动态库的使用

前言

说到动态库，就不得不提静态库。静态库可以看做是一个具有特定功能的代码块，如果app中引用了静态库，则在编译时会将静态库直接复制到app的可执行文件（也就是mach-o）中。
使用静态库会导致mach-o文件过大，而mach-o文件直接影响app的启动时间和执行时占用的内存大小。

为了减少mach-o文件的大小，需要用到动态库。当app中引用了动态库时，动态库并不会被复制到app的mach-o文件中，只有当动态库真正被用到时，才会去加载（加载到内存中）和链接（动态库可能引用了其他库）动态库，可能是在app启动时或者是运行时。

目录

1.动态库和静态库的区别

2.创建动态库

3.使用动态库
    3.1. 添加为依赖库-启动时加载
    3.2. 运行时加载

4.注入动态库

5.yololib

1. 动态库和静态库的区别

静态库的后缀名是以.a结尾，动态库的后缀名可以是.dylib或.framework结尾，所有的系统库都属于动态库，在iOS中一般使用framework作为动态库。

下面是apple官方的两张图，表示app启动后内存的使用情况，很形象的说明了静态库和动态库的区别

使用静态库的app

使用动态库的app

在使用static linker链接app时，静态库会被完整的加载到app的mach-o文件（上图中的Application file）中，作为mach-o文件的一部分，而动态库不会被添加到mach-o文件中，这可以有效减少mach-o文件的大小。
如果app将动态库作为它的依赖库，则在mach-o文件中会添加了一个动态库的引用；如果app在运行时动态加载动态库，则在mach-o文件中不会添加动态库的引用。

在使用app时，静态库和动态库都会被加载到内存中。当多个app使用同一个库时，如果这个库是动态库，由于动态库是可以被多个app的进程共用的，所以在内存中只会存在一份；如果是静态库，由于每个app的mach-o文件中都会存在一份，则会存在多份。相对静态库，使用动态库可以减少app占用的内存大小。

另外，使用动态库可以缩短app的启动时间。原因是，使用动态库时，app的mach-o文件都会比较小；app依赖的动态库可能已经存在于内存中了（其他已启动的app也依赖了这个动态库），所以不需要重复加载。

2. 创建动态库

上文提到过，动态库一般有两种，分别以.framework和.dylib后缀结尾，通常把它们叫做Framework和Shared Library。Framework本质上是由Shared Library加上头文件header和其他资源文件打包得来的。

下面以创建LibPersonFramework为例

1.创建一个新工程，选择iOS -> Cocoa Touch Framework

2.实现framework，并指定对外的头文件

定义头文件LibPerson.h

#import 
@interface LibPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name ;
- (void)watch;
- (void)eat;
@end

指定LibPersonFramework.h和LibPerson.h为对外的头文件

指定framework的架构模式，这里选择了Generic iOS Device机型，然后build一下，就会创建一个通用mach-o文件，包含了arm64和arm_v7两种架构。如果选择了模拟器，会创建一个x86_64架构的mach-o文件。

需要注意的是，App和它依赖的framework的架构必须兼容，也就是说，在创建可执行文件时，要么都是真机，要么都是模拟器。当然，也可以分别在真机和模拟器两种模式下创建framwork，然后使用lipo命令来将两个framework内部的同名mach-o文件合并成一个通用mach-o文件，这样，不管App是什么架构模式，都能正确使用这个framework了。

3. 使用动态库

使用动态库有两种方式，一种是将动态库添加为依赖库，这样会在工程启动时加载动态库，一种是使用dlopen在运行时加载动态库，这两种方式的区别在于加载动态库的时机。

在iOS中一般使用第一种方法，第二种方式一般在mac开发中使用，如果在iOS中使用了这种方式，是不能上架到App Store的。

3.1. 添加为依赖库-启动时加载

创建一个新的工程DylibDemo，并引入LibPersonFramework.framework，在main.m文件中调用这个framework中的方法

这个时候，app工程已经对LibPersonFramework.framework产生了依赖，对于系统framework，到这一步就可以了，因为系统framework已经被预先安装在iphone上了。对于自定义的framework，还需要通过下面一步来将framework复制到app的安装包中。

最后运行一下，调用成功！

2018-06-04 16:32:09.076551+0800 DylibDemo[1790:700462] wang is watching TV!
2018-06-04 16:32:09.078597+0800 DylibDemo[1790:700462] wang is eating!

3.2. 运行时加载

在运行时加载动态库，是指不需要在工程中引入动态库，作为替代，在代码中使用dlopen()这个函数来加载动态库，在调用完成之后，需要调用相同次数的dlclose()函数来关闭动态库。
除了dlopen()和dlclose()以外，另外还有一个dlsym()函数来根据传入的symbol获取对应数据或函数的地址。在本例中，会使用runtime机制来代替dlsym()函数。（dlsym()一般是在c或c++中使用）

1.创建新工程DylibDemo-Runtime，添加被调用库的头文件LibPerson.h（这里不需要添加LibPersonFramework.framework）

2.在main.h文件中加载和调用LibPersonFramework.framework

void loadWhenRunTime(){
   
    // Open the library.
    NSString *bundlePath = [[NSBundle mainBundle]pathForResource:@"LibPersonFramework" ofType:nil];
    void* lib_handle = dlopen([bundlePath UTF8String], RTLD_LOCAL);
   
    if (!lib_handle) {
        
        NSLog(@"[%s] main: Unable to open library: %s/n",
              
              __FILE__, dlerror());
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
   
    Class class_person = objc_getClass("LibPerson");
    LibPerson *person = [class_person new];
    person.name = @"wang";
    [person watch];
    [person eat];

    // Close the library.
    if (dlclose(lib_handle) != 0) {
       
        NSLog(@"[%s] Unable to close library: %s/n",
              __FILE__, dlerror());
        exit(EXIT_FAILURE);
       
    }
}

dlopen()函数需要传入两个参数path和mode，path表示动态库的mach-o文件的路径，mode中可以包含多个标识符，比如RTLD_LAZY和RTLD_NOW表示动态库中的symbol什么时候被加载，RTLD_GLOBAL和RTLD_LOCAL表示symbol的可见性。（详情可通过终端命令man dlopen查看）

上述代码中，path指定动态库是在生成的app包中，文件名为LibPersonFramework；mode的值是RTLD_LOCAL，表示在使用dlsym()函数时，只能通过dlopen()函数返回的handle来获取传入的symbol的地址，由于在例中并不会使用dlsym()函数，所以大可不必关注这个值。

另外，在上述代码中还有一点需要注意的，在创建LibPerson类的对象时，不能直接使用LibPerson *person = [LibPerson new]，如果这样做，程序会报如下编译错误：

Undefined symbols for architecture arm64:
  "_OBJC_CLASS_$_LibPerson", referenced from:
      objc-class-ref in main.o
ld: symbol(s) not found for architecture arm64

这是因为在编译时，如果调用了[LibPerson new]，编译器会去验证app的mach-o文件以及它依赖的动态库的mach-o文件中是否有这个类的定义。
由于在编译时，程序还没有加载动态库LibPersonFramework，而程序只包含了LIbPerson类的头文件，并没有它对应的.m文件（编译器只会将.m文件编译到最终的mach-o文件中），所以编译器在app的mach-o文件以及它依赖的动态库中找不到LibPerson类的定义，然后编译器就报错了。

从上述代码可以看出，在创建LibPerson类的对象时，程序中其实已经加载了LibPersonFramework，也就是说，在那个时候程序中已经有这个类的定义了。所以，上述代码中使用了下列代码来”欺骗“编译器。

 Class class_person = objc_getClass("LibPerson");
  LibPerson *person = [class_person new];

3. 添加动态库LibPersonFramework文件

首先build一下，生成app的包文件

这个时候可能会报编译错误，说找不到LibPersonFramework，所以接下来就需要添加LibPersonFramework。
在之前创建的LibPersonFramework.framework中，找到动态库LibPersonFramework

找到app的包文件，鼠标右键点击显示包内容，然后将这个LibPersonFramework文件复制到这里

4. 给动态库重签名

这个时候运行一下，dlopen()函数会报错，它不能加载LibPersonFramework，这个是签名出错了。虽然生成framework和运行app使用的是同一个证书，但是这里使用的并不是整个framework，所以这里需要使用codesign强制重签名一下。

添加一个脚本

/usr/bin/codesign --force --sign "$EXPANDED_CODE_SIGN_IDENTITY" "$BUILT_PRODUCTS_DIR/$TARGET_NAME.app/LibPersonFramework"

到这里就做完了，运行一下，应该是成功的！

4. 注入动态库

注入动态库是指，给一个现有的mach-o添加一个动态库，这样可以在一个现有的app中执行动态库的代码。在给现有app注入动态库时，这个动态库只能作为一个依赖库被注入，这是因为在注入之前，不能在现有app中执行代码，所以也就不能使用dlopen()函数来加载动态库了。

首先，观察一下，当一个app添加了一个依赖库之后，会有哪些变化。在上文中，DylibDemo添加了一个依赖库LibPersonFramework.framework，下面就以这个项目作为例子。

1. 项目生成的app包中增加了Frameworks文件，如果是系统动态库，则不会被添加到app包中。

   
   

2.mach-o文件中增加了一条Load Commands数据，这条记录表示了app对指定的动态库的依赖。

使用MachOView打开app包中的mach-o文件

在app启动时，会自动根据Load Commands指定的路径去加载动态库，所以必须保证路径下存在对应的动态库。

下面举个例子

新建一个动态库LibInjectFramework，下面会将这个动态库注入到一个现有app中，如果注入成功，则图中的+[load]方法会被执行。

新建一个项目DylibDemo-Inject，这个项目什么代码都没有，只是一个空项目，下面需要将动态库LibInjectFramework注入到这个项目中。

1.将动态库LibInjectFramework复制到这个项目的app包中

2.添加动态库依赖

这一步需要修改被注入app的mach-o文件，这里使用yololib来完成。将yololib下载后，然后编译，将生产的命令复制到/usr/local/bin或$PATH中的其他路径，这样就可以在终端使用这个命令了。
yololib需要两个参数，第一个参数指定被修改的mach-o文件的路径，第二个参数指定动态库的路径。

在项目中，添加两个脚本命令，分别用来重签名动态库和修改mach-o文件

/usr/bin/codesign --force --sign "$EXPANDED_CODE_SIGN_IDENTITY" "$BUILT_PRODUCTS_DIR/$TARGET_NAME.app/Frameworks/LibInjectFramework"
yololib "$BUILT_PRODUCTS_DIR/$TARGET_NAME.app/$TARGET_NAME" "Frameworks/LibInjectFramework"

执行，控制台应该会输出下面这句

Inject success

需要注意的是，这个项目只有在第一次运行时会成功，因为多次运行，会在mach-o文件中增加多个相同的Load Command。解决方法是保存一个原始的mach-o文件，然后每次运行前替换。

5. yololib

在使用yololib去添加动态库依赖时，会修改mach-o文件的两个地方

1.修改mach-o文件的头文件

mach header的定义

struct mach_header_64 {
    uint32_t    magic;      /* mach magic number identifier */
    cpu_type_t  cputype;    /* cpu specifier */
    cpu_subtype_t   cpusubtype; /* machine specifier */
    uint32_t    filetype;   /* type of file */
    uint32_t    ncmds;      /* number of load commands */
    uint32_t    sizeofcmds; /* the size of all the load commands */
    uint32_t    flags;      /* flags */
    uint32_t    reserved;   /* reserved */
};

由于增加了一条Load Command，所以需要修改的是ncmds和sizeofcmds这两个字段，它们分别表示Load Command的总数目和总大小。

2.添加一个dylib_command结构体

动态库的信息是以dylib_command结构体的形式被存储，dylib_command的定义

struct dylib_command {
    uint32_t    cmd;        /* LC_ID_DYLIB, LC_LOAD_{,WEAK_}DYLIB,
                       LC_REEXPORT_DYLIB */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes pathname string */
    struct dylib    dylib;      /* the library identification */
};

struct dylib {
    union lc_str  name;         /* library's path name */
    uint32_t timestamp;         /* library's build time stamp */
    uint32_t current_version;       /* library's current version number */
    uint32_t compatibility_version; /* library's compatibility vers number*/
};

创建一个dylib_command结构体，并添加到所有Load Command之后，

fseek(newFile, sizeofcmds, SEEK_CUR);
        
        struct dylib_command dyld;
        fread(&dyld, sizeof(struct dylib_command), 1, newFile);
        
        NSLog(@"Attaching dylib../n/n");
        
        dyld.cmd = LC_LOAD_DYLIB;
        //cmd的大小是dylib_command结构体的大小加上path的大小。
        dyld.cmdsize = (uint32_t) dylib_size;
        dyld.dylib.compatibility_version = DYLIB_COMPATIBILITY_VERSION;
        dyld.dylib.current_version = DYLIB_CURRENT_VER;
        dyld.dylib.timestamp = 2;
        //指定从哪里开始是name
        dyld.dylib.name.offset = sizeof(struct dylib_command);
        fseek(newFile, -sizeof(struct dylib_command), SEEK_CUR);
        fwrite(&dyld, sizeof(struct dylib_command), 1, newFile);

紧跟着被添加的Load_Command，添加动态库的path字符串。

fwrite([data bytes], [data length], 1, newFile);

在添加新的Load_Command时，是直接使用新数据来覆盖就数据的，因为Load_Command和Section之间还预留了一部分空间，所以直接覆盖不会影响Section的数据。

作者：wangzzzzz
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