[译]理解 Xcode 构建系统

原文连接：www.vadimbulavin.com/xcode-build… by Vadim Bulavin

翻译：CoderWangx

每个 Swift 程序在真实设备上运行前都要经历一系列转换。这个过程一般是由 Xcode 构建系统处理的。在这篇文章中咱们将了解 Xcode 构建系统的各个部分。

问题描述

任何计算机系统都包含两方面：即 软件 与 硬件。

硬件 是计算机的物理部分，例如显示器、键盘。硬件 一般由 软件 控制，软件 是指导硬件如何工做地一系列指令集合。软件负责编排过程，硬件负责实际执行工做，缺一不可。

做为软件工程师，咱们主要关注软件部分。然而，硬件并不能直接理解使用 Swift 编写的代码，它只能接收电荷形式的指令，包含两个级别，分别称做*‘逻辑 0’和‘逻辑 1’*。

这里就有个问题：“如何将 Swift 代码转换成硬件能接受的形式”？ 答案是语言处理系统。

语言处理系统

语言处理系统 是一系列程序的集合，这些程序能够从一组用任意源语言编写的指令中生成可执行程序。这样就容许程序员使用高级语言而不用去写机器代码，大大下降了编程复杂度。

咱们在 iOS 或 macOS 开发中平常使用的语言处理系统就称做 Xcode 构建系统。

Xcode 构建系统

Xcode 构建系统 的主要目标是协调各类不一样任务的执行，最终生成一个可执行程序。

Xcode 运行许多工具，并在它们之间传递数十个参数，处理执行顺序、并行性等等。这确定不是你在编写下一个 Swift 项目时想要手动处理的。

多数语言处理系统，包括 Xcode 构建系统，都包含 5 个部分：

• Preprocessor（预处理器）
• Compiler（编译器）
• Assembler（汇编器）
• Linker（连接器）
• Loader（加载器）

它们经过以下图所示方式协做：

让咱们仔细了解一下各个步骤。

Preprocessing 预处理

预处理步骤的目的是将程序转换为能够被提供给编译器的形式。它将宏替换为具体定义，发现依赖项并解析预处理器指令。

考虑到 Swift 编译器中没有预处理器，因此不容许在 Swift 项目中定义宏。尽管如此，Xcode 构建系统 仍是进行了部分补足，经过在项目构建设置中配置 Active Compilation Conditions （主动编译条件） 方式来进行预处理。

Xcode 经过低级构建系统 llbuild 来解析依赖项，llbuild 是开源的，能够在 Github 上的 swift-llbuild 页面 找到更多信息。

Compiler 编译器

编译器 是一个程序，它将一个语言的源程序映射为另外一个语言中语义等效的目标程序。换句话说，编译器 将 Swift、Objective-C、C/C++ 代码转换为机器码而不丢失前者的含义。

Xcode 使用两个不一样的编译器：一个负责编译 Swift，另外一个负责编译 Objective-C、Objective-C++ 以及 C/C++ 文件。

clang 是苹果官方的 C 语言家族编译器，已经开源：swift-clang。

swiftc 是一个 Swift 编译器程序，被 Xcode 用于编译及运行 Swift 源代码。我冒昧地猜想你已经访问过这个连接至少一次：它位于Swift 语言仓库。

编译器 阶段以下图所示：

编译器由两个主要部分组成：前端和后端。

前端 部分将源程序分割为单独的部分，没有任何语义或类型信息，使用特定语法结构。而后编译器使用这个结构生成源程序的 中间描述（intermediate representation）。前端 也会建立并管理 符号表（symbol table），以搜集源程序相关信息。

符号（Symbol）是数据或代码片断的名称。

符号表 存储你所命名的变量、方法、类的名称，每一个 符号 都映射到一个肯定的数据块。

在 Swift 编译器 里 中间描述（intermediate representation） 被称做 Swift 中间语言 Swift Intermediate Language (SIL)。SIL 会被用于后续的分析及代码优化。直接从 Swift 中间语言 生成机器码是不可能的，所以 SIL 会再通过一次转换变为 LLVM 中间描述（LLVM Intermediate Representation）。

在 后端 阶段，以上LLVM 中间描述 会被转换为汇编码。

Assembler 汇编器

汇编器 将可读的汇编代码转换成 可重定向的机器代码（relocatable machine code），生成 Mach-O 文件，基本上就是代码与数据的集合。

上述定义中的术语：机器代码* 和 Mach-O 文件 还须要进一步解释。

机器代码 是一种数字化语言，表示一组可由 CPU 直接执行的指令。之因此命名为可重定向的，是由于无论对象文件在地址空间中何处，指令都会相对于所在空间来执行。

Mach-O 文件 是 iOS / macOS 操做系统中的一种特殊文件格式，用于对象文件、可执行文件及库。它是以一些有意义的块分组的字节流，运行于 iOS 设备上的 ARM 处理器或者 Mac 上的 Intel 处理器。

Linker 连接器

连接器 是一个计算机程序，它将不一样的对象文件和库合并起来生成一个能够在 iOS 或 macOS 系统上运行的 Mach-O 可执行文件。连接器 接收两种类型的文件做为输入，也就是来自 汇编 阶段的对象文件以及不一样类型的库（ .dylib, .tbd , .a）。

细心的读者可能已经注意到 汇编器 和 连接器 都生成了一个 Mach-O 文件做为输出。这二者应该有些不一样，对吧？

来自汇编阶段的对象文件并无处理完成，其中一些包含引用其余对象文件或库的缺失部分。举个例子，若是在代码中使用了 printf 方法，是 连接器 将这个符号与实现 printf 方法的 libc 库粘合起来的。它使用 编译 阶段生成的 符号表 来解析跨不一样对象文件与库之间的引用。

在 Xcode 中构建具备上述特性的 Swift 项目时，你能够已经发现过 “undefined symbol 未定义符号” 错误。

Loader 加载器

最后，做为操做系统一部分，加载器 会将程序载入内存并执行。加载器分配运行程序所需内存空间并将寄存器初始化为初始状态。

总结

在软件工程中很难低估 语言处理系统 的重要性。咱们能够自由选择几乎任何高级编程语言，例如 Swift 或 Objective-C，而不用去编写硬件才能理解的 0 和 1 二进制代码。语言处理系统会处理其他工做，生成一个能够在 iPhone、Mac 或其余任何终端运行的可执行程序。

做为 iOS / macOS 开发者，咱们平常基础工做中都在使用 Xcode 构建系统。它的主要组件有：preprocessor 预处理器、compiler 编译器、assembler 汇编器、linker 连接器、以及 loader 加载器。Xcode 针对 Swift 和 Objective-C 使用不一样的编译器，对应分别是 swiftc 和 clang 。

理解 Xcode 编译过程是基础知识，对于初学者和经验丰富的开发人员都很是重要。

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