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通用阅读本文你将收获：

  • clang 作为编译器前端的处理流程
  • 明白 code style check 的脚本制作方式

source：深入浅出iOS编译

前言

两年前曾经写过一篇关于编译的文章《iOS编译过程的原理和应用》，这篇文章介绍了iOS编译相关基础知识和简单应用，但也很有多问题都没有解释清楚：

  • Clang和LLVM究竟是什么
  • 源文件到机器码的细节
  • Linker做了哪些工作
  • 编译顺序如何确定
  • 头文件是什么？XCode是如何找到头文件的？
  • Clang Module
  • 签名是什么？为什么要签名

为了搞清楚这些问题，我们来挖掘下XCode编译iOS应用的细节。

编译器

把一种编程语言(原始语言)转换为另一种编程语言(目标语言)的程序叫做编译器。

大多数编译器由两部分组成：前端和后端。

  • 前端负责词法分析，语法分析，生成中间代码；
  • 后端以中间代码作为输入，进行行架构无关的代码优化，接着针对不同架构生成不同的机器码。

前后端依赖统一格式的中间代码(IR)，使得前后端可以独立的变化。新增一门语言只需要修改前端，而新增一个CPU架构只需要修改后端即可。

Objective C/C/C++使用的编译器前端是clang，swift是swift，后端都是LLVM。

LLVM

LLVM是一个强大的编译器开发工具套件，LLVM的核心库提供了现代化的source-target-independent优化器和支持诸多流行CPU架构的代码生成器，这些核心代码是围绕着LLVM IR(中间代码)建立的。

基于LLVM，又衍生出了一些强大的子项目，其中iOS开发者耳熟能详的是：Clang和LLDB。

clang

clang是C语言家族的编译器前端，诞生之初是为了替代GCC，提供更快的编译速度。一张图了解clang编译的大致流程：

接下来，从代码层面看一下具体的转化过程，新建一个main.c:

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#include <stdio.h>
// 一点注释
#define DEBUG 1
int main() {
#ifdef DEBUG
  printf("hello debug\n");
#else
  printf("hello world\n");
#endif
  return 0;
}

预处理(preprocessor)

预处理会替进行头文件引入，宏替换，注释处理，条件编译(#ifdef)等操作。

#include "stdio.h"就是告诉预处理器将这一行替换成头文件stdio.h中的内容，这个过程是递归的：因为stdio.h也有可能包含其头文件。

用clang查看预处理的结果：

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xcrun clang -E main.c

预处理后的文件有400多行，在文件的末尾，可以找到main函数

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int main() {
  printf("hello debug\n");
  return 0;
}

可以看到，在预处理的时候，注释被删除，条件编译被处理。

词法分析(lexical anaysis)

词法分析器读入源文件的字符流，将他们组织称有意义的词素(lexeme)序列，对于每个词素，此法分析器产生词法单元（token）作为输出。

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$ xcrun clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.c

输出：

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annot_module_include '#include <s'		Loc=<main.c:1:1>
int 'int'	 [StartOfLine]	Loc=<main.c:4:1>
identifier 'main'	 [LeadingSpace]	Loc=<main.c:4:5>
....

Loc=<main.c:1:1>标示这个token位于源文件main.c的第1行，从第1个字符开始。保存token在源文件中的位置是方便后续clang分析的时候能够找到出错的原始位置。

语法分析(semantic analysis)

词法分析的Token流会被解析成一颗抽象语法树(abstract syntax tree - AST)。

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$ xcrun clang -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.c | open -f

main函数AST的结构如下：

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`-FunctionDecl 0x7fcc188dc700 <main.c:4:1, line:11:1> line:4:5 main 'int ()'
  `-CompoundStmt 0x7fcc188dc918 <col:12, line:11:1>
    |-CallExpr 0x7fcc188dc880 <line:6:3, col:25> 'int'
    | |-ImplicitCastExpr 0x7fcc188dc868 <col:3> 'int (*)(const char *, ...)' <FunctionToPointerDecay>
    | | `-DeclRefExpr 0x7fcc188dc7a0 <col:3> 'int (const char *, ...)' Function 0x7fcc188c5160 'printf' 'int (const char *, ...)'
    | `-ImplicitCastExpr 0x7fcc188dc8c8 <col:10> 'const char *' <BitCast>
    |   `-ImplicitCastExpr 0x7fcc188dc8b0 <col:10> 'char *' <ArrayToPointerDecay>
    |     `-StringLiteral 0x7fcc188dc808 <col:10> 'char [13]' lvalue "hello debug\n"
    `-ReturnStmt 0x7fcc188dc900 <line:10:3, col:10>
      `-IntegerLiteral 0x7fcc188dc8e0 <col:10> 'int' 0

有了抽象语法树，clang就可以对这个树进行分析，找出代码中的错误。比如类型不匹配，亦或Objective C中向target发送了一个未实现的消息。

AST是开发者编写clang插件主要交互的数据结构，clang也提供很多API去读取AST。更多细节：Introduction to the Clang AST。

CodeGen

CodeGen遍历语法树，生成LLVM IR代码。LLVM IR是前端的输出，后端的输入。

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xcrun clang -S -emit-llvm main.c -o main.ll

main.ll文件内容：

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...
@.str = private unnamed_addr constant [13 x i8] c"hello debug\0A\00", align 1

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define i32 @main() #0 {
  %1 = alloca i32, align 4
  store i32 0, i32* %1, align 4
  %2 = call i32 (i8*, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([13 x i8], [13 x i8]* @.str, i32 0, i32 0))
  ret i32 0
}
...

Objective C代码在这一步会进行runtime的桥接：property合成，ARC处理等。

LLVM会对生成的IR进行优化，优化会调用相应的Pass进行处理。Pass由多个节点组成，都是Pass类的子类，每个节点负责做特定的优化，更多细节：Writing an LLVM Pass。

生成汇编代码

LLVM对IR进行优化后，会针对不同架构生成不同的目标代码，最后以汇编代码的格式输出：

生成arm 64汇编：

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$ xcrun clang -S main.c -o main.s

查看生成的main.s文件，篇幅有限，对汇编感兴趣的同学可以看看我的这篇文章：iOS汇编快速入门。

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_main:                                  ## @main
        .cfi_startproc
## %bb.0:
        pushq   %rbp
        .cfi_def_cfa_offset 16
        .cfi_offset %rbp, -16
        movq    %rsp, %rbp
...

汇编器

汇编器以汇编代码作为输入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件(object file)。

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$ xcrun clang -fmodules -c main.c -o main.o

还记得我们代码中调用了一个函数printf么？通过nm命令，查看下main.o中的符号

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$ xcrun nm -nm main.o
                 (undefined) external _printf
0000000000000000 (__TEXT,__text) external _main

_printf是一个是undefined external的。undefined表示在当前文件暂时找不到符号_printf ，而external表示这个符号是外部可以访问的，对应表示文件私有的符号是non-external。

Tips：什么是符号(Symbols)? 符号就是指向一段代码或者数据的名称。还有一种叫做WeakSymols，也就是并不一定会存在的符号，需要在运行时决定。比如iOS 12特有的API，在iOS11上就没有。

链接

连接器把编译产生的.o文件和（dylib,a,tbd）文件，生成一个mach-o文件。

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$ xcrun clang main.o -o main

我们就得到了一个mach o格式的可执行文件

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$ file main
main: Mach-O 64-bit executable x86_64
$ ./main 
hello debug

在用nm命令，查看可执行文件的符号表：

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$ nm -nm main
                 (undefined) external _printf (from libSystem)
                 (undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header
0000000100000f60 (__TEXT,__text) external _main

_printf仍然是undefined，但是后面多了一些信息：from libSystem，表示这个符号来自于libSystem，会在运行时动态绑定。

XCode编译

通过上文我们大概了解了Clang编译一个C语言文件的过程，但是XCode开发的项目不仅仅包含了代码文件，还包括了图片，plist等。以的iOS App为例，我们来看看在XCode中编译一次都要经过哪些过程？

新建一个单页面的Demo工程：CocoaPods依赖AFNetworking和SDWebImage，同时依赖于一个内部Framework。按下Command+B，在XCode的Report Navigator模块中，可以找到编译的详细日志：

详细的步骤如下：

  • 创建Product.app的文件夹
  • 把Entitlements.plist写入到DerivedData里，处理打包的时候需要的信息（比如application-identifier）。
  • 创建一些辅助文件，比如各种.hmap，这是headermap文件，具体作用下文会讲解。
  • 执行CocoaPods的编译前脚本：检查Manifest.lock文件。
  • 编译.m文件，生成.o文件。
  • 链接动态库，o文件，生成一个mach o格式的可执行文件。
  • 编译assets，编译storyboard，链接storyboard
  • 拷贝动态库Logger.framework，并且对其签名
  • 执行CocoaPods编译后脚本：拷贝CocoaPods Target生成的Framework
  • 对Demo.App签名，并验证（validate）
  • 生成Product.app

编译顺序

编译的时候有很多的Task(任务)要去执行，XCode如何决定Task的执行顺序呢？

答案是：依赖关系。

还是以刚刚的Demo项目为例，整个依赖关系如下：

可以从XCode的Report Navigator看到Target的编译顺序：

XCode编译的时候会尽可能的利用多核性能，多Target并发编译。

那么，XCode又从哪里得到了这些依赖关系呢？

  • Target Dependencies - 显式声明的依赖关系
  • Linked Frameworks and Libraries - 隐式声明的依赖关系
  • Build Phase - 定义了编译一个Target的每一步

增量编译

日常开发中，一次完整的编译可能要几分钟，甚至几十分钟，而增量编译只需要不到1分钟，为什么增量编译会这么快呢？

因为XCode会对每一个Task生成一个哈希值，只有哈希值改变的时候才会重新编译。

比如，修改了ViewControler.m，只有图中灰色的三个Task会重新执行（这里不考虑build phase脚本）。

头文件

C语言家族中，头文件(.h)文件用来引入函数/类/宏定义等声明，让开发者更灵活的组织代码，而不必把所有的代码写到一个文件里。

头文件对于编译器来说就是一个promise。头文件里的声明，编译会认为有对应实现，在链接的时候再解决具体实现的位置。

当只有声明，没有实现的时候，链接器就会报错。

Undefined symbols for architecture arm64:
“_umimplementMethod”, referenced from:
-[ClassA method] in ClassA.o
ld: symbol(s) not found for architecture arm64
clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)

Objective C的方法要到运行时才会报错，因为Objective C是一门动态语言，编译器无法确定对应的方法名(SEL)在运行时到底有没有实现(IMP)。

日常开发中，两种常见的头文件引入方式：

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#include "CustomClass.h" //自定义
#include <Foundation/Foundation.h> //系统或者内部framework

引入的时候并没有指明文件的具体路径，编译器是如何找到这些头文件的呢？

回到XCode的Report Navigator，找到上一个编译记录，可以看到编译ViewController.m的具体日志：

把这个日志整体拷贝到命令行中，然后最后加上-v，表示我们希望得到更多的日志信息，执行这段代码，在日志最后可以看到clang是如何找到头文件的：

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#include "..." search starts here:
 /Users/.../Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphoneos/Demo.build/Demo-generated-files.hmap (headermap)
 /Users/.../Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphoneos/Demo.build/Demo-project-headers.hmap (headermap)
 /Users/.../Build/Products/Debug-iphoneos/AFNetworking/AFNetworking.framework/Headers
 /Users/.../Build/Products/Debug-iphoneos/SDWebImage/SDWebImage.framework/Headers
 
#include <...> search starts here:
 /Users/.../Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphoneos/Demo.build/Demo-own-target-headers.hmap (headermap)
 /Users/.../Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphoneos/Demo.build/Demo-all-non-framework-target-headers.hmap (headermap)
 /Users/.../Build/Intermediates.noindex/Demo.build/Debug-iphoneos/Demo.build/DerivedSources
 /Users/.../Build/Products/Debug-iphoneos (framework directory)
 /Users/.../Build/Products/Debug-iphoneos/AFNetworking (framework directory)
 /Users/.../Build/Products/Debug-iphoneos/SDWebImage (framework directory)
 /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/lib/clang/10.0.0/include
 /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/include
 $SDKROOT/usr/include
 $SDKROOT/System/Library/Frameworks (framework directory)
 
End of search list.

这里有个文件类型叫做heademap，headermap是帮助编译器找到头文件的辅助文件：存储这头文件到其物理路径的映射关系。

可以通过一个辅助的小工具hmap查看hmap中的内容：

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192:Desktop Leo$ ./hmap print Demo-project-headers.hmap 
AppDelegate.h -> /Users/huangwenchen/Desktop/Demo/Demo/AppDelegate.h
Demo-Bridging-Header.h -> /Users/huangwenchen/Desktop/Demo/Demo/Demo-Bridging-Header.h
Dummy.h -> /Users/huangwenchen/Desktop/Demo/Framework/Dummy.h
Framework.h -> Framework/Framework.h
TestView.h -> /Users/huangwenchen/Desktop/Demo/Demo/View/TestView.h
ViewController.h -> /Users/huangwenchen/Desktop/Demo/Demo/ViewController.h

Tips: 这就是为什么备份/恢复Mac后，需要clean build folder，因为两台mac对应文件的物理位置可能不一样。

clang发现#import "TestView.h"的时候，先在headermap(Demo-generated-files.hmap,Demo-project-headers.hmap)里查找，如果headermap文件找不到，接着在own target的framework里找：

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/Users/.../Build/Products/Debug-iphoneos/AFNetworking/AFNetworking.framework/Headers/TestView.h
/Users/.../Build/Products/Debug-iphoneos/SDWebImage/SDWebImage.framework/Headers/TestView.h

系统的头文件查找的时候也是优先headermap，headermap查找不到会查找own target framework，最后查找SDK目录。

以#import <Foundation/Foundation.h>为例，在SDK目录查找时：

首先查找framework是否存在

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$SDKROOT/System/Library/Frameworks/Foundation.framework

如果framework存在，再在headers目录里查找头文件是否存在

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$SDKROOT/System/Library/Frameworks/Foundation.framework/headers/Foundation.h

Clang Module

传统的#include/#import都是文本语义：预处理器在处理的时候会把这一行替换成对应头文件的文本，这种简单粗暴替换是有很多问题的：

  1. 大量的预处理消耗。假如有N个头文件，每个头文件又#include了M个头文件，那么整个预处理的消耗是*NM**。
  2. 文件导入后，宏定义容易出现问题。因为是文本导入，并且按照include依次替换，当第一个头文件定义了#define std hello_world，而第二个头文件刚好又是C++标准库，那么所有的std都会被替换。
  3. 边界不明显。拿到一组.a和.h文件，很难确定.h是属于哪个.a的，需要以什么样的顺序导入才能正确编译。

clang module不再使用文本模型，而是采用更高效的语义模型。clang module提供了一种新的导入方式:@import，module会被作为一个独立的模块编译，并且产生独立的缓存，从而大幅度提高预处理效率，这样时间消耗从M*N变成了M+N。

XCode创建的Target是Framework的时候，默认define module会设置为YES，从而支持module，当然像Foundation等系统的framwork同样支持module。

#import <Foundation/NSString.h>的时候，编译器会检查NSString.h是否在一个module里，如果是的话，这一行会被替换成@import Foundation。

那么，如何定义一个module呢？答案是：modulemap文件，这个文件描述了一组头文件如何转换为一个module，举个例子：

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framework module Foundation  [extern_c] [system] {
	umbrella header "Foundation.h" // 所有要暴露的头文件
 	export *
	module * {
 		export *
 	}
 	explicit module NSDebug { //submodule
 		header "NSDebug.h"
 		export *
 	}
 }

swift是可以直接import一个clang module的，比如你有一些C库，需要在Swift中使用，就可以用modulemap的方式。

Swift编译

现代化的语言几乎都抛弃了头文件，swift也不例外。问题来了，swift没有头文件又是怎么找到声明的呢？

编译器干了这些脏活累活。编译一个Swift头文件，需要解析Target中所有的Swift文件，找到对应的声明。

当开发中难免要有Objective C和Swfit相互调用的场景，两种语言在编译的时候查找符号的方式不同，如何一起工作的呢？

Swift引用Objective C：

Swift的编译器内部使用了clang，所以swift可以直接使用clang module，从而支持直接import Objective C编写的framework。

swift编译器会从objective c头文件里查找符号，头文件的来源分为两大类：

  • Bridging-Header.h中暴露给swfit的头文件
  • framework中公开的头文件，根据编写的语言不通，可能从modulemap或者umbrella header查找

XCode提供了宏定义NS_SWIFT_NAME来让开发者定义Objective C => Swift的符号映射，可以通过Related Items -> Generate Interface来查看转换后的结果：

Objective引用swift

xcode会以module为单位，为swift自动生成头文件，供Objective C引用，通常这个文件命名为ProductName-Swift.h。

swift提供了关键词@objc来把类型暴露给Objective C和Objective C Runtime。

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@objc public class MyClass

深入理解Linker

链接器会把编译器编译生成的多个文件，链接成一个可执行文件。链接并不会产生新的代码，只是在现有代码的基础上做移动和补丁。

链接器的输入可能是以下几种文件：

  • object file(.o)，单个源文件的编辑结果，包含了由符号表示的代码和数据。
  • 动态库(.dylib)，mach o类型的可执行文件，链接的时候只会绑定符号，动态库会被拷贝到app里，运行时加载
  • 静态库(.a)，由ar命令打包的一组.o文件，链接的时候会把具体的代码拷贝到最后的mach-o
  • tbd，只包含符号的库文件

这里我们提到了一个概念：符号(Symbols)，那么符号是什么呢？

符号是一段代码或者数据的名称，一个符号内部也有可能引用另一个符号。

以一段代码为例，看看链接时究竟发生了什么？

源代码：

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- (void)log{
	printf("hello world\n");
}

.o文件：

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#代码
adrp    x0, l_.str@PAGE
add     x0, x0, l_.str@PAGEOFF
bl      _printf

#字符串符号
l_.str:                                 ; @.str
        .asciz  "hello world\n"

在.o文件中，字符串”hello world\n”作为一个符号来引用，汇编代码读取的时候按照l_.str所在的页加上偏移量的方式读取，然后调用printf符号。到这一步，CPU还不知道怎么执行，因为还有两个问题没解决：

  1. l_.str在可执行文件的哪个位置？
  2. printf函数来自哪里？

再来看看链接之后的mach o文件：

链接器如何解决这两个问题呢？

  1. 链接后，不再是以页+偏移量的方式读取字符串，而是直接读虚拟内存中的抵制，解决了l_.str的位置问题。
  2. 链接后，不再是调用符号_printf，而是在DATA段上创建了一个函数指针_printf$ptr，值为0x0，代码直接调用这个函数指针。启动的时候，dyld会把DATA段上的指针，进行动态绑定，绑定到具体虚拟内存中的_printf地址。更多细节，可以参考我之前的这篇文章：深入理解iOS App的启动过程。

Tips: Mach-O有一个区域叫做LINKEDIT，这个区域用来存储启动的时候，dyld需要动态修复的一些数据：比如刚刚提到的printf在内存中的地址。

理解签名

基础回顾

非对称加密。在密码学中，非对称加密需要两个密钥：公钥和私钥。私钥加密的只能用公钥解密，公钥加密的只能用私钥解密。

数字签名。数字签名表示我对数据做了个标记，表示这是我的数据，没有经过篡改。

数据发送方Leo产生一对公私钥，私钥自己保存，公钥发给接收方Lina。Leo用摘要算法，对发送的数据生成一段摘要，摘要算法保证了只要数据修改，那么摘要一定改变。然后，用私钥对这个摘要进行加密，和数据一起发送给Lina。

Lina收到数据后，用公钥解密签名，得到Leo发过来的摘要；然后自己按照同样的摘要算法计算摘要，如果计算的结果和Leo的一样，说明数据没有被篡改过。

但是，现在还有个问题：Lina有一个公钥，假如攻击者把Lina的公钥替换成自己的公钥，那么攻击者就可以伪装成Leo进行通信，所以Lina需要确保这个公钥来自于Leo，可以通过数字证书来解决这个问题。

数字证书由CA（Certificate Authority）颁发，以Leo的证书为例，里面包含了以下数据：签发者；Leo的公钥；Leo使用的Hash算法；证书的数字签名；到期时间等，这些数据用CA的公钥进行加密。

有了数字证书后，Leo再发送数据的时候，把自己从CA申请的证书一起发送给Lina。Lina收到数据后，先验证证书的数字签名是否正确，如果正确说明证书没有被篡改过，然后用CA的公钥解密证书数据，根据证书的信息就可以确认这是Leo的证书，对应的公钥也是Leo的。

iOS App签名

为什么要对App进行签名呢？签名能够让iOS识别出是谁对签名了App，并且签名后，App没有被修改过，

另外Apple要严格控制App的分发：

  1. App来自Apple信任的开发者
  2. 安装的设备是Apple允许的设备
  3. App在签名后安装包没有被篡改过

证书

通过上文的讲解，我们知道数字证书里包含着申请证书设备的公钥，所以在Apple开发者后台创建证书的时候，需要上传CSR文件(Certificate Signing Request)，用keychain生成这个文件的时候，就生成了一对公/私钥：公钥在CSR里，私钥在本地的Mac上。Apple本身也有一对公钥和私钥：私钥保存在Apple后台，公钥在每一台iOS设备上。

Provisioning Profile

iOS App安装到设备的途径(非越狱)有以下几种：

  1. 开发包(插线，或者archive导出develop包)
  2. Ad Hoc
  3. App Store
  4. 企业证书

开发包和Ad Hoc都会严格限制安装设备，为了把设备uuid等信息一起打包进App，开发者需要配置Provisioning Profile。

可以通过以下命令来查看Provisioning Profile中的内容：

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security cms -D -i embedded.mobileprovision > result.plist
open result.plist

本质上就是一个编码过后的plist

iOS签名

生成安装包的最后一步，XCode会调用codesign对Product.app进行签名。

创建一个额外的目录_CodeSignature以plist的方式存放安装包内每一个文件签名

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<key>Base.lproj/LaunchScreen.storyboardc/01J-lp-oVM-view-Ze5-6b-2t3.nib</key>
<data>
T2g5jlq7EVFHNzL/ip3fSoXKoOI=
</data>
<key>Info.plist</key>
<data>
5aVg/3m4y30m+GSB8LkZNNU3mug=
</data>
<key>PkgInfo</key>
<data>
n57qDP4tZfLD1rCS43W0B4LQjzE=
</data>
<key>embedded.mobileprovision</key>
<data>
tm/I1g+0u2Cx9qrPJeC0zgyuVUE=
</data>
...

代码签名会直接写入到mach-o的可执行文件里，值得注意的是签名是以页(Page)为单位的，而不是整个文件签名：

验证

在安装App的时候，

  • 从embedded.mobileprovision取出证书，验证证书是否来自Apple信任的开发者
  • 证书验证通过后，从证书中取出Leo的公钥
  • 读取_CodeSignature中的签名结果，用Leo的公钥验证每个文件的签名是否正确
  • 文件embedded.mobileprovision验证通过后，读取里面的设备id列表，判断当前设备是否可安装(App Store和企业证书不做这步验证)
  • 验证通过后，安装App

启动App的时候：

  • 验证bundle id，entitlements和embedded.mobileprovision中的AppId，entitlements是否一致
  • 判断device id包含在embedded.mobileprovision里
    • App Store和企业证书不做验证
  • 如果是企业证书，验证用户是否信任企业证书
  • App启动后，当缺页中断(page fault)发生的时候，系统会把对应的mach-o页读取物理内存，然后验证这个page的签名是否正确。
  • 以上都验证通过，App才能正常启动

小结

如有内容错误，欢迎issue指正。