神奇（淫邪？）的Darwin

作者: lukhnos

不要被標題騙了，以下純粹是技術性的文章。

昨天和gugod聊到，「怎麼寫個OpenVanilla變成這樣...」，gugod笑說，「... 變成各種程式技巧的練習」。我是那種因為有了Mac、因為OS X才真的認真學起UNIX上各種工具的人，尤其是UNIX上的程式設計。而因為OpenVanilla的關係，使得我們最近對Darwin，也就是OS X基底的作業系統，稍有多一點的瞭解。

例如前陣子我們才知道，Darwin雖然支援BSD-style的dlopen() 函式庫，也就是可以在runtime 把程式庫「掛」進來，做到plug-in 的效果，但是Darwin 的dlopen() 事情只做了一半。Mach-O （就是Darwin 上的binary executable format）所做出來的共用程式庫，預設的檔案附屬名是 .dylib （Linux 上則是 .so），一旦dlopen() 開啟了，就不能dlclose() ！意思是說應用程式如果載入了某個.dylib 的plug-in ，一旦載入了，就沒辦法「熱抽換」了。

為了這個問題，根據#opendarwin 頻道上的說法（Pogma, 也就是 Darwin dlopen() 函式的原作者），Apple 在2000-2001年時弄出了一個叫 "bundle" 的格式。Bundle 是可以卸載的shared library，基本上是Apple 對Mach-O 檔案格式做了很多dirty work搞出來的東西。

問題是...... 不管是 .dylib 還是 .bundle 也好，Darwin 的shared library (dynamically loadable binary executable 是比較精準的講法)，竟然沒有一個其他UNIX上都有的重要屬性：reference count! 意思是說，在Darwin 上，所有 run-time 時期載入的程式庫，都是系統準備一份拷貝，掛進應用程式的記憶體空間裡頭。如果是這樣，OS X上許多有外掛能力的應用程式（例如PhotoShop），吃RAM吃得兇也就不意外了......

另一個令人昏倒的事情是，雖然 .bundle 是可以卸載的（可以用 dlclose() 再重新用 dlopen() 重新載入或是抽換等等），但是...... 如果這個 .bundle 是用 Objecitve-C/Cocoa 寫成的，嘿嘿！對不起，這個 .bundle 一樣不能 dlclose()──只要應用程式把 Objective-C 寫成的 .bundle 拿去關，奪命彩球就立刻拼命地轉──然後就segmentation fault了。究其原因是，Objective-C 的runtime system 做了太多奇怪的事，使得一旦啟動了就不能關掉。Apple 自己也在Cocoa 的文件說了，「用Obj-C 寫成的Bundle 是不能動態關閉的」。

結果Apple 原先為了解決 .dylib 不能動態卸載的問題，搞了個神奇的 .bundle 格式。但是 .bundle 也只做了半套，沒有 reference counting。然後說是能卸載，結果自家最引以為傲的 Cocoa framework / Objective-C 不買帳，這...... 簡直是 much ado about nothing （幹了這麼多白工！）的事嘛。

最近的新發現是，Darwin 的 gcc ，預設的linker 選項是，只要 /usr/lib 裡有可動態載入 (shared library) 的版本，就一定不會載入靜態連結版的程式庫。Apple 為了這件事，甚至沒有提供 crt0.o ，意思是，你想要編一份強迫靜態連結標準C 程式庫的二進位執行檔，還得自己去弄一份 crt0.o 來！Apple 不提供 crt0.o 的理由寫在他們的官方文件裡。

另一個發現是，Darwin 的gcc 有一套非常神奇（用Autrijus 的講法叫「淫邪」）的選項，叫 ZeroLink ，據Apple 的說法是，這是為了加快開發時期的linking 速度所提供的功能。簡單地說，就是把所有原來在連結時期要查的表、要核對、繫結的函式及資料符號，全部通通延後到執行時間再用「懶人」(lazy) 的模式去連結──所有的 .o , .dylib, .a 都一樣！根據Apple 的文件，ZeroLink 編出來的程式只能在開發時期使用，因為執行檔內寫死了所有先前連結 .o 檔的絕對位置。

要知道 ZeroLink 到底有多大的差別（或者有多「懶」），簡單寫一個 C++ 版的 "hello, world" 就知道了。Darwin 很奇怪地竟然沒有 libstdc++ 的動態版本（libc 卻有）。以至於任何使用了 iostream (例如 cout << "foobar") 的程式，執行檔的基本消費都有 600K 以上。一旦用上 ZeroLink，執行檔瞬間縮小到 9K !

我在OS X 之前從來不瞭解UNIX 程式設計的細節。很意外（也很好笑）的是，當初本來買Mac 是為了再也不想管那些有的沒的系統細節的我，反而因為OS X才真的覺得UNIX可親，而寫程式還是有樂趣可言。結果反而花了更多時間在這些「有的沒的」的事情上。只是我到現在還是遜腳一枚。

最後一提，打 "man gcc"，就會看到一大堆 Apple/Darwin 專用的gcc 選項（例如 gcc -fast 可以編出 PPC G5 專用的執行檔），好像也真的只能用「奇技淫巧」來形容Apple 對Darwin 所做的各種量身打造工夫了。