Runtime底層原理--動態方法解析、消息轉發源碼分析

瞭解了Runtime函數含義，我們就可以直接使用Runtime的API了，那接下來繼續探究Runtime的源碼，經過源碼分析來更加深刻的瞭解Runtime原理。

開發應用

都知道Runtime很重要，但是有很多小夥伴根本不瞭解，或者只是知道可以替換方法啊、可以交換兩個方法的調用，項目中也用不到，
從進入iOS開始，寫了無數個[[objc alloc] init]，這個到底在幹嘛？初始化和init？alloc和init到底做了什麼？

通過彙編查看方法調用

        Person *person = [Person alloc];
        Person *person1 = [person init];
        Person *person2 = [person init];
        NSLog(@"%p-----%p------%p", person, person1, person2);

這裏會輸出什麼呢？

0x10102e1a0-----0x10102e1a0------0x10102e1a0

來，讓我們斷點看下，alloc和init是怎麼調用的

我們看到調用alloc和init都調起了objc_msgSend，接下來跟着符號斷點走

進入libobjc庫的dylib之後走+[NSObject alloc]方法，指針調起_objc_rootAlloc，進入_objc_rootAlloc方法，繼續調起callAlloc，通過寄存器，可以看到alloc已經通過類創建實例對象

init按照同樣方法依然可以通過彙編看出方法調用順序，可以用真機進行測試並打印

通過編譯C++

當新的對象被創建時，其內存同時被分配，實例變量也同時被初始化。對象的第一個實例變量是一個指向該對象的類結構的指針，叫做 isa。通過該指針，對象可以訪問它對應的類以及相應的父類。在 Objective-C 運行時系統中對象需要有 isa 指針，我們一般創建的從 NSObject 或者 NSProxy 繼承的對象都自動包括 isa 變量。接下來看下對象被創建的過程
首先，我們通過clang命令

$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o testMain.c++

也可以用clang -rewrite-objc main.m -o test.c++命令，只不過會有很多警告、代碼會更長（大概9萬多行）。
編譯main函數中的OC代碼爲C++代碼

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        Person *p = [[Person alloc] init];
        [p run];
  
    }
    return 0;
}

編譯後多一個testMain.c++文件，打開後在代碼最後面會發現我們的main函數

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        Person *p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("run"));

    }
    return 0;
}

可以看出，我們的方法調用會編譯成objc_msgSend，

由此還會發現對象的本質其實就是一個結構體

下層通訊(通過源碼查看objc_msgSend內部實現)

首先我們到蘋果open source官網下載最新源碼

在方法調用的時候，會發送objc_msgSend消息，objc_msgSend會根據sel找到函數實現的指針imp，進而執行函數，那sel是如何找到imp的呢？
objc_msgSend在發送消息時候根據sel查找imp有兩種方式

快速（通過彙編的緩存快速查找）
慢速（C配合C++、彙編一起查找）
先看下objc_class

bits中包含各種數據，cache（每個類都有一個）用來存儲方法select和imp，select和imp會以哈希表形式存在
objc_msgSend在快速查找的時候，就是通過彙編查找objc_class中的cache，如果找到則直接返回，否則通過C的lookup，找到後再存入cache

彙編部分快速查找

首先調用objc_msgSend會走到ENTRY

先判斷p0檢查是否爲空和tagged pointer（特殊類型）判斷，調用LNilOrTagged進行isa處理，通過isa找到相應類class，最後調用LGetIsaDone來執行CacheLookup在緩存中查找imp，如果查找到直接調起imp否則調起objc_msgSend_uncached，objc_msgSend_uncached有兩種情況

首先，第一個是CacheHit，直接調起imp，第二個是CheckMiss，之後調用objc_msgSend_uncached，第三個就是add，下面是CacheHit和CheckMiss的宏

那如果在緩存中沒有查找到imp，調起objc_msgSend_uncached，在方法列表中找到imp之後再TailCallFunctionPointer調起imp

    STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
	UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves

	// THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
	// Out-of-band p16 is the class to search
	
	MethodTableLookup      // 方法列表中找到imp
	TailCallFunctionPointer x17

重點:MethodTableLookup是怎麼操作的

小知識點：通過method list查找method，下面是method_t的結構，method其實是一個哈希表，sel和imp是鍵值對

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;       // 參數類型
    MethodListIMP imp;
    struct SortBySELAddress :
        public std::binary_function<const method_t&,
                                    const method_t&, bool>
    {
        bool operator() (const method_t& lhs,
                         const method_t& rhs)
        { return lhs.name < rhs.name; }
    };
};

進入MethodTableLookup之後，調起了__class_lookupMethodAndLoadCache3，如下圖

__class_lookupMethodAndLoadCache3是C方法，再次進入_class_lookupMethodAndLoadCache3方法，注意，因爲這裏由彙編跳轉到C，所以要全局搜索_class_lookupMethodAndLoadCache3，要刪去一個"_",下面是_class_lookupMethodAndLoadCache3函數

/***********************************************************************
* _class_lookupMethodAndLoadCache.
* Method lookup for dispatchers ONLY. OTHER CODE SHOULD USE lookUpImp().
* This lookup avoids optimistic cache scan because the dispatcher 
* already tried that.
**********************************************************************/
IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{
    return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, 
                              YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/);
}

C/C++部分查找

調起lookUpImpOrForward，因爲當前cls對象已經經過彙編編譯到結構，有了isa，並且在cache中沒有找到，所以這裏的initialize爲YES，cache爲NO，resolver爲YES

進入lookUpImpOrForward，這裏再次判斷是否存在cache，如果有則直接快速查找，但是這裏是NO，所以不會走。接下來走checkIsKnownClass判斷是否是已經聲明的類，如果沒有則報錯"Attempt to use unknown class %p."，之後走realizeClass判斷是否已經實現，如果就相應賦值data。

data賦值後走_class_initialize初始化cls，接下來開始retry操作。
前方高能
再次進行cache_getImp，why？併發啊，還有重映射（在初始化init的時候有個remap（class）第一次通過彙編找不到，但是在加載類的時候對當前類進行重映射）

接下來開始先在自己的class_rw_t的methods中根據sel查找方法返回method_t

如果拿到Method後保存到緩存中，保證以後調用可以直接走彙編的CacheHit快速查找，如果拿不到則繼續從父類開始查找，直到找到NSObject(因爲NSObject的父類爲nil)，如果找到imp則一樣保存在緩存中，如果到最後還是沒有查找到，則進入動態方法解析。

動態方法解析

如果前面一系列操作還是沒有找到方法，那麼就會進行動態方法解析，動態方法解析只執行一次

首先執行_class_resolveMethod，這裏會執行+resolveClassMethod 或者 +resolveInstanceMethod。

先判斷當前cls是否爲元類，如果是元類則執行_class_resolveClassMethod，再執行_class_resolveInstanceMethod，如果不是元類則直接執行_class_resolveInstanceMethod，_class_resolveInstanceMethod內部調用objc_msgSend實現消息發送，對cls發送了SEL_resolveInstanceMethod類型的消息，所以在方法中會走到resolveInstanceMethod方法。

爲什麼元類最後也執行了_class_resolveInstanceMethod方法呢？因爲類方法以實例對象的形態存在元類裏面，比如類方法中沒有找到方法，會去元類中查找，元類中沒有再繼續去根元類中查找，最後會查到NSObject。

代碼示例：

.h實現

- (void)run;
+ (void)eat;

.m實現(沒有實現-run方法和+eat方法)

- (void)walk {
    NSLog(@"%s",__func__);
}
+ (void)drink {
    NSLog(@"%s",__func__);
}

// .m沒有實現,並且父類也沒有,那麼我們就開啓動態方法解析
//- (void)walk{
//    NSLog(@"%s",__func__);
//}
//+ (void)drink{
//    NSLog(@"%s",__func__);
//}


#pragma mark - 動態方法解析

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(run)) {
        // 我們動態解析我們的 對象方法
        NSLog(@"對象方法解析走這裏");
        SEL walkSEL = @selector(walk);
        Method readM= class_getInstanceMethod(self, walkSEL);
        IMP readImp = method_getImplementation(readM);
        const char *type = method_getTypeEncoding(readM);
        return class_addMethod(self, sel, readImp, type);
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}


+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(eat)) {
        // 我們動態解析我們的 對象方法
        NSLog(@"類方法解析走這裏");
        SEL drinkSEL = @selector(drink);
        // 類方法就存在我們的元類的方法列表
        // 類 類犯法
        // 元類 對象實例方法
        //        Method hellowordM1= class_getClassMethod(self, hellowordSEL);
        Method drinkM= class_getInstanceMethod(object_getClass(self), drinkSEL);
        IMP drinkImp = method_getImplementation(drinkM);
        const char *type = method_getTypeEncoding(drinkM);
        NSLog(@"%s",type);
        return class_addMethod(object_getClass(self), sel, drinkImp, type);
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
}

消息轉發

經歷了動態方法決議還沒有找到，會進入蘋果尚未開源的消息轉發，繼續查找方法，_objc_msgForward_impcache再次跨域到彙編。

走到__objc_msgForward_impcache後執行__objc_msgForward

沒有了源碼實現，但是我們可以通過instrumentObjcMessageSends函數來打印調用堆棧信息。可以進入instrumentObjcMessageSends內部看下具體實現。

先判斷了是否可以寫入日誌信息等，接下來同步日誌文件

所以我們每次運行會在/private/tmp文件下多一個msgSends-xxx文件，裏面是所有調用過程

如果還沒有找到的話最後會報錯調用__objc_forward_handler

這也是我們在方法報錯的時候會報unrecognized selector sent to instance %p " "(no message forward handler is installed)"錯誤的原因，會提示出元類信息，+或者-方法，方法的名字還有SEL方法編號

代碼示例：

#pragma mark - 實例對象消息轉發

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    //    if (aSelector == @selector(run)) {
    //        // 轉發給Student對象
    //        return [Student new];
    //    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    if (aSelector == @selector(run)) {
        // forwardingTargetForSelector 沒有實現，就只能方法簽名了
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    NSLog(@"%s",__func__);
    NSLog(@"------%@-----",anInvocation);
    anInvocation.selector = @selector(walk);
    [anInvocation invoke];
}

#pragma mark - 類消息轉發

+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
//

+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    if (aSelector == @selector(walk)) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    NSLog(@"%s",__func__);
    
    NSString *sto = @"奔跑吧";
    anInvocation.target = [Student class];
    [anInvocation setArgument:&sto atIndex:2];
    NSLog(@"%@",anInvocation.methodSignature);
    anInvocation.selector = @selector(run:);
    [anInvocation invoke];
}

現在我們應該也知道了爲什麼objc_msgSend的源碼用的彙編，因爲彙編可以通過寄存器x0-x31來保留未知參數來跳轉到任意的指針，還有彙編更高效一點，而C滿足不了。

言而總之，總而言之

Runtime就是C、C++、彙編實現的一套API，給OC增加的一個運行時功能，也就是我們平時所說的運行時。
在運行工程時工程會被裝載到內存，來提供運行時功能。

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Runtime底層原理--動態方法解析、消息轉發源碼分析

開發應用

通過彙編查看方法調用

通過編譯C++

下層通訊(通過源碼查看objc_msgSend內部實現)

彙編部分快速查找

C/C++部分查找

動態方法解析

代碼示例：

消息轉發

代碼示例：

言而總之，總而言之

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