load方法。若是有+load方法，此時開始運行。
• 全部的dylib都須要運行初始化器。
• 從下往上開始運行初始化器，這樣能夠保證很安全的調用所依賴的內容。
• 全部的初始化器調用完成以後，Dyld就會調用可執行文件的main()函數。

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下期預告：iOS啓動優化實踐篇

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