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云音乐 Swift 混编 Module 化实践 - 宋明的博客
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<h1 class="title">
云音乐 Swift 混编 Module 化实践
</h1>
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<div class="content">
<p style="line-height: 30px; font-size: 12px;">
<a href="http://apolla.cc">宋明</a>
<span style="color: #ccc;">|</span>
<span class="date"><i class="fa fa-calendar-check-o" aria-hidden="true"></i> 2023/03/18</span>
<span class="tran-posted-in">posted in</span>
<span class="posted-in"><a href='%E7%A2%8E%E7%89%87%E8%8A%9D%E5%A3%AB%E6%94%B6%E8%97%8F.html'><i class="fa fa-folder" aria-hidden="true"></i> 碎片芝士收藏</a></span>
</p>
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<article class="markdown-body single-content">
<h2><a id="%E8%83%8C%E6%99%AF" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>背景</h2>
<p>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：<br />
<img src="media/16791162887737/16791164287226.png" alt="image.png" /><br />
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。<br />
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。<br />
<img src="media/16791162887737/16791164287244.png" alt="image.png" /><br />
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。</p>
<h2><a id="%E4%BB%80%E4%B9%88%E6%98%AFmodules" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>什么是 Modules</h2>
<p>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。<br />
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。</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">AFramework.framework
├─ Headers
├─ Info.plist
├─ Modules
│ └─ module.modulemap
└─ AFramework
</code></pre>
<p>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。<br />
<img src="media/16791162887737/16791164287259.png" alt="image.png" /><br />
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。</p>
<h2><a id="%E5%A6%82%E4%BD%95%E5%BC%80%E5%90%AFmodules" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>如何开启 Modules</h2>
<p>Xcode Project Target 支持在 「Building Settings -> Defines Module」设置 Module 开关。<br />
如果使用 CocoaPods 组件集成，支持如下几种方式进行 Module 化：</p>
<ol>
<li>在 Podfile 添加 use_modular_headers! 为所有 pod 开启 Module；</li>
<li>在 Podfile 为每个 pod 单独设置 :modular_headers => true；</li>
<li>在 pod 的 podspec 文件中设置 s.pod_target_xcconfig = { 'DEFINES_MODULE' => 'YES' }；</li>
<li>在 Podfile 使用 use_frameworks! :linkage => :static。</li>
</ol>
<p>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。</p>
<h2><a id="module%E5%8C%96%E7%8E%B0%E7%8A%B6%E5%88%86%E6%9E%90" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>Module 化现状分析</h2>
<p>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。<br />
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。<br />
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：</p>
<ol>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol>
<h2><a id="module%E5%8C%96%E6%96%B9%E6%A1%88" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>Module 化方案</h2>
<p>目前云音乐的二进制组件主要分为三种类型：</p>
<ul>
<li>Module Framework</li>
<li>非 Module Framework</li>
<li>.a 静态库</li>
</ul>
<p>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。<br />
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。<br />
<img src="media/16791162887737/16791164287279.png" alt="image.png" /><br />
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。<br />
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。</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">// NMSetting.framework/Modules/NMSetting.modulemap
framework module NMSetting {
umbrella header "NMSetting-umbrella.h"
export *
module * { export * }
}
</code></pre>
<p>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。<br />
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：</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">Could not build moudle 'xxx'.
</code></pre>
<p>对于未知的 Module 编译问题，只能拉对应的源码针对性的解决。<br />
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。</p>
<h2><a id="module%E5%8C%96%E9%97%AE%E9%A2%98" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>Module 化问题</h2>
<h3><a id="%E5%AE%8F%E5%AE%9A%E4%B9%89%E6%89%BE%E4%B8%8D%E5%88%B0" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>宏定义找不到</h3>
<p>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。<br />
例如：</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">#define MAX_RESOLUTION 1268
#define HALF_RESOLUTION (MAX_RESOLUTION / 2)
</code></pre>
<p>转换为：</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">let MAX_RESOLUTION = 1268
let IS_HIGH_RES = 634
</code></pre>
<p>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。</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">// Constant.h
#define PIC_SIZE CGSizeMake(60, 60)
+ (CGSize)picSize;
// Constant.m
+ (CGSize)picSize {
return PIC_SIZE;
}
</code></pre>
<p>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。<br />
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。</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">// 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")
</code></pre>
<p>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。<br />
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。<br />
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。</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">// 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;
}
</code></pre>
<p>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。<br />
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。<br />
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：</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">framework module FrameworkName {
umbrella header "FrameworkName-umbrella.h"
export *
module * { export * }
}
</code></pre>
<p>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。</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">framework module FrameworkName {
umbrella header "FrameworkName-umbrella.h"
textual header "ItemList.h"
export *
module * { export * }
}
</code></pre>
<p>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，。</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">s.module_map = "#{s.name}.modulemap"
</code></pre>
<p>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。<br />
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。</p>
<h3><a id="%E5%A4%B4%E6%96%87%E4%BB%B6%E7%BC%BA%E5%A4%B1" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>头文件缺失</h3>
<p>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。<br />
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。<br />
看个具体的例子：</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">// <B/NMEventModel.h>
#import <UIKit/UIKit.h>
@interface NMEventModel : NSObject
@property (nullable, nonatomic, strong) NMEvent *event;
@end
</code></pre>
<p>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。<br />
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。</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-swift">// C/Header.h
#import <A/NMEvent.h>
#import <B/NMEventModel.h>
</code></pre>
<p>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。<br />
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。<br />
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。<br />
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。<br />
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。</p>
<h3><a id="a%E9%9D%99%E6%80%81%E5%BA%93" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>.a 静态库</h3>
<p>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。<br />
.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。<br />
主要有两种方案：<br />
第一种，在 .a 文件目录注入一个空的 .swift 文件，并在 podspec 指定 source_files 和 swift_version，pod install 时 Cocopods 会自动生成对应的 modulemap 文件。<br />
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。<br />
方案二的成本相对较低，最终我们采用了方案二。</p>
<h2><a id="%E6%80%BB%E7%BB%93" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>总结</h2>
<p>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。<br />
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。</p>
<h2><a id="%E8%A7%84%E5%88%92%E5%B1%95%E6%9C%9B" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>规划展望</h2>
<p><strong>Module 组件防劣化。</strong> 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。<br />
<strong>Objective-C 接口兼容性改造。</strong> 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。<br />
<strong>规范化头文件引用。</strong> 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。<br />
<em>参考资料：</em><br />
<a href="https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fclang.llvm.org%2Fdocs%2FModules.html%23id12">clang.llvm.org/docs/Module…</a><br />
<a href="https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fllvm.org%2Fdevmtg%2F2012-11%2FGregor-Modules.pdf">llvm.org/devmtg/2012…</a><br />
<a href="https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fdeveloper.apple.com%2Fdocumentation%2Fswift%2Fusing-imported-c-macros-in-swift">developer.apple.com/documentati…</a><br />
<a href="https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fdeveloper.apple.com%2Fdocumentation%2Fswift%2Fimporting-objective-c-into-swift">developer.apple.com/documentati…</a><br />
<a href="https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Ftech.meituan.com%2F2021%2F02%2F25%2Fswift-objective-c.html">tech.meituan.com/2021/02/25/…</a></p>
<p>作者：网易云音乐技术团队<br />
链接：<a href="https://juejin.cn/post/7207269389474037817">https://juejin.cn/post/7207269389474037817</a><br />
来源：稀土掘金<br />
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。</p>
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