百度App Objective-C/Swift 组件化混编之路 - 实践篇

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概述

前文[《百度App Objective-C/Swift 组件化混编之路（二）- 工程化》] 已经介绍了百度App 组件内 Objective-C/Swift 混编、单测、以及组件间依赖、二进制发布、集成的工程化过程。下面重点介绍百度App 组件化 Objective-C/Swift 组件化混编改造实践，希望能对大家有所启发和帮助。

组件化混编改造

百度App 经过组件化和二进制化改造后，组件的编译产物主要是 static_framework (.framework) 和 static_library(.a)两种类型，因此百度App 混编主要是围绕 static_framework 和 static_library 进行。

Swift 5.0 ABI(Application Binary Interface)稳定后，操作系统统一了 ABI 标准，编译出的二进制产物能在不同的 runtime 下运行。但 ABI 稳定是使用二进制发布框架(binary frameworks)的必要非充分条件。随后的 Swift 5.1 又推出了 Module Stability 特性，使不同版本的 Swift 编译器生成的二进制可以在同一个应用程序中使用，这才扫除二进制广泛高效使用的障碍。

丨1 static_library 的问题

在 Xcode 中， static_framework 的 Build Settings 设置 BUILD_LIBRARY_FOR_DISTRIBUTION（见图1）为 YES，就开启了 Module Stability。

图1

而在 static_library 中， BUILD_LIBRARY_FOR_DISTRIBUTION 设置为 YES 后编译组件，会产生using bridging headers with module interfaces is unsupported 错误。可见 bridging header 与 Swift 的二进制接口文件(.swiftinterface)无法兼容，无法做到 Module Stability。

由于在 static_library 内混编会导致不同 Swift 编译器版本上生成的二进制不兼容，所以 static_library 要支持组件内混编和二进制兼容性发布必须做 Framework 化(static_framework)改造，下面详细说明改造过程。

丨**2 组件 Framework 化**改造

# 在 Boxfile 文件内，将 target 从 :static_library 修改为 :static_framework
# 然后 box install 就完成转化
box 'BBAUserSetting', '2.2.6', :target => :static_framework
// static_library 引用头文件方式 
#import "ComponentA.h"

// static_framework 引用头文件方式 
#import <ComponentA/ComponentA.h>

丨**3 去预编译头文件 和 规范公开头文件**

百度App 部分 static_library 含有预编译头文件(pre-compiled header)，主要作用是加快编译速度。将公开头文件放入预编译头文件中，组件内的头文件和源文件不用再逐一显式引用，但 pch 的使用有两个问题：

基于以上原因，需要删除预编译头文件，规范组件公开的头文件，明确组件内头文件的引用，尽量减少公开头文件和接口的数量。

丨**4 组件 Module 化**

LLVM Module 改变了传统 C-Based 语言的头文件机制，被 Swift 采用，如果组件没有 Module 化，Swift 就无法调用该组件，如何 Module 化 见 [《百度App Objective-C/Swift 组件化混编之路（二）- 工程化》] 。

组件 module 化编译产物的目录结构如下：
├── xxx 
├── Headers 
│   ├── xxxSettingProtocol.h 
│   ├── xxx-Swift.h 
├── Info.plist 
├── Modules 
│   ├── xxx.swiftmodule 
│   │   ├── Project 
│   │   │   ├── x86_64-apple-ios-simulator.swiftsourceinfo 
│   │   │   └── x86_64.swiftsourceinfo 
│   │   ├── x86_64-apple-ios-simulator.swiftdoc 
│   │   ├── x86_64-apple-ios-simulator.swiftinterface 
│   │   ├── x86_64-apple-ios-simulator.swiftmodule 
│   │   ├── x86_64.swiftdoc 
│   │   ├── x86_64.swiftinterface 
│   │   └── x86_64.swiftmodule 
│   └── module.modulemap  # module 化的情况下 
└── _CodeSignature 
    ├── CodeDirectory 
    ├── CodeRequirements 
    ├── CodeRequirements-1 
    ├── CodeResources 
    └── CodeSignature 
5 directories, 18 files

丨5 解决组件间依赖传递

Swift Module 要求有明确的依赖，并且会传递依赖，组件公开头文件依赖不明确，就有可能导致编译错误，例如：组件 A 依赖组件 B，组件 B 依赖组件 C，且组件 B 的对外暴露头文件引用了组件 C，那么组件 B 依赖传递了组件 C，组件 A 也必须依赖组件 C 或者组件 B 声明传递依赖组件 C，否则在 module 化(配置 module.modulemap)的情况下会出现Could not build module 'XX' 编译错误。

组件间依赖传递
# A.boxspec 的配置，声明组件 A 依赖组件 B 
s.dependency 'B' 

# B.boxspec 的配置，声明组件 B 依赖组件 C 
s.dependency 'C' 

## 解决方案一 
# A.boxspec 的配置，增加组件 C 的依赖 
s.dependency 'C' 

## 解决方案二 
# Swift 的 module 会传递依赖，百度App 使用 EasyBox 的 module_dependency 来解决这个问题 
# B.boxspec 的配置，将直接依赖（dependency）修改成 module 传递依赖（module_dependency）组件 C 
s.module_dependency 'C'

丨**6 开启 Module Stability**

如上面 1 static_library 的问题所述。

丨**7 组件(static_framework)内混编**

在 static_framework 中, Swift 通过 module 中的文件访问 Objective-C 定义的公开数据类型和接口，Objective-C 通过#import<span style="color: rgb(77, 153, 191);"><ProductName/ProductModuleName-Swift.h> 访问 Swift 定义的公开数据类型和接口。

目前百度App 的 static_framework 默认会将所有 public header 公开出来，然后在 umbrella header 文件内引用了这些 public header，这样 Swift 文件就可以直接调用到。美中不足的是如果 Objective-C 头文件是 static_framework 私有头文件，为了 Objective-C/Swift 混编且能够被 Swift 文件调用到，需要将这些私有头文件改成公开头文件，详情见 Import Code Within a Framework Target (https://developer.apple.com/documentation/swift/imported_c_and_objective-c_apis/importing_objective-c_into_swift)。

而 Objective-C 文件调用 Swift，需要在 Swift 类前面要用 open 或 public 修饰，以及满足其他互操作性要求。

丨**8 组件混编理想态**

组件内混编只是中间态，理想态是单个组件完全使用 Swift；而组件间混编，是一个长期存在的形态，最终某个组件要么是 Swift 组件，要么是 Objective-C 组件，调用方式比较简单，static_framework 内的 Swift 文件使用直接 import 其他组件，例如：

// static_framework 内的 Swift 文件使用直接 import
import ComponentA

互操作性

丨**1 Objective-C APIs Are Available in Swift**

在 Objective-C 的头文件里，点击左上角的 Related Items 按钮，选择 Generated Interface 后，就可以查看 Objective-C API 自动生成对应的 Swift API，如图所示：

丨**2 Nullability for Objective-C**

/ 在 Objective-C 头文件中没有加上
// NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN 和 NS_ASSUME_NONNULL_END

@interface ObjClass : NSObject
// objClassString 值有可能为空
@property (nonatomic, copy) NSString *objClassString; 
// getObjClassInstance 值有可能为空
- (ObjClass *)getObjClassInstance; 
@end

// Objective-C 转化 Swift 代码后
open class ObjClass : NSObject {
    open var objClassString: String!
    open func getInstance() -> ObjClass!
}

// 在 Swift 文件中调用

let cls = ObjClass.init()
print(cls.getInstance().objClassString)

在 Objective-C 头文件中没有加上 NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN 和 NS_ASSUME_NONNULL_END，转化 Swift 代码后，对应的返回值会转换为隐式解析可选类型(implicitly unwrapped optionals)，如果直接使用 getObjClassInstance，返回值为空就会导致 crash。

// 在 Objective-C 头文件中加上
// NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN 和 NS_ASSUME_NONNULL_END

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface ObjClass : NSObject
// objClassString 值有可能为空
@property (nonatomic, copy) NSString *objClassString; 
// getObjClassInstance 值有可能为空
- (ObjClass *)getObjClassInstance; 
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END

// Objective-C 转化 Swift 后
open class ObjClass : NSObject {
    open var objClassString: String 
    open func getInstance() -> ObjClass 
}

// 在 Swift 文件中调用
let cls = ObjClass.init() 
print(cls.getInstance().objClassString)

在 Objective-C 头文件中加上 NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN 和 NS_ASSUME_NONNULL_END 标明属性或者方法返回值不能为空，实际上业务方不注意还是有可能返回空，在这种情况下转化为对应的 Swift 代码，不会转换为隐式解析可选类型(implicitly unwrapped optionals)，直接使用不会 crash ，所以建议在 Objective-C 头文件中开始和结束分别加上 NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN 和 NS_ASSUME_NONNULL_END。

丨**3 安全集合类型参照实现**

// Objective-C NSArray 没有指定类型
// Objective-C
@interface UIView
@property(nonatomic,readonly,copy) NSArray *subviews;
@end
// Swift
class UIView {
 var subviews: [Any] { get } 
}   

// Objective-C NSArray 指定类型
// Objective-C
@interface UIView
@property(nonatomic,readonly,copy) NSArray<UIView *> *subviews;
@end
// Swift
class UIView {
  var subviews: [UIView] { get }
}

在 Objective-C 中的 NSArray 可以插入不同类型，当声明属性没有指定类型@property (nonatomic, strong, readonly) NSArray *subviews 转化 Swift 后就变成open var subviews: [Any] { get }，这时候在 Swift 中使用数组 subviews 里面的对象，需要通过 as? 进行判断是否是 UIView 类型，所以在 Objective-C 中声明数组的时候，声明指定类@property (nonatom-ic, strong, readonly) NSArray<UIView *> *subviews 转换 Swift 后也是指定类型，获取数据更安全。

丨**4 Objective-C/Swift 混编关键字**

Objective-C 是动态语言，所有方法、属性都是动态派发和动态绑定的，而 Swift 却相反，它一共包含三种方法分派方式：Static dispatch，Table dispatch 和 Message dispatch。在 Swift 类中声明为 @objc 的属性或方法有可能会被优化为静态调用，不一定会动态派发，如果要使用动态特性，需要将 Swift 类的属性或方法声明为 @objc dynamic，此时 Swift 的动态特性将使用 Objective-C Runtime 特性实现，完全兼容 Objective-C。

@objc dynamic func testViewController() {}

+ (instancetype)collectionWithValues:(NSArray *)values
                             forKeys:(NSArray<NSCopying> *)keys
NS_SWIFT_UNAVAILABLE("Use a dictionary literal instead.");
// 在 Objective-C 文件中
NS_SWIFT_NAME(Sandwich.Preferences)
@interface SandwichPreferences : NSObject
@property BOOL includesCrust NS_SWIFT_NAME(isCrusty);
@end 

@interface Sandwich : NSObject
@end 

// 在 Swift 文件中使用
var preferences = Sandwich.Preferences()
preferences.isCrusty = true# 在 Objective-C 文件中
NS_SWIFT_NAME(Sandwich.Preferences)
@interface SandwichPreferences : NSObject
@property BOOL includesCrust NS_SWIFT_NAME(isCrusty); 
@end 

@interface Sandwich : NSObject 
@end 
// 在 Swift 文件中使用 
var preferences = Sandwich.Preferences() 
preferences.isCrusty = true 
// 在 Objective-C 中
@interface Color : NSObject

- (void)getRed:(nullable CGFloat *)red
         green:(nullable CGFloat *)green
          blue:(nullable CGFloat *)blue
         alpha:(nullable CGFloat *)alpha NS_REFINED_FOR_SWIFT;

@end

// 在 Swift 中
extension Color {
    var rgba: (red: CGFloat, green: CGFloat, blue: CGFloat, alpha: CGFloat) {
        var r: CGFloat = 0.0
        var g: CGFloat = 0.0
        var b: CGFloat = 0.0
        var a: CGFloat = 0.0
        __getRed(red: &r, green: &g, blue: &b, alpha: &a)
        return (red: r, green: g, blue: b, alpha: a)
    }
}

常见问题

  1. Swift framework module name 和 class name 一致会造成 .swiftinterface file bug (https://forums.swift.org/t/frameworkname-is-not-a-member-type-of-frameworkname-errors-inside-swiftinterface/28962/4)
  2. static_framework 内 Swift 文件调用 Objective-C 文件，如果该 Objective-C 公开头文件内引用其他组件的公开头文件，且这个组件没有 module 化(配置 module.modulemap)就会出现 include of non-modular header inside framework  module 错误，因此公开给 Swift 调用的组件都是需要 module 化，例如：
 // 在 ComponentA 组件的 ComponentA.h 头文件内，引用 ComponentB 组件的公开头文件
// ComponentB 组件刚好没有 module 化（配置module.modulemap）
#import <ComponentB/ComponentB.h>

3 . 在 static_framework 组件内的 Swift 文件调用 static_library 组件，需要将 static_library module 化（配置 module.modulemap），否则不能在 Swift 文件内直接使用，在 Xcode debug Swift 文件时，发现 Swift 文件内调用的 static_library，如果 static_library 的头文件写法有问题，在 Xcode 控制台打印 self 例如 "po self"，就会出现 Error  while loading Swift  module 错误，例如：

 // 在 static_library 的 ComponentA.h 头文件内
// 错误的写法
#import "TestA.h"
#import "TestB.h"

// 正确的写法
// 需要修改暴露的头文件，不然会导致无法加载 Swift module
#if __has_include(<ComponentA/ComponentA.h>)
#import <ComponentA/TestA.h>
#import <ComponentA/TestB.h>
#else
#import "TestA.h"
#import "TestB.h"
#endif

4 . Cycle Reference Error

在说明 Cycle Reference 之前先看一下错误信息

error: Cycle inside XXX; building could produce unreliable results.

下面通过举例具体分析一下

#import "ComponentA-Swift.h"

@interface MyObjcClass : NSObject
- (MySwiftClass *)returnSwiftClassInstance;
// ... 
@end

而 MyObjcClass 又在 MySwiftClass 中使用，需要将 MyObjcClass.h 头文件加入到 ComponentA-Bridging-Header.h中

// ComponentA-Bridging-Header.h 
#import "MyObjcClass.h" 
#import "ComponentA/ComponentA-Swift.h" // 测试过程中通过这种方式引用会导致 Cycle Reference 问题
// #import <ComponentA/ComponentA-Swift.h> // 测试通过这种方式引用正常

@interface MyObjcClass : NSObject 
- (MySwiftClass *)returnSwiftClassInstance; 
// ... 
@end

而 MyObjcClass 又在 MySwiftClass 中使用，需要将 MyObjcClass.h 头文件加入到 umbrella header 中，例如：

// ComponentA.h 在百度App 默认组件名称 .h 就是作为 static_framework 的 umbrella header
#import <ComponentA/MyObjcClass.h>

Objective-C 与 Swift 进行混编时，编译过程大致如下：

因此，编译 Swift 需要先处理 bridging header 或者 umbrella header，而 bridging header 或者 umbrella header 里面的 MyObjcClass.h 又引用 ComponentA-Swift.h 头文件，此时由于 Swift 还没编译完成，就有可能导致编译错误。

建议：在 Objective-C/Swift混编中，尽量保持单向引用(OC 类引用 Swift 类或者 Swift 类引用 OC 类)，减少循环引用，特殊情况可以使用前置声明(Forward Declaration)，解决 Circle Reference，参考 Include Swift Classes in Objective-C Headers Using Forward Declarations (https://developer.apple.com/documentation/swift/import-ed_c_and_objective-c_apis/importing_objective-c_into_swift)

@class MySwiftClass;

@interface MyObjcClass : NSObject
- (MySwiftClass *)returnSwiftClassInstance;
// ...
@end

总结

随着 Apple 大力推进、开源社区对 Swift 支持，Swift 普及已经大势所趋，目前百度App 经过 EasyBox 工具链支持混编组件二进制打包，以及组件的改造，业务层 30% 组件可以使用 Swift 混编开发，不支持混编的业务层组件也在陆续改造中，服务层（百度App组件化之路）及以下组件(占总组件数比 55% )都可以使用 Swift 混编开发，并在基础功能清理缓存、Feed 等相关业务完成 Swift 混编落地。作为 iOS 开发的你，还在等什么，赶紧升级技术栈吧！

参考资料

1. Importing Objective-C into Swift (https://developer.apple.com/documentation/swift/imported_c_and_objective-c_apis/importing_objective-c_into_swift)

2. Importing Swift into Objective-C (https://developer.apple.com/documentation/swift/imported_c_and_objective-c_apis/importing_swift_into_objective-c)

3. Swift and Objective-C Interoperability (https://developer.apple.com/videos/play/wwd-c2015/401/)

4. Nullability and Objective-C (https://developer.apple.com/swift/blog/?id=25)

5. Library Evolution in Swift (https://swift.org/blog/library-evolution/)

6. Improving Objective-C API Declarations for Swift (https://developer.apple.com/documentation/swift/objective-c_and_c_code_customization/improving_objective-c_api_declarations_for_swift)

7. Making Objective-C APIs Unavailable in Swift (https://developer.apple.com/documentation/swift/objective-c_and_c_code_customization/making_objective-c_apis_unavailable_in_swift)

8. Renaming Objective-C APIs for Swift (https://developer.apple.com/documentation/sw-ift/objective-c_and_c_code_customization/renaming_objective-c_apis_for_swift)

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