我們在前面探索了對象和類的底層原理,接下來我們要探索一下方法的本質,而在探索之前,我們先簡單過一遍 Runtime
的知識點,如果讀者對這塊內容已經很熟悉了的話可以直接跳過第一章。
PS: 由於筆者對彙編暫時還是摸索的階段,關於彙編源碼的部分如有錯誤,歡迎指正。
一、Runtime
簡介
衆所周知,Objective-C
是一門動態語言,而承載整個 OC
動態特性的就是 Runtime
。關於 Runtime
更多內容可以直接進入官網文檔查看。
Runtime
是以 C
/C++
和彙編編寫而成的,爲什麼不用 OC
呢,這是因爲對我們編譯器來說,OC
屬於更高級的語言,相比於 C
和 C++
以及彙編,執行效率更慢,而在運行時系統需要儘可能快的執行效率。
1.1 Runtime
的前世今生
Runtime
分爲兩個版本,legacy
和 modern
,分別對標 OC 1.0
和 OC 2.0
。我們通常只需要專注於 modern
版本即可,在 libObjc
源碼中體現在 new
後綴的文件上。
1.2 Runtime
三種交互方式
我們與 Runtime
打交道有三種方式:
- 直接在
OC
層進行交互:比如@selector
NSObject
的方法:NSSelectorFromName
Runtime
的函數:sel_registerName
二、方法的本質探索
2.1 方法初探
我們可以看到,通過 clang
重寫之後,sayNB
在底層其實是一個消息的發送。
我們把右側的發送消息的代碼簡化一下:
LGPerson *person = objc_msgSend((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));
objc_msgSend((id)person, sel_registerName("sayNB"));
由此可見,真正發送消息的地方是 objc_msgSend
,這個方法有兩個參數,一個是消息的接受者爲 id
類型,第二個個是方法編號 sel
。
作爲對比,run
方法就直接執行了,並沒有通過 objc_msgSend
進行消息發送:
2.2 方法發送的幾種情況
LGStudent *s = [LGStudent new];
[s sayCode];
objc_msgSend(s, sel_registerName("sayCode"));
上述代碼表示的是向對象 s
發送 sayCode
消息。
id cls = [LGStudent class];
void *pointA = &cls;
[(__bridge id)pointA sayNB];
objc_msgSend(objc_getClass("LGStudent"), sel_registerName("sayNB"));
上述代碼表示向 LGStudent
這個類發送 sayNB
消息。
// 向父類發消息(對象方法)
struct objc_super lgSuper;
lgSuper.receiver = s;
lgSuper.super_class = [LGPerson class];
objc_msgSendSuper(&lgSuper, @selector(sayHello));
上述代碼表示向父類發送 sayHello
消息。
//向父類發消息(類方法)
struct objc_super myClassSuper;
myClassSuper.receiver = [s class];
myClassSuper.super_class = class_getSuperclass(object_getClass([s class]));// 元類
objc_msgSendSuper(&myClassSuper, sel_registerName("sayNB"));
上述代碼表示向父類的類,也就是元類發送 sayNB
消息。
我們在 OC
中使用 objc_msgSend
的時候,要注意需要將 Enbale Strict of Checking of objc_msgSend Calls
設置爲 NO
。這樣纔不會報警告。
三、探索 objc_msgSend
objc_msgSend
之所以採用彙編來實現,是因爲
- 彙編更容易能被機器識別
- 參數未知、類型未知對於
C
和C++
來說不如彙編更得心應手
3.1 消息查找機制
- 快速流程
- 慢速流程
3.2 定位 objc_msgSend
彙編源碼
ENTRY _objc_msgSend
UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
cmp p0, #0 // nil check and tagged pointer check
判斷 p0
,也就是我們 objc_msgSend
的第一個參數 id
消息的接收者是否爲空。
ldr p13, [x0] // p13 = isa
GetClassFromIsa_p16 p13 // p16 = class
讀取 x0
然後賦值到 p13
,這裏 p13
拿到的是 isa
。爲什麼要拿 isa
呢,因爲不論是對象方法還是類方法,我們都需要在類或者元類的緩存或方法列表中去查找,所以 isa
是必需的。
3.3 GetClassFromIsa_p16
通過 GetClassFromIsa_p16
,將獲取到的 class
存在 p16
上面。
GetClassFromIsa_p16
源碼如下:
.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
// Indexed isa
mov p16, $0 // optimistically set dst = src
tbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f // done if not non-pointer isa
// isa in p16 is indexed
adrp x10, _objc_indexed_classes@PAGE
add x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
ubfx p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS // extract index
ldr p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT] // load class from array
1:
#elif __LP64__
// 64-bit packed isa
and p16, $0, #ISA_MASK
#else
// 32-bit raw isa
mov p16, $0
#endif
.endmacro
這個方法的目的就是通過位移操作獲取 isa
的 shiftcls
然後進行位運算與操作得到真正的類信息。
LGetIsaDone:
CacheLookup NORMAL // calls imp or objc_msgSend_uncached
3.4 CacheLookup
獲取完 isa
之後,接下來就要進行 CacheLookup
,查找方法緩存,我們再來到 CacheLookup
的源碼處:
/********************************************************************
*
* CacheLookup NORMAL|GETIMP|LOOKUP
*
* Locate the implementation for a selector in a class method cache.
*
* Takes:
* x1 = selector
* x16 = class to be searched
*
* Kills:
* x9,x10,x11,x12, x17
*
* On exit: (found) calls or returns IMP
* with x16 = class, x17 = IMP
* (not found) jumps to LCacheMiss
*
********************************************************************/
.macro CacheLookup
// p1 = SEL, p16 = isa
ldp p10, p11, [x16, #CACHE] // p10 = buckets, p11 = occupied|mask
#if !__LP64__
and w11, w11, 0xffff // p11 = mask
#endif
and w12, w1, w11 // x12 = _cmd & mask
add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
// p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))
ldp p17, p9, [x12] // {imp, sel} = *bucket
1: cmp p9, p1 // if (bucket->sel != _cmd)
b.ne 2f // scan more
CacheHit $0 // call or return imp
2: // not hit: p12 = not-hit bucket
CheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0
cmp p12, p10 // wrap if bucket == buckets
b.eq 3f
ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]! // {imp, sel} = *--bucket
b 1b // loop
3: // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
add p12, p12, w11, UXTW #(1+PTRSHIFT)
// p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
// Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
// The slow path may detect any corruption and halt later.
ldp p17, p9, [x12] // {imp, sel} = *bucket
1: cmp p9, p1 // if (bucket->sel != _cmd)
b.ne 2f // scan more
CacheHit $0 // call or return imp
2: // not hit: p12 = not-hit bucket
CheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0
cmp p12, p10 // wrap if bucket == buckets
b.eq 3f
ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]! // {imp, sel} = *--bucket
b 1b // loop
3: // double wrap
JumpMiss $0
.endmacro
通過上述代碼可知 CacheLookup
有三種模式:NORMAL
,GETIMP
, LOOKUP
ldp p10, p11, [x16, #CACHE]
CacheLookup
需要讀取上一步拿到的類的cache
緩存,而根據我們前面對類結構的學習,這裏顯然進行 16 字節地址平移操作,然後把拿到的cache_t
中的buckets
和occupied
、mask
賦值給p10
,p11
。
and w12, w1, w11 // x12 = _cmd & mask
add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
// p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))
ldp p17, p9, [x12] // {imp, sel} = *bucket
- 這裏是將
w1
和w11
進行與操作,其實本質就是_cmd
&mask
。這一步和我們探索cache_t
時遇到的
是一模模一樣樣的道理。目的就是拿到下標。然後經過哈希運算之後,得到了bucket
結構體指針,然後將這個結構體指針中的imp
,sel
分別存在p17
,p9
中。
1: cmp p9, p1 // if (bucket->sel != _cmd)
b.ne 2f // scan more
CacheHit $0 // call or return imp
- 接着我們將上一步獲取到的
sel
和我們要查找的sel
(在這裏也就是所謂的_cmd
)進行比較,如果匹配了,就通過CacheHit
將imp
返回;如果沒有匹配,就走下一步流程。
2: // not hit: p12 = not-hit bucket
CheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0
cmp p12, p10 // wrap if bucket == buckets
b.eq 3f
ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]! // {imp, sel} = *--bucket
b 1b // loop
- 由於上一步的
sel
沒有匹配上,我們需要接着進行搜索。
3.5 CheckMiss
我們來到 CheckMiss
的源碼:
.macro CheckMiss
// miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP
cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
這裏由於我們是 NORMAL
模式,所以會來到 __objc_msgSend_uncached
:
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
TailCallFunctionPointer x17
END_ENTRY __objc_msgSend_uncached
__objc_msgSend_uncached
中最核心的邏輯就是 MethodTableLookup
,意爲查找方法列表。
3.6 MethodTableLookup
我們再來到 MethodTableLookup
的定義:
.macro MethodTableLookup
// push frame
SignLR
stp fp, lr, [sp, #-16]!
mov fp, sp
// save parameter registers: x0..x8, q0..q7
sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
str x8, [sp, #(8*16+8*8)]
// receiver and selector already in x0 and x1
mov x2, x16
bl __class_lookupMethodAndLoadCache3
// IMP in x0
mov x17, x0
// restore registers and return
ldp q0, q1, [sp, #(0*16)]
ldp q2, q3, [sp, #(2*16)]
ldp q4, q5, [sp, #(4*16)]
ldp q6, q7, [sp, #(6*16)]
ldp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
ldp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
ldp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
ldp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
ldr x8, [sp, #(8*16+8*8)]
mov sp, fp
ldp fp, lr, [sp], #16
AuthenticateLR
.endmacro
我們觀察 MethodTableLookup
內容之後會定位到 __class_lookupMethodAndLoadCache3
。在 __class_lookupMethodAndLoadCache3
之前會做一些準備工作,真正的方法查找流程核心邏輯是位於 __class_lookupMethodAndLoadCache3
裏面的。 但是我們全局搜索 __class_lookupMethodAndLoadCache3
會發現找不到,這是因爲此時我們會從彙編跳入到 C/C++
。所以去掉一個下劃線就能找到:
IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{
return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj,
YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/);
}
四、總結
- 方法的本質就是消息發送,消息發送是通過
objc_msgSend
以及其派生函數來實現的。 objc_msgSend
爲了執行效率以及 C/C++ 不能支持參數未知,類型未知的代碼,所以採用彙編來實現objc_msgSend
。- 消息查找或者說方法查找,會優先去從類中查找緩存,找到了就返回,找不到就需要去類的方法列表中查找。
- 由彙編過渡到 C/C++,在類的方法列表中查找失敗之後,會進行轉發。核心邏輯位於
lookUpImpOrForward
。
我們下一章將會從 lookUpImpOrForward
開始探索,探索底層的方法查找的具體流程到底是怎麼樣的,敬請期待~