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iOS 程序启动流程解密

main 函数是 iOS 程序的入口，我们写的代码都是在 main 函数之后执行的，但是在夜深人静的时候，我的脑海中经常会冒出这样的问题：main 函数之前到底发生了什么？用户点击程序图标之后，我们的 App 是怎样被启动的？这期间系统做了哪些事情、经历了哪些步骤才一步步地调用到程序 main 函数的？于是我又献祭了自己的空闲时间对 iOS 应用的启动流程进行了一番探究。

调研结论

咳咳，这里先把结论贴出来，然后再一步步分析，对总体流程有了一个大体的认识才不会在技术细节中迷路：

(1) 系统为程序启动做好准备

(2) 系统将控制权交给 Dyld，Dyld 会负责后续的工作

(3) Dyld 加载程序所需的动态库

(3) Dyld 对程序进行 rebase 以及 bind 操作

(4) Objc SetUp

(5) 运行初始化函数

(6) 执行程序的 main 函数

步骤比较多，不过不用担心，我会结合代码对其进行进一步的讲解。

Dyld

在用户点击应用后，系统内核会去创建一个新的进程并为应用的执行做好准备，详情可参考趣探 Mach-O：加载过程，之后会去调用 Dyld 来接管后续的工作。Dyld 是 iOS 系统的动态链接器，它的代码在这里，整体来说它的机制还是比较复杂的，所里这里只是简单概括一下，感兴趣的同志可以下载源码阅读。

Dyld 的启动代码源于 dyldStartup.s 文件，在一大串的汇编代码中有个名为 __dyld_start 的方法，它会去调用 dyldbootstrap::start() 方法，然后进一步调用 dyld::_main() 方法，里面包含 App 的整个启动流程，该函数最终返回应用程序 main 函数的地址，最后 Dyld 会去调用它。dyld::_main() 函数的源码很长，所以这里只保留关键信息，并用伪代码进行简化从而得到整体流程：

uintptr_t _main(···/省略参数/···) {
    // 1. 设置运行环境
    ......
    // 2. instantiate ImageLoader for main executable
    sMainExecutable = instantiateFromLoadedImage(mainExecutableMH, mainExecutableSlide, sExecPath);   
    ......
    //3. link main executable
    link(sMainExecutable, sEnv.DYLD_BIND_AT_LAUNCH, true, ImageLoader::RPathChain(NULL, NULL), -1);
    ......
    //4. run all initializers
    initializeMainExecutable(); 
    ......
    //5. find entry point for main executable
    result = (uintptr_t)sMainExecutable->getThreadPC();
    ......
    return result;
}

接下来我会对以上关键代码进行解读，希望大家对启动流程有着更为清晰的认识。

加载可执行文件

二进制文件常被称为 image，包括可执行文件、动态库等，ImageLoader 的作用就是将二进制文件加载进内存。dyld::_main() 方法在设置好运行环境后，会调用 instantiateFromLoadedImage 函数将可执行文件加载进内存中，加载过程分为三步：

合法性检查。主要是检查可执行文件是否合法，是否能在当前的 CPU 架构下运行。
选择 ImageLoader 加载可执行文件。系统会去判断可执行文件的类型，选择相应的 ImageLoader 将其加载进内存空间中。
注册 image 信息。可执行文件加载完成后，系统会调用 addImage 函数将其管理起来，并更新内存分布信息。

以上三步完成后，Dyld 会调用 link 函数开始之后的处理流程。另外补充下，如果有同学对 ImageLoader 感兴趣的话，dyld 加载 Mach-O这篇文章是不错的，推荐大家看。

Load Dylibs

link(sMainExecutable, ......) 函数究竟做了些什么，我们可以从源码中一探究竟：

void ImageLoader::link(···/省略参数/···) {
    //dyld::log("ImageLoader::link(%s) refCount=%d, neverUnload=%d/n", imagePath, fDlopenReferenceCount, fNeverUnload);
    // clear error strings
    (*context.setErrorStrings)(0, NULL, NULL, NULL);
    uint64_t t0 = mach_absolute_time();
    this->recursiveLoadLibraries(context, preflightOnly, loaderRPaths, imagePath);
    context.notifyBatch(dyld_image_state_dependents_mapped, preflightOnly);
    // we only do the loading step for preflights
    if ( preflightOnly )
        return;
    uint64_t t1 = mach_absolute_time();
    context.clearAllDepths();
    this->recursiveUpdateDepth(context.imageCount());
    uint64_t t2 = mach_absolute_time();
     this->recursiveRebase(context);
    context.notifyBatch(dyld_image_state_rebased, false);
    uint64_t t3 = mach_absolute_time();
     this->recursiveBind(context, forceLazysBound, neverUnload);
    uint64_t t4 = mach_absolute_time();
    if ( !context.linkingMainExecutable )
        this->weakBind(context);
    uint64_t t5 = mach_absolute_time();    
    context.notifyBatch(dyld_image_state_bound, false);
    uint64_t t6 = mach_absolute_time();    
    std::vector dofs;
    this->recursiveGetDOFSections(context, dofs);
    context.registerDOFs(dofs);
    uint64_t t7 = mach_absolute_time();    
    // interpose any dynamically loaded images
    if ( !context.linkingMainExecutable && (fgInterposingTuples.size() != 0) ) {
        this->recursiveApplyInterposing(context);
    }
    // clear error strings
    (*context.setErrorStrings)(0, NULL, NULL, NULL);
    fgTotalLoadLibrariesTime += t1 - t0;
    fgTotalRebaseTime += t3 - t2;
    fgTotalBindTime += t4 - t3;
    fgTotalWeakBindTime += t5 - t4;
    fgTotalDOF += t7 - t6;
    // done with initial dylib loads
    fgNextPIEDylibAddress = 0;
}

link 函数不是很长，这里就全部贴出来了，它首先调用 recursiveLoadLibraries，递归加载程序所需的动态链接库。使用 otool -L 二进制文件路径可以列出程序的动态链接库：

$ otool -L gaoda
/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Foundation (compatibility version 300.0.0, current version 1349.55.0)
/usr/lib/libobjc.A.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 228.0.0)
/usr/lib/libSystem.B.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1238.50.2)
/System/Library/Frameworks/CoreFoundation.framework/CoreFoundation (compatibility version 150.0.0, current version 1349.56.0)
/System/Library/Frameworks/UIKit.framework/UIKit (compatibility version 1.0.0, current version 3600.7.47)

UIKit 和 Foundation 框架相信大家已经很熟悉了，那么 libobjc.A.dylib 以及 libSystem.B.dylib 是什么呢？libobjc.A.dylib 包含 runtime，而 libSystem.B.dylib 则包含像 libdispatch、libsystem_c 等系统级别的库，二者都是被默认添加到程序中的。动态链接库的加载也是借助 ImageLoader 完成的，但是由于动态链接库本身还可能依赖其他动态链接库，所以整个加载过程是递归进行的。当程序的动态链接库加载完毕后，link 函数进入下一流程。

Rebase && Bind

因为地址空间加载随机化(ASLR，Address Space Layout Randomization)的缘故，二进制文件最终的加载地址与预期地址之间会存在偏移，所以需要进行 rebase 操作，对那些指向文件内部符号的指针进行修正，在 link 函数中该项操作由 recursiveRebase 函数执行。rebase 完成之后，就会进行 bind 操作，修正那些指向其他二进制文件所包含的符号的指针，由 recursiveBind 函数执行。

当 rebase 以及 bind 结束时，link 函数就完成了它的使命，iOS 应用的启动流程也进入到下一阶段，即 Objc SetUp。

Objc SetUp

Objc Setup 算是 iOS 系统独有的流程了，在 runtime 的初始化函数 _objc_init 中，有这样的代码：

void _objc_init(void) {
    ......
    // Register for unmap first, in case some +load unmaps something
    _dyld_register_func_for_remove_image(&unmap_image);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound,
                                             1/*batch*/, &map_2_images);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0/*not batch*/, &load_images);
}

Dyld 在 bind 操作结束之后，会发出 dyld_image_state_bound 通知，然后与之绑定的回调函数 map_2_images 就会被调用，它主要做以下几件事来完成 Objc Setup：