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云音乐 Swift 混编 Module 化实践

武飞扬头像
掘金
帮助52

背景

云音乐 iOS App 经历多年的迭代,积累了大量的 Objective-C(以下简称 OC) 代码,目前已经完成主工程壳化,各层组件关系如下:

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组件化后混编的场景主要集中在 Framework 内混编和 Framework 之间混编,Framework 内的混编成本较低,重头主要在 Framework 间的混编。

在云音乐中集成的创新业务,因为依赖的历史基础库较少,已经投入使用 Swift。主站业务迟迟没有投入,主要原因是涉及到大量的 OC 业务基础库和公共基础库不支持 Swift 混编,OC 组件库参与混编的前提是要完成 Module 化。

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以上是我们实现混编计划的几个阶段,本文主要介绍在支持云音乐 Swift 混编过程中,Module 化阶段的分析与实践。

什么是 Modules

早在 2012 苹果就提出了 Modules 的概念(比 Swift 发布还要早),Module 是组件的抽象描述,包含组件接口以及实现。它的核心目的是为了解决 C 系语言的扩展性和稳定性问题。

Cocoa 框架很早就支持了 Module,并且前向兼容,正因为它的兼容性,纯 Objective-C 开发对它的感知可能不强。

AFramework.framework
├─ Headers
├─ Info.plist
├─ Modules
│    └─ module.modulemap
└─ AFramework

Module 化的 OC 二进制 Framework 组件,在 Modules 目录下存在一个 .modulemap 格式的文件,它描述了组件对外暴露的能力。当引用的组件包含 modulemap,Clang 编译器会从中查找头文件,进行 Module 编译,并将编译结果缓存。

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Clang 编译器要求 Swift 引用的 Objective-C 组件必须支持 Module 特性。我们把 OC 组件支持 Module 的过程,称为 Module 化。

如何开启 Modules

Xcode Project Target 支持在 「Building Settings -> Defines Module」设置 Module 开关。

如果使用 CocoaPods 组件集成,支持如下几种方式进行 Module 化:

  1. 在 Podfile 添加 use_modular_headers! 为所有 pod 开启 Module;
  2. 在 Podfile 为每个 pod 单独设置 :modular_headers => true
  3. 在 pod 的 podspec 文件中设置 s.pod_target_xcconfig = { 'DEFINES_MODULE' => 'YES' }
  4. 在 Podfile 使用 use_frameworks! :linkage => :static

前三种方式在编译产物是 .a 静态库时生效,如果使用了 use_framework!,源码编译产物是 Framework,默认就会包含 modulemap。

Module 化现状分析

云音乐工程使用 CocoaPods 集成依赖库,几乎所有库已经完成 Framework 静态化,而大部分静态库都是在未打开 Module 下的编译产物。

那么要让 OC 静态库支持 Module,直观的方案是,直接打开 Module 化开关,重新构建 Framework 静态库,让产物包含 modulemap。

然而直接打开开关,组件大概率会编译失败。原因主要有两点:

  1. 组件的 Module 具有依赖传递性,当前组件打开 Module 编译,要求它所有的依赖库,都已经完成 Module 化。在云音乐庞大的组件体系里面,即使理清其中的依赖关系,用自动化的方式自下而上构建,成功的可能性也极低。
  2. 历史代码存在不少引用方式不规范,宏定义「奇淫技巧」,以及 PCH 隐式依赖等问题,这些问题导致组件库本身无法正常 Module 编译。

Module 化方案

目前云音乐的二进制组件主要分为三种类型:

  • Module Framework
  • 非 Module Framework
  • .a 静态库

Module Framework 是在 Defines Module 打开时的编译产物,这种类型没有改造成本,只需要在 CI 阶段,将不同架构的 Framework 封装成 XCFramework 压缩并上传到服务器。

对于非 Module Framework 我们尝试了一种成本比较低的方案,在组件库 Module 关闭的条件下,先将其编译成静态库,再用脚本自动化生成对应的 modulemap 文件,放到 Famework/Modules 目录。

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主动塞 modulemap 的方案之所以可行和 Clang Module 的编译原理有关。当使用 #import <NMSetting/NMAppSetting.h> 引用依赖时, Clang 首先会去 NMSetting.framework 的 Header 目录下查找对应的头文件是否存在,然后在 Modules 目录下查找 modulemap 文件。

modulemap 中包含的 umbrella header 对应的是组件公开头文件的集合。如果引用的头文件能找到,Clang 就会使用 Module 编译。

// NMSetting.framework/Modules/NMSetting.modulemap

framework module NMSetting {
  umbrella header "NMSetting-umbrella.h"

  export *
  module * { export * }
}

Clang 并不关心 modulemap 来源,只会按照固定的路径去查找它是否存在。所以采用主动添加 modulemap 的方式,能达到「欺骗」编译器的目的。

这种方式的好处是,只要当前组件被引用时能正常 Module 编译即可,不需要考虑它依赖组件的 Module 编译是否有问题。缺点是不彻底,假设静态库组件公开头文件,存在不符合 Module 规范的情况,即使有 modulemap,编译时依然会抛出错误:

Could not build moudle 'xxx'.

对于未知的 Module 编译问题,只能拉对应的源码针对性的解决。

以下是我们遇到的一些比较典型的 Module 问题,以及对应的解决思路。

Module 化问题

宏定义找不到

在使用 OC 开发时,习惯于在 .h 文件定义一些宏,方便外部访问,然而 Swift 不支持定义宏,在引用 OC 的宏定义时,会将其转为全局常量。不过转换能力比较有限,仅支持基本的字面量值,以及基本运算符表达式。

例如:

#define MAX_RESOLUTION 1268
#define HALF_RESOLUTION (MAX_RESOLUTION / 2)

转换为:

let MAX_RESOLUTION = 1268
let IS_HIGH_RES = 634

宏定义的内容如果包含 OC 的语法实现,那么这个宏对 Swift 是不可见的。如果要支持 Swift 访问,需要对宏进行包装。

// Constant.h
#define PIC_SIZE CGSizeMake(60, 60)

  (CGSize)picSize;

// Constant.m
  (CGSize)picSize {
    return PIC_SIZE;
}

以上的宏问题还算比较直观,在云音乐组件中,还存在一些使用 #include 预处理指令,来使用宏的场景。

C 系语言传统的 #include 引用是基于文本替换的方式实现的,利用这个特性能够屏蔽宏的实现细节。

// A.h
#define NM_DEFINES_KEY(key, des) FOUNDATION_EXTERN NSString *const key;
#include "ItemList.h"
#undef C

// ItemList.h
NM_DEFINES_KEY(AKey, @"a key")
NM_DEFINES_KEY(BKey, @"b key")

在非 Clang Module 下编译,上述代码能够正常工作,然而在打开 Module 之后,宏定义 NM_DEFINES_KEY 就找不到了。

这是因为 Module 编译时,#include 不再是简单的文本替换模式,而是与 module 建立链接关系。

下面是一个开启 Module 编译的例子,main.m 文件的预处理结果,共只有几行代码。

// main.m preprocess result.

#pragma clang module import UIKit /* clang -E: implicit import for #import <UIKit/UIKit.h> */

# 10 "/Users/jxf/Documents/Workspace/Demo/ModuleDemo/ModuleDemo/main.m" 2

int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
}

如果未开启 Module,UIKit 的所有头文件都会被复制进来,代码量将达到数万行。

正因为这种差异,Module 编译时 #include "ItemList.h" 不会将内容复制到 A.h 文件,就会导致无法访问到它的宏定义。

Module 提供了相应的解决方案,就是自定义 modulemap。前面已经介绍,默认情况下 modulemap 的格式为:

framework module FrameworkName {
  umbrella header "FrameworkName-umbrella.h"

  export *
  module * { export * }
}

FrameworkName-umbrella.h 包含当前组件对外暴露的所有头文件,该文件会在使用 CocoaPods 集成时同步生成。我们可以使用 textual header 关键声明头文件,这样该头文件在被导入时,会降级为文本替换的形式。

framework module FrameworkName {
  umbrella header "FrameworkName-umbrella.h"
  textual header "ItemList.h"

  export *
  module * { export * }
}

自定义 modulemap 还有一些额外的配置,需要自己生成组件公开的头文件集合 umbrella.h,并在 podspec 指定该 modulemap,。

s.module_map = "#{s.name}.modulemap"

在我们 CI 打包流程中,如果检测到组件自定义了 modulemap 就会使用自定义的文件,不再自动塞入模版化的 modulemap。

如果 ItemList.h 不需要对外暴露,还有一种更简单的方案,直接在 podspec 将其声明为私有,这样在静态库 Headers 目录下就不会导出,也就不会出现 Module 编译问题。

头文件缺失

云音乐业务基础库默认会使用 PCH(Precompiled Headers) 文件,它的好处主要有两点,一是能一定程度上提高编译效率,二是为当前组件库提供统一外部依赖,这种依赖关系是隐式的,PCH 已经添加的依赖,组件内使用时不需要再手动 import。

这种方式确实能提供便利性,随着业务的快速迭代,大家也都适应了不引头文件的习惯,然而依靠隐式依赖关系,为 Module 编译留下了隐患。

看个具体的例子:

// <B/NMEventModel.h>

#import <UIKit/UIKit.h>

@interface NMEventModel : NSObject
@property (nullable, nonatomic, strong) NMEvent *event;
@end

B 组件中的 NMEventModel 引用了 NMEvent,它来自另一个组件库 A,A 已经在 B.pch 中 import,所以在 B 组件源码编译时能通过隐式依赖找到 NMEvent

当 C 组件同时引用 A 组件和 B 组件的静态库时,因为 B 组件静态化后已经没有 PCH,正常来说访问 NMEventModel.h 应该编译报找不到 NMEvent 才对,而实际上在非 Module 编译时是不会有问题的。

// C/Header.h

#import <A/NMEvent.h>
#import <B/NMEventModel.h>

这是因为在非 Module 环境下 #import <A/NMEvent.h> 会把 NMEvent 的定义复制到当前文件,为 NMEventModel.h 编译提供了上下文环境。

然而当开启 Module 编译时,会报 B 组件是非 Module 的错误(Module 依赖传递性),错误原因是 NMEventModel.h 头文件找不到NMEvent类。

其实还是前面介绍的 Clang Module import 机制改变的原因,开启 Module 后,会使用独立的上下文编译 B 组件的 NMEventModel.h,缺少了NMEvent上下文。

要解决该场景下的问题,比较粗暴的方式是,在 Module 编译上下文中注入它的 PCH 依赖。但是对于二进制组件来说,它已经没有 PCH 了,如果显式地暴露 PCH,仅仅是为了头文件的 Module 编译,会导致依赖关系进一步恶化。

我们对这种情况做了针对性的治理,补充缺失的头文件依赖,历史库解决完一波后,默认都开启 Module 编译,如果开发过程中,使用不当编译器会及时反馈。对于新组件库增加 PCH 卡口限制。

.a 静态库

Module 化的关键是需要有 modulemap 文件,而历史的二方、三方库,有些是.a的静态库。

.a 文件只是可执行文件的集合,不包含资源文件,针对这种情况需要使用 Framework 进行二次封装。

主要有两种方案:

第一种,在 .a 文件目录注入一个空的 .swift 文件,并在 podspec 指定 source_filesswift_version,pod install 时 Cocopods 会自动生成对应的 modulemap 文件。

第二种,采用 CocoaPods 插件,在 pre_install 阶段,设置pod_target.should_build,让 CocoPods 自动生成 modulemap。

方案二的成本相对较低,最终我们采用了方案二。

总结

Objective-C 组件库 Module 化是支持 Swift 混编的基础,Module 化的核心是提供 modulemap 文件,要生成 modulemap,组件需打开 Module 编译,这个过程中可能会遇到各种未知问题。

云音乐在治理过程中遇到的问题相对比较收敛,主要集中在 Module 编译方式的变化,导致一些上下文信息丢失,一部分问题能够通过自动化的方案解决,而有些问题仍然需要进行人工验证。

规划展望

Module 组件防劣化。 在 Module 化完成后,需防止再次劣化,我们在本地源码开发阶段开启 Module,尽可能早的暴露问题。针对 PCH 禁止公开的头文件对它隐式依赖,并限制新组件使用 PCH。

Objective-C 接口兼容性改造。 OC 接口转成 Swift 可能会存在一些安全性和易用性问题,甚至有些 API 无法实现自动桥接,都需要进行改造。

规范化头文件引用。 头文件不规范问题,导致 Module 编译失效,也是比较常见的例子。通过在 CI 阶段对新增代码的头文件引用方式进行校验,避免不规范的代码合入。

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