__attribute__详解及应用

之前做过App的启动优化,遇到了+load优化的问题,后来想一想除了initializers代替+load还有没有什么好的方法,然后就搜到了运用编译属性__attribute__优化,于是查找了很多文章,系统的整理了下__attribute__。本文大部分内容来自引用的文章,如果想看更多更详细内容可以查看引用文章。

__attribute__ 介绍

__attribute__是一个编译属性,用于向编译器描述特殊的标识、错误检查或高级优化。它是GNU C特色之一,系统中有许多地方使用到。 __attribute__可以设置函数属性(Function Attribute )、变量属性(Variable Attribute )和类型属性(Type Attribute)等。

__attribute__ 格式

__attribute__ ((attribute-list)) 

__attribute__ 常用的编译属性及简单应用

format

这个属性指定一个函数比如printf,scanf作为参数,这使编译器能够根据代码中提供的参数检查格式字符串。对于追踪难以发现的错误非常有帮助。

format参数的使用如下:

format (archetype, string-index, first-to-check)

第一参数需要传递archetype指定是哪种风格,这里是 NSString;string-index指定传入函数的第几个参数是格式化字符串;first-to-check指定第一个可变参数所在的索引.

C中的使用方法

extern int my_printf (void *my_object, const char *my_format, ...) __attribute__((format(printf, 2, 3)));

在Objective-C 中通过使用__NSString__格式达到同样的效果,就像在NSString +stringWithFormat:NSLog()里使用字符串格式一样

FOUNDATION_EXPORT void NSLog(NSString *format, ...) NS_FORMAT_FUNCTION(1,2);
+ (instancetype)stringWithFormat:(NSString *)format, ... NS_FORMAT_FUNCTION(1,2);

__attribute__((constructor))

确保此函数在 在main函数被调用之前调用,iOS中在+load之后main之前执行。
constructordestructor会在ELF文件中添加两个段-.ctors.dtors。当动态库或程序在加载时,会检查是否存在这两个段,如果存在执行对应的代码。

__attribute__((constructor))
static void beforeMain(void) {
    NSLog(@"beforeMain");
}

__attribute__((constructor(101))) // 里面的数字越小优先级越高,1 ~ 100 为系统保留

__attribute__((destructor))

__attribute__((destructor))
static void afterMain(void) {
    NSLog(@"afterMain");
}

确保此函数在 在main函数被调用之后调

__attribute__((cleanup))

用于修饰一个变量,在它的作用域结束时可以自动执行一个指定的方法

关于这个Sunny黑魔法__attribute__((cleanup))中讲的很好很细,建议看看。

iOS中的应用

既然__attribute__((cleanup(...)))可以用来修饰变量,所以也可以用来修饰block

// void(^block)(void)的指针是void(^*block)(void)
static void blockCleanUp(__strong void(^*block)(void)) {
    (*block)();
}

这里不得不提万能的Reactive Cocoa中神奇的@onExit方法,其实正是上面的写法,简单定义个宏:

#define onExit\
    __strong void(^block)(void) __attribute__((cleanup(blockCleanUp), unused)) = ^

这样的写法可以将成对出现的代码写在一起,比如说一个lock,用了onExit之后,代码更集中了:

NSRecursiveLock *aLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
[aLock lock]; onExit { [aLock unlock]; };

当我看到这段代码的时候第一个想到就是Swift中defer关键字

lock.lock(); defer { lock.unlock() }

used

used的作用是告诉编译器,我声明的这个符号是需要保留的。被used修饰以后,意味着即使函数没有被引用,在Release下也不会被优化。如果不加这个修饰,那么Release环境链接器会去掉没有被引用的段。gun的官方文档

This attribute, attached to a variable with static storage, means that the variable must be emitted even if it appears that the variable is not referenced.

When applied to a static data member of a C++ class template, the attribute also means that the member is instantiated if the class itself is instantiated.

iOS中的运用,BeeHive中的一段代码。

#define BeeHiveDATA(sectname) __attribute((used, section("__DATA,"#sectname" ")))

nonnull

这个属性指定函数的的某些参数不能是空指针

extern void *
my_memcpy (void *dest, const void *src, size_t len)
  __attribute__((nonnull (1, 2)));

iOS中的应用

- (int)addNum1:(int *)num1 num2:(int *)num2  __attribute__((nonnull (1,2))){//1,2表示第一个和第二个参数不能为空
    return  *num1 + *num2;
}

- (NSString *)getHost:(NSURL *)url __attribute__((nonnull (1))){//第一个参数不能为空
    return url.host;
}

objc_runtime_name

用于 @interface@protocol,将类或协议的名字在编译时指定成另一个

__attribute__((objc_runtime_name("<#OtherClassName#>")))

iOS中的应用

 __attribute__((objc_runtime_name("OtherTest")))
 @interface Test : NSObject
 @end
 
 NSLog(@"%@", NSStringFromClass([Test class])); // "OtherTest"

这个属性可以用来做代码混淆

noreturn

几个标注库函数,例如abort exit,没有返回值。GCC能够自动识别这种情况。noreturn属性指定像这样的任何不需要返回值的函数。当遇到类似函数还未运行到return语句就需要退出来的情况,该属性可以避免出现错误信息。

iOS中的运用

AFNetworking库为它的网络请求显示入口函数使用了该属性。这个在生成一个专用的线程时使用,保证分离的线程能在应用的整个生命周期继续执行

+ (void) __attribute__((noreturn)) networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
    do {
        @autoreleasepool {
            [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
        }
    } while (YES);
}

noinline & always_inline

内联函数:内联函数从源代码层看,有函数的结构,而在编译后,却不具备函数的性质。内联函数不是在调用时发生控制转移,而是在编译时将函数体嵌入在每一个调用处。编译时,类似宏替换,使用函数体替换调用处的函数名。一般在代码中用inline修饰,但是能否形成内联函数,需要看编译器对该函数定义的具体处理

  • noinline 不内联
  • always_inline 总是内联
  • 这两个都是用在函数上

内联的本质是用代码块直接替换掉函数调用处,好处是:快代码的执行,减少系统开销.适用场景:

  • 这个函数更小
  • 这个函数不被经常调用
void test(int a) __attribute__((always_inline));

这个在Swift有类似用法

extension NSLock {
    
    @inline(__always)
    func executeWithLock(_ block: () -> Void) {
        lock()
        
        block()
        
        unlock()
    }
}

warn_unused_result

当函数或者方法的返回值很重要时,要求调用者必须检查或者使用返回值,否则编译器会发出警告提示。

- (BOOL)availiable __attribute__((warn_unused_result))
{
   return 10;
}


在Swift中应该是几乎所有方法都是warn_unused_result,可以通过@discardableResult去掉警告提示。

Clang特有的

就像GCC的许多特性一样,Clang支持__attribute__,而且添加了一些自己的小扩展。为了检查一个特殊属性的可用性,你可以使用__has_attribute指令。

availability

Clang引入了可用性属性,这个属性可以在声明中描述跟系统版本有关的生命周期。例如:

官方例子

- (CGSize)sizeWithFont:(UIFont *)font NS_DEPRECATED_IOS(2_0, 7_0, "Use -sizeWithAttributes:") __TVOS_PROHIBITED;

//来看一下 后边的宏
 #define NS_DEPRECATED_IOS(_iosIntro, _iosDep, ...) CF_DEPRECATED_IOS(_iosIntro, _iosDep, __VA_ARGS__)

define CF_DEPRECATED_IOS(_iosIntro, _iosDep, ...) __attribute__((availability(ios,introduced=_iosIntro,deprecated=_iosDep,message="" __VA_ARGS__)))

//宏展开以后如下
__attribute__((availability(ios,introduced=2_0,deprecated=7_0,message=""__VA_ARGS__)));
//ios即是iOS平台
//introduced 从哪个版本开始使用
//deprecated 从哪个版本开始弃用
//message    警告的消息

  • introduced: 声明被引入的第一个版本信息。
  • deprecated: 第一次不建议使用的版本,意味着使用者应该移除这个方法的使用。
  • obsoleted: 第一次被废弃的版本,意味着已经被移除,不能够使用了。
  • unavailable: 意味着这个平台不支持使用。
  • message: 当Clang发出一些关于废弃或不建议使用的警告时的文本。用于引导使用者不要使用改接口了。

支持的平台有:

  • ios: 苹果的iOS操作系统。最小部署目标平台版本是通过-mios-version-min=*version*或-miphoneos-version-min=*version*命令行指定的。
  • macosx: 苹果的OS X操作系统。最小部署目标平台版本是通过-mmacosx-version-min=*version*命令行指定的。
//如果经常用,建议定义成类似系统的宏
- (void)oldMethod:(NSString *)string __attribute__((availability(ios,introduced=2_0,deprecated=7_0,message="用 -newMethod: 这个方法替代 "))){
    NSLog(@"我是旧方法,不要调我");
}

- (void)newMethod:(NSString *)string{
    NSLog(@"我是新方法");
}

在swift中也有类似的用法

@available(iOS 6.0, *)
    public var minimumScaleFactor: CGFloat // default is 0.0

unavailable

告诉编译器该方法不可用,如果强行调用编译器会提示错误。比如某个类在构造的时候不想直接通过init来初始化,只能通过特定的初始化方法()比如单例,就可以将init方法标记为unavailable

//系统的宏,可以直接拿来用
 #define UNAVAILABLE_ATTRIBUTE __attribute__((unavailable))

 #define NS_UNAVAILABLE UNAVAILABLE_ATTRIBUTE
@interface Person : NSObject

@property(nonatomic,copy) NSString *name;

@property(nonatomic,assign) NSUInteger age;

- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;

- (instancetype)initWithName:(NSString *)name age:(NSUInteger)age;

@end

实际上unavailable后面可以跟参数,显示一些信息,如:

//系统的
 #define NS_AUTOMATED_REFCOUNT_UNAVAILABLE __attribute__((unavailable("not available in automatic reference counting mode")))

overloadable

Clang在C中提供对C++标准函数重载的支持。函数重载在C中是通过overloadable属性引入的。例如:你可以重载tgsin函数,写出sin函数在入参不同时的不同版本。用于c语言函数,可以定义若干个函数名相同,但参数不同的方法,调用时编译器会自动根据参数选择函数原型。

__attribute__((overloadable)) void print(NSString *string){
    NSLog(@"%@",string);
}

__attribute__((overloadable)) void print(int num){
    NSLog(@"%d",num);
}

__attribute__ 在iOS开发中的复杂应用

说了这么多重点来了,那么这些属性在iOS上有哪些奇妙的运用呢?有些比较简单的运用在介绍属性的时候就说了,这里主要讲一些比较复杂的运用。

Swift没有+load方法的替代带方案

static void __attribute__ ((constructor)) Initer() {
    Class class = NSClassFromString(@"AnnotationDemo.MyInitThingy");
    SEL selector = NSSelectorFromString(@"appWillLaunch:");

    NSNotificationCenter *center = [NSNotificationCenter defaultCenter];

    [center addObserver:class
               selector:selector
                   name:UIApplicationDidFinishLaunchingNotification
                 object:nil];
}

class MyInitThingy: NSObject {
    @objc static func appWillLaunch(_: Notification) {
        print("App Will Launch")
    }
}

BeeHive模块注册

模块注册有三种方式:Annotation方式注册、读取本地plist方式注册、Load方法注册。

首先把数据放在可执行文件的自定义数据段

// 通过BeeHiveMod宏进行Annotation标记

#ifndef BeehiveModSectName

#define BeehiveModSectName "BeehiveMods"

#endif

#ifndef BeehiveServiceSectName

#define BeehiveServiceSectName "BeehiveServices"

#endif


#define BeeHiveDATA(sectname) __attribute((used, section("__DATA,"#sectname" ")))


// 这里我们就把数据存在data数据段里面的"BeehiveMods"段中
#define BeeHiveMod(name) \
class BeeHive; char * k##name##_mod BeeHiveDATA(BeehiveMods) = ""#name"";


#define BeeHiveService(servicename,impl) \
class BeeHive; char * k##servicename##_service BeeHiveDATA(BeehiveServices) = "{ \""#servicename"\" : \""#impl"\"}";

@interface BHAnnotation : NSObject

@end


从Mach-O section中读取数据

SArray<NSString *>* BHReadConfiguration(char *sectionName,const struct mach_header *mhp);
static void dyld_callback(const struct mach_header *mhp, intptr_t vmaddr_slide)
{
    NSArray *mods = BHReadConfiguration(BeehiveModSectName, mhp);
    for (NSString *modName in mods) {
        Class cls;
        if (modName) {
            cls = NSClassFromString(modName);
            
            if (cls) {
                [[BHModuleManager sharedManager] registerDynamicModule:cls];
            }
        }
    }
    
    //register services
    NSArray<NSString *> *services = BHReadConfiguration(BeehiveServiceSectName,mhp);
    for (NSString *map in services) {
        NSData *jsonData =  [map dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
        NSError *error = nil;
        id json = [NSJSONSerialization JSONObjectWithData:jsonData options:0 error:&error];
        if (!error) {
            if ([json isKindOfClass:[NSDictionary class]] && [json allKeys].count) {
                
                NSString *protocol = [json allKeys][0];
                NSString *clsName  = [json allValues][0];
                
                if (protocol && clsName) {
                    [[BHServiceManager sharedManager] registerService:NSProtocolFromString(protocol) implClass:NSClassFromString(clsName)];
                }
                
            }
        }
    }
    
}
__attribute__((constructor))
void initProphet() {
    _dyld_register_func_for_add_image(dyld_callback);
}

NSArray<NSString *>* BHReadConfiguration(char *sectionName,const struct mach_header *mhp)
{
    NSMutableArray *configs = [NSMutableArray array];
    unsigned long size = 0;
#ifndef __LP64__
    uintptr_t *memory = (uintptr_t*)getsectiondata(mhp, SEG_DATA, sectionName, &size);
#else
    const struct mach_header_64 *mhp64 = (const struct mach_header_64 *)mhp;
    uintptr_t *memory = (uintptr_t*)getsectiondata(mhp64, SEG_DATA, sectionName, &size);
#endif
    
    unsigned long counter = size/sizeof(void*);
    for(int idx = 0; idx < counter; ++idx){
        char *string = (char*)memory[idx];
        NSString *str = [NSString stringWithUTF8String:string];
        if(!str)continue;
        
        BHLog(@"config = %@", str);
        if(str) [configs addObject:str];
    }
    
    return configs;

    
}

@implementation BHAnnotation

@end


__attribute__((constructor))就是保证在main之前读取所有注册信息。

使用

@BeeHiveMod(ShopModule)
@interface ShopModule() <BHModuleProtocol>

@end
@implementation ShopModule

延迟 premain code

把+load等main函数之前的代码移植到了main函数之后。是探一种延迟 premain code 的方法这篇文章提出的,我还没有尝试过。

原理是把函数地址放到QWLoadable段中,然后主程序在启动时获取QWLoadable的内容,并逐个调用。

库的地址 LoadableMacro

作者测试下来,100个函数地址的读取,在iPhone5的设备上读取不到1ms。新增了这不到1ms的耗时(这1ms也是可审计的),带来了所有启动阶段行为的可审计,以及最重要的Patch能力。

msgSend observe

这个来自于质量监控-卡顿检测 这篇文章
OC方法的调用最终转换成msgSend的调用执行,通过在函数前后插入自定义的函数调用,维护一个函数栈结构可以获取每一个OC方法的调用耗时,以此进行性能分析与优化:

#define save() \
__asm volatile ( \
    "stp x8, x9, [sp, #-16]!\n" \
    "stp x6, x7, [sp, #-16]!\n" \
    "stp x4, x5, [sp, #-16]!\n" \
    "stp x2, x3, [sp, #-16]!\n" \
    "stp x0, x1, [sp, #-16]!\n");

#define resume() \
__asm volatile ( \
    "ldp x0, x1, [sp], #16\n" \
    "ldp x2, x3, [sp], #16\n" \
    "ldp x4, x5, [sp], #16\n" \
    "ldp x6, x7, [sp], #16\n" \
    "ldp x8, x9, [sp], #16\n" );
    
#define call(b, value) \
    __asm volatile ("stp x8, x9, [sp, #-16]!\n"); \
    __asm volatile ("mov x12, %0\n" :: "r"(value)); \
    __asm volatile ("ldp x8, x9, [sp], #16\n"); \
    __asm volatile (#b " x12\n");


__attribute__((__naked__)) static void hook_Objc_msgSend() {

    save()
    __asm volatile ("mov x2, lr\n");
    __asm volatile ("mov x3, x4\n");
    
    call(blr, &push_msgSend)
    resume()
    call(blr, orig_objc_msgSend)
    
    save()
    call(blr, &pop_msgSend)
    
    __asm volatile ("mov lr, x0\n");
    resume()
    __asm volatile ("ret\n");
}

everettjf 同样封装了一个库FishhookObjcMsgSend

参考文章

探索 facebook iOS 客户端 - section FBInjectable
探一种延迟 premain code 的方法
探一种延迟 premain code 的方法
__attribute__
Specifying Attributes of Variables
gnu-c-attributes
BeeHive —— 一个优雅但还在完善中的解耦框架
Declaring Attributes of Functions
__attribute__ 总结
OC中的 __attribute__
Clang 拾遗之objc_designated_initializer
Macro
Clang Attributes 黑魔法小记
黑魔法__attribute__((cleanup))
质量监控-卡顿检测

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