iOS 底層探究：方法的本質

這是我參與8月更文挑戰的第9天，活動詳情查看：8月更文挑戰

1 Runtime

1.1 什麼是Runtime

runtime翻譯過來稱爲運行時，與之對應的是編譯時。大部分的iOS開發人員，都聽過runtime這個詞，也知道運行時，但只是停留在表面，只是知道而已，並無去深刻的去探索和分析過。html

OC語言是一門動態語言，擁有動態語言的三大特性：動態類型、動態綁定、動態加載。而底層實現就是熟悉又陌生的Runtime。編程

運行時是一種面向對象的編程語言（面向對象編程）的運行環境。運行時代表了在某個時間段內，哪一個程序正在運行。運行時是計算機程序運行生命週期內的一個階段，其餘階段還包括：編譯時、連接時和加載時。簡單理解就是，代碼跑起來，被裝載到內存中的過程。
編譯時顧名思義就是正在編譯的時候。那什麼叫編譯呢？就是編譯器幫你把源代碼翻譯成機器能識別的二進制代碼。（只是通常意義上說，實際上可能只是翻譯成某個中間狀態的語言。好比Java只有JVM 識別的字節碼，C#中只有CLR能識別的MSIL。另外還有連接器、彙編器，爲了便於理解咱們能夠統稱爲編譯器）
編譯時就是簡單的作一些翻譯工做，好比檢查有沒有關鍵字的錯誤
詞法分析，語法分析之類的過程。
若是發現錯誤，編譯器就會告訴你，平時使用Xcode時，點擊build就開始編譯
若是由errors或者warning信息，那就是編譯器檢查出來的。這是的錯誤叫作編譯時錯誤，這個過程當中作的類型檢查也就是編譯時類型檢查，或靜態類型檢查（所謂靜態就是沒有把代碼放內存中運行起來，而只是把代碼看成文原本掃描下）

1.2 runtime餓使用的三種方式

runtime的使用的三種方式，其三種實現方法與編譯層和底層的關係如圖所示緩存

經過OC上層的代碼實現，例如 [LGPerson Hello]
經過NSObject方法實現，例如isKindOfClass
經過Runtime API底層方法實現，例如class_getImstanceSize

圖中的compiler就是編譯器，就是咱們熟悉的LLVMmarkdown

2 OC方法的本質

咱們知道平時寫的OC代碼，底層實現其實都是C/C++的代碼實現的，再通過編譯器LLVM編譯，最終轉化爲機器語言。經過clang編譯的源碼，理解了OC對象的本質是結構體，一樣的，咱們也可使用clang命令編譯成main.cpp文件，看安方法的本質是什麼？架構

2.1方法底層的實現

在main函數中，寫入如下代碼app

LGPerson *person = [LGPerson alloc]; 
[person sayNB]; 
[person say:@"NB"];
複製代碼

生成cpp文件，底層代碼以下編程語言

LGPerson *person = ((LGPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc")); 
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayNB")); 
((void (*)(id, SEL, NSString *))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("say:"), (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_jl_d06jlfkj2ws74_5g45kms07m0000gn_T_main_d8842a_mi_3);
複製代碼

能夠看出，方法的本質：objc_msgSend消息發送 objc_msgSend的參數函數

消息接收者
消息主體（SEL+參數）

2.2objc_msgSend

在Build Setting中，將Enable Strict Checking of obc_msgSend Calls設置爲NO，將嚴厲的檢查機制關掉，不然objc_msgSend的參數會報錯導入頭文件post

#import <objc/message.h>
複製代碼

在main函數中，寫入如下代碼ui

@interface LGPerson : NSObject 
- (void)sayNB; 
@end 
@implementation LGPerson 
- (void)sayNB{ NSLog(@"666"); } 
@end 
int main(int argc, const char * argv[]) { 
    @autoreleasepool { 
        LGPerson *person = [LGPerson alloc]; 
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayNB")); 
    } 
    return 0; 
} 
------------------------- 
//輸出結果： 
666
複製代碼

和利用OC方法的執行結果相同
sel_registerName爲@selector()的底層實現

2.2 objc_msgSendSuper

子類調用父類方法時，可以使用objc_msgSendSuper，向父類發送消息在objc源碼中，找到objc_msgSendSuper的定義

OBJC_EXPORT void 
objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ ) 
OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
複製代碼

傳入objc_super類型的結構體指針

找到objc_super結構體的定義

struct objc_super { 
    /// Specifies an instance of a class. 
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver; 
    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class; 
    /* super_class is the first class to search */ 
};
複製代碼

receiver：消息接收者
super_class傳入第一查找的類，若是找不到，繼續向所屬父類一層一層的查找

在項目中調用objc_msgSendSuper 定義LGeacher，繼承於LGPerson

@interface LGTeacher : LGPerson 
    - (void)sayNB; 
@end 
@implementation LGTeacher 
@end
複製代碼

定義sayNB當法，但不實現

在main函數中，寫入如下代碼

struct lg_objc_super { 
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver; 
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
}; 
int main(int argc, const char * argv[]) { 
    @autoreleasepool { 
        LGTeacher *teacher = [LGTeacher alloc]; 
        struct lg_objc_super lgSuper; 
        lgSuper.receiver=teacher; 
        lgSuper.super_class=[LGPerson class];
        objc_msgSendSuper(&lgSuper, @selector(sayNB)); 
    } 
    return 0; 
} 
------------------------- 
//輸出結果： 
666
複製代碼

按照objc_super相同結構，定義lg_objc_super結構體
咱們已經知道LGTeacher中沒有sayNB方法的實現，因此super_class直接傳入LGPerson的類對象
若是super_class傳入LGTeacher的類方法，打印結果相同。區別在於須要向父類多查找一層。

3 objc_msgSend彙編代碼

在objc4-818.2源碼中，不一樣系統架構的彙編指令都有差別，咱們只針對最經常使用的arn64架構下的彙編代碼進行探索

3.1 objc_msgSend

ENTRY _objc_msgSend 
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame 

    cmp p0, #0     // nil check and tagged pointer check 
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS 
    b.le LNilOrTagged     // (MSB tagged pointer looks negative) 
#else 
    b.eq LReturnZero 
#endif 
    ldr p13, [x0]     // p13 = isa 
    GetClassFromIsa_p16 p13, 1, x0    // p16 = class
複製代碼

ENTRY _objc_msgSend：入口
p0寄存器，存儲消息接收者
cmp p0, #0:消息接收者和#0比較
- 彙編代碼中，沒有nil，只有0和1
- 這裏的#0比較，能夠理解消息接收者爲nil
SUPPORT_TAGGED_POINTERS：真機arm64架構，SUPPORT_TAGGED_POINTERS 定義爲1
b.le LNilOrTagger：小於等於0，進入LNilOrTagged流程
b.eq LReturnZero：等於0，進入LReturnZero流程
不然，消息接收者存在，繼續執行代碼
- ldr p13, [x0]：將X0寄存器取地址，賦值p13寄存器
- p13：存儲消息接收者的isa
進入GetClassFromIsa_p16流程，傳入isa、一、消息接收者

3.2 LNilOrTagged

LNilOrTagged: 
    b.eq LReturnZero // nil check 
    GetTaggedClass 
    b LGetIsaDone
複製代碼

b.eq：等於0，進入LReturnZero流程
不然，小於0，繼續執行代碼
進入GetTaggedClass流程
進入LGetIsaDone流程

3.3 LReturnZero

LReturnZero: 
    // x0 is already zero 
    mov x1, #0 
    movi d0, #0 
    movi d1, #0 
    movi d2, #0 
    movi d3, #0 
    ret
複製代碼

返回nil

3.4 GetClassFromIsa_p16

.macro GetClassFromIsa_p16 src, needs_auth, auth_address /* note: auth_address is not required if !needs_auth */ 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA 
    // Indexed isa 
    mov p16, \src // 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__ 
    .if \needs_auth == 0 // _cache_getImp takes an authed class already 
        mov p16, \src 
    .else 
        // 64-bit packed isa 
        ExtractISA p16, \src, \auth_address 
    .endif 
#else 
    // 32-bit raw isa 
    mov p16, \src 
#endif 

.endmacro
複製代碼

入參：
- src：isa
- needs_auth：1
- auth_address：消息接收者
當前不符合SUPPORT_INDEXED_ISA條件，跳過
符合__LP64__條件，不知足needs_auth等於0 的條件，進入else分支
ExtractISA p16, \src, \auth_address：進入ExtractISA流程
- 傳入p16寄存器，isa，消息接收者
- p16寄存器的值，存儲的是什麼不重要，由於傳入到ExtractISA中會被賦值

3.5 ExtractISA

.macro ExtractISA 
    and   $0, $1, #ISA_MASK 
.endmacro
複製代碼

$0：p16寄存器
$1：isa
and $0,$ 1, #ISA_MASK：將isa&ISA_MASK的結果，存儲到p16寄存器
- p16:存儲類對象地址

3.6 LGetIsaDone

LGetIsaDone: 
    // calls imp or objc_msgSend_uncached 
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend, __objc_msgSend_uncached
複製代碼

objc_msgSend的後續流程
- 消息接收者存在，而且獲得類對象，繼續LGetIsaDone流程
進入CacheLookup緩存查找流程，也就是所謂的sel-imp快速查找流程
內部會調用imp或objc_msgSend_uncached

4 流程圖

--- 爲何要獲取類對象？

在快速查找流程中，查找的cache存儲在類對象中，因此必須拿到類對象才能進行後面的流程