JSPatch 實現原理詳解（一）

時間  2019-12-06
標籤 jspatch 實現 原理 詳解 简体版
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JSPatch以小巧的體積作到了讓JS調用/替換任意OC方法，讓iOS APP具有熱更新的能力，在實現 JSPatch 過程當中遇到過不少困難也踩過不少坑，有些仍是挺值得分享的。本篇文章從基礎原理、方法調用和方法替換三塊內容介紹整個 JSPatch 的實現原理，並把實現過程當中的想法和碰到的坑也儘量記錄下來。git

基礎原理

能作到經過JS調用和改寫OC方法最根本的緣由是 Objective-C 是動態語言，OC上全部方法的調用/類的生成都經過 Objective-C Runtime 在運行時進行，咱們能夠經過類名/方法名反射獲得相應的類和方法：github

Class class = NSClassFromString("UIViewController");
id viewController = [[class alloc] init];
SEL selector = NSSelectorFromString("viewDidLoad");
[viewController performSelector:selector];

也能夠替換某個類的方法爲新的實現：數組

static void newViewDidLoad(id slf, SEL sel) {}
class_replaceMethod(class, selector, newViewDidLoad, @"");

還能夠新註冊一個類，爲類添加方法：ruby

Class cls = objc_allocateClassPair(superCls, "JPObject", 0);
objc_registerClassPair(cls);
class_addMethod(cls, selector, implement, typedesc);

對於 Objective-C 對象模型和動態消息發送的原理已有不少文章闡述得很詳細，例如這篇，這裏就不詳細闡述了。理論上你能夠在運行時經過類名/方法名調用到任何OC方法，替換任何類的實現以及新增任意類。因此 JSPatch 的原理就是：JS傳遞字符串給OC，OC經過 Runtime 接口調用和替換OC方法。這是最基礎的原理，實際實現過程還有不少怪要打，接下來看看具體是怎樣實現的。函數

方法調用

require('UIView')
var view = UIView.alloc().init()
view.setBackgroundColor(require('UIColor').grayColor())
view.setAlpha(0.5)

引入JSPatch後，能夠經過以上JS代碼建立了一個 UIView 實例，並設置背景顏色和透明度，涵蓋了require引入類，JS調用接口，消息傳遞，對象持有和轉換，參數轉換這五個方面，接下來逐一看看具體實現。測試

1.require

調用 require('UIView') 後，就能夠直接使用 UIView 這個變量去調用相應的類方法了，require 作的事很簡單，就是在JS全局做用域上建立一個同名變量，變量指向一個對象，對象屬性__isCls代表這是一個 Class，__clsName保存類名，在調用方法時會用到這兩個屬性。優化

var _require = function(clsName) {
  if (!global[clsName]) {
    global[clsName] = {
      __isCls: 1,
      __clsName: clsName
    }
  }
  return global[clsName]
}

因此調用require('UIView')後，就在全局做用域生成了 UIView 這個變量，指向一個這樣一個對象：ui

{
  __isCls: 1,
  __clsName: "UIView"
}

2.JS接口

接下來看看 UIView.alloc() 是怎樣調用的。this

舊實現

對於這個調用的實現，一開始個人想法是，根據JS特性，若要讓 UIView.alloc() 這句調用不出錯，惟一的方法就是給 UIView 這個對象添加 alloc 方法，否則是不可能調用成功的，JS對於調用沒定義的屬性/變量，只會立刻拋出異常，而不像OC/Lua/ruby那樣會有轉發機制。因此作了一個複雜的事，就是在require生成類對象時，把類名傳入OC，OC經過 Runtime 方法找出這個類全部的方法返回給JS，JS類對象爲每一個方法名都生成一個函數，函數內容就是拿着方法名去OC調用相應方法。生成的 UIView 對象大體是這樣的：lua

{
    __isCls: 1,
    __clsName: "UIView",
    alloc: function() {…},
    beginAnimations_context: function() {…},
    setAnimationsEnabled: function(){…},
    ...
}

實際上不只要遍歷當前類的全部方法，還要循環找父類的方法直到頂層，整個繼承鏈上的全部方法都要加到JS對象上，一個類就有幾百個方法，這樣把方法所有加到JS對象上，碰到了挺嚴重的問題，引入幾個類就內存暴漲，沒法使用。後來爲了優化內存問題還在JS搞了繼承關係，不把繼承鏈上全部方法都添加到一個JS對象，避免像基類 NSObject 的幾百個方法反覆添加在每一個JS對象上，每一個方法只存在一份，JS對象複製了OC對象的繼承關係，找方法時沿着繼承鏈往上找，結果內存消耗是小了一些，但仍是大到難以接受。

新實現

當時繼續苦苦尋找解決方案，若按JS語法，這是惟一的方法，但若不按JS語法呢？忽然腦洞開了下，CoffieScript/JSX均可以用JS實現一個解釋器實現本身的語法，我也能夠經過相似的方式作到，再進一步想到其實我想要的效果很簡單，就是調用一個不存在方法時，能轉發到一個指定函數去執行，就能解決一切問題了，這其實能夠用簡單的字符串替換，把JS腳本里的方法調用都替換掉。最後的解決方案是，在OC執行JS腳本前，經過正則把全部方法調用都改爲調用 __c() 函數，再執行這個JS腳本，作到了相似OC/Lua/Ruby等的消息轉發機制：

UIView.alloc().init()
->
UIView.__c('alloc')().__c('init')()

給JS對象基類 Object 的 prototype 加上 __c 成員，這樣全部對象均可以調用到 __c，根據當前對象類型判斷進行不一樣操做：

Object.prototype.__c = function(methodName) {
  if (!this.__obj && !this.__clsName) return this[methodName].bind(this);
  var self = this
  return function(){
    var args = Array.prototype.slice.call(arguments)
    return _methodFunc(self.__obj, self.__clsName, methodName, args, self.__isSuper)
  }
}

_methodFunc() 就是把相關信息傳給OC，OC用 Runtime 接口調用相應方法，返回結果值，這個調用就結束了。

這樣作不用去OC遍歷對象方法，不用在JS對象保存這些方法，內存消耗直降99%，這一步是作這個項目最爽的時候，用一個很是簡單的方法解決了嚴重的問題，替換以前又複雜效果又差的實現。

3.消息傳遞

解決了JS接口問題，接下來看看JS和OC是怎樣互傳消息的。這裏用到了 JavaScriptCore 的接口，OC端在啓動JSPatch引擎時會建立一個 JSContext 實例，JSContext 是JS代碼的執行環境，能夠給 JSContext 添加方法，JS就能夠直接調用這個方法：

JSContext *context = [[JSContext alloc] init];
context[@"hello"] = ^(NSString *msg) {
    NSLog(@"hello %@", msg);
};
[_context evaluateScript:@"hello('word')"];     //output hello word

JS經過調用 JSContext 定義的方法把數據傳給OC，OC經過返回值傳會給JS。調用這種方法，它的參數/返回值 JavaScriptCore 都會自動轉換，OC裏的 NSArray, NSDictionary, NSString, NSNumber, NSBlock 會分別轉爲JS端的數組/對象/字符串/數字/函數類型。上述 _methodFunc() 方法就是這樣把要調用的類名和方法名傳遞給OC的。

4.對象持有/轉換

UIView.alloc() 經過上述消息傳遞後會到OC執行 [UIView alloc]，並返回一個UIView實例對象給JS，這個OC實例對象在JS是怎樣表示的呢？怎樣能夠在JS拿到這個實例對象後能夠直接調用它的實例方法 (UIView.alloc().init())？

對於一個自定義id對象，JavaScriptCore 會把這個自定義對象的指針傳給JS，這個對象在JS沒法使用，但在回傳給OC時OC能夠找到這個對象。對於這個對象生命週期的管理，按個人理解若是JS有變量引用時，這個OC對象引用計數就加1 ，JS變量的引用釋放了就減1，若是OC上沒別的持有者，這個OC對象的生命週期就跟着JS走了，會在JS進行垃圾回收時釋放。

傳回給JS的變量是這個OC對象的指針，若是不通過任何處理，是沒法經過這個變量去調用實例方法的。因此在返回對象時，JSPatch 會對這個對象進行封裝。

首先，告訴JS這是一個OC對象：

static NSDictionary *toJSObj(id obj)
{
    if (!obj) return nil;
    return @{@"__isObj": @(YES), @"cls": NSStringFromClass([obj class]), @"obj": obj};
}

用__isObj表示這是一個OC對象，對象指針也一塊兒返回。接着在JS端會把這個對象轉爲一個 JSClass 實例：

var JSClass
var _getJSClass = function(className) {
  if (!JSClass) {
    JSClass = function(obj, className, isSuper) {
        this.__obj = obj
        this.__isSuper = isSuper
        this.__clsName = className
    }
  }
  return JSClass
}

var _toJSObj = function(meta) {
  var JSClass = _getJSClass()
  return new JSClass(meta["obj"], meta["cls"])
}

JS端若是發現返回是一個OC對象，會傳入 _toJSObj()，生成一個 JSClass 實例，這個實例保存着OC對象指針，類名等。這個實例就是OC對象在 JSPatch 對應的JS對象，生命週期是同樣的。

回到咱們第二點說的 JS接口， 這個 JSClass 實例對象一樣有 __c 函數，調用這個對象的方法時，一樣走到 __c 函數， __c 函數會把JSClass實例對象裏的OC對象指針以及要調用的方法名和參數回傳給OC，這樣OC就能夠調用這個對象的實例方法了。

接着看看對象是怎樣回傳給OC的。上述例子中，view.setBackgroundColor(require('UIColor').grayColor())，這裏生成了一個 UIColor 實例對象，並做爲參數回傳給OC。根據上面說的，這個 UIColor 實例在JS中的表示是一個 JSClass 實例，因此不能直接回傳給OC，這裏的參數實際上會在 __c 函數進行處理，會把對象的 .__obj 原指針回傳給OC。

最後一點，OC對象可能會存在於 NSDictionary / NSArray 等容器裏，因此須要遍歷容器挑出OC對象進行格式化，OC須要把對象都替換成JS認得的格式，JS要把對象轉成 JSClass 實例，JS實例回傳給OC時須要把實例轉爲OC對象指針。因此OC流出數據時都會通過 formatOCObj() 方法處理，JS從OC獲得數據時都會通過 _formatOCToJS() 處理，JS傳參數給OC時會通過 _formatJSToOC() 處理，圖示：

JSPatch1.png

5.類型轉換

JS把要調用的類名/方法名/對象傳給OC後，OC調用類/對象相應的方法是經過 NSInvocation 實現，要能順利調用到方法並取得返回值，要作兩件事：

1.取得要調用的OC方法各參數類型，把JS傳來的對象轉爲要求的類型進行調用。
2.根據返回值類型取出返回值，包裝爲對象傳回給JS。

例如開頭例子的 view.setAlpha(0.5)， JS傳遞給OC的是一個 NSNumber，OC須要經過要調用OC方法的 NSMethodSignature 得知這裏參數要的是一個 float 類型值，因而把NSNumber轉爲float值再做爲參數進行OC方法調用。這裏主要處理了 int/float/bool 等數值類型，並對 CGRect/CGRange 等類型進行了特殊轉換處理，剩下的就是實現細節了。

方法替換

JSPatch 能夠用 defineClass 接口任意替換一個類的方法，方法替換的實現過程也是頗爲曲折，一開始是用 va_list 的方式獲取參數，結果發現 arm64 下不可用，只能轉而用另外一種hack方式繞道實現。另外在給類新增方法、實現property、支持self/super關鍵字上也費了些功夫，下面逐個說明。

基礎原理

OC上，每一個類都是這樣一個結構體：

struct objc_class {
  struct objc_class * isa;
  const char *name;
  ….
  struct objc_method_list **methodLists; /*方法鏈表*/
};

其中 methodList 方法鏈表裏存儲的是Method類型：

typedef struct objc_method *Method;
typedef struct objc_ method {
  SEL method_name;
  char *method_types;
  IMP method_imp;
};

Method 保存了一個方法的所有信息，包括SEL方法名，type各參數和返回值類型，IMP該方法具體實現的函數指針。

經過 Selector 調用方法時，會從 methodList 鏈表裏找到對應Method進行調用，這個 methodList 上的的元素是能夠動態替換的，能夠把某個 Selector 對應的函數指針IMP替換成新的，也能夠拿到已有的某個 Selector 對應的函數指針IMP，讓另外一個 Selector 跟它對應，Runtime 提供了一些接口作這些事，以替換 UIViewController 的 -viewDidLoad: 方法爲例：

static void viewDidLoadIMP (id slf, SEL sel) {
   JSValue *jsFunction = …;
   [jsFunction callWithArguments:nil];
}

Class cls = NSClassFromString(@"UIViewController");
SEL selector = @selector(viewDidLoad);
Method method = class_getInstanceMethod(cls, selector);

//得到viewDidLoad方法的函數指針
IMP imp = method_getImplementation(method)

//得到viewDidLoad方法的參數類型
char *typeDescription = (char *)method_getTypeEncoding(method);

//新增一個ORIGViewDidLoad方法，指向原來的viewDidLoad實現
class_addMethod(cls, @selector(ORIGViewDidLoad), imp, typeDescription);

//把viewDidLoad IMP指向自定義新的實現
class_replaceMethod(cls, selector, viewDidLoadIMP, typeDescription);

這樣就把 UIViewController 的 -viewDidLoad 方法給替換成咱們自定義的方法，APP裏調用 UIViewController 的 viewDidLoad 方法都會去到上述 viewDidLoadIMP 函數裏，在這個新的IMP函數裏調用JS傳進來的方法，就實現了替換 -viewDidLoad 方法爲JS代碼裏的實現，同時爲 UIViewController 新增了個方法 -ORIGViewDidLoad 指向原來 viewDidLoad 的IMP，JS能夠經過這個方法調用到原來的實現。

方法替換就這樣很簡單的實現了，但這麼簡單的前提是，這個方法沒有參數。若是這個方法有參數，怎樣把參數值傳給咱們新的IMP函數呢？例如 UIViewController 的 -viewDidAppear: 方法，調用者會傳一個Bool值，咱們須要在本身實現的IMP（上述的viewDidLoadIMP）上拿到這個值，怎樣能拿到？若是隻是針對一個方法寫IMP，是能夠直接拿到這個參數值的：

static void viewDidAppear (id slf, SEL sel, BOOL animated) {
   [function callWithArguments:@(animated)];
}

但咱們要的是實現一個通用的IMP，任意方法任意參數均可以經過這個IMP中轉，拿到方法的全部參數回調JS的實現。

va_list實現(32位)

最初我是用可變參數va_list實現：

static void commonIMP(id slf, ...)
  va_list args;
  va_start(args, slf);
  NSMutableArray *list = [[NSMutableArray alloc] init];
  NSMethodSignature *methodSignature = [cls instanceMethodSignatureForSelector:selector];
  NSUInteger numberOfArguments = methodSignature.numberOfArguments;
  id obj;
  for (NSUInteger i = 2; i < numberOfArguments; i++) {
      const char *argumentType = [methodSignature getArgumentTypeAtIndex:i];
      switch(argumentType[0]) {
          case 'i':
              obj = @(va_arg(args, int));
              break;
          case 'B':
              obj = @(va_arg(args, BOOL));
              break;
          case 'f':
          case 'd':
              obj = @(va_arg(args, double));
              break;
          …… //其餘數值類型
          default: {
              obj = va_arg(args, id);
              break;
          }
      }
      [list addObject:obj];
  }
  va_end(args);
  [function callWithArguments:list];
}

這樣不管方法參數是什麼，有多少個，均可以經過 va_list 的一組方法一個個取出來，組成NSArray在調用JS方法時傳回。很完美地解決了參數的問題，一直運行正常，直到我跑在arm64的機子上測試，一調用就crash。查了資料，才發現arm64下 va_list 的結構改變了，致使沒法上述這樣取參數。詳見這篇文章。

ForwardInvocation實現(64位)

後來找到另外一種很是hack的方法解決參數獲取的問題，利用了OC消息轉發機制。

當調用一個 NSObject 對象不存在的方法時，並不會立刻拋出異常，而是會通過多層轉發，層層調用對象的 -resolveInstanceMethod:, -forwardingTargetForSelector:, -methodSignatureForSelector:, -forwardInvocation: 等方法，這篇文章說得比較清楚，其中最後 -forwardInvocation: 是會有一個 NSInvocation 對象，這個 NSInvocation 對象保存了這個方法調用的全部信息，包括 Selector 名，參數和返回值類型，最重要的是有全部參數值，能夠從這個 NSInvocation 對象裏拿到調用的全部參數值。咱們能夠想辦法讓每一個須要被JS替換的方法調用最後都調到 -forwardInvocation:，就能夠解決沒法拿到參數值的問題了。

具體實現，以替換 UIViewController 的 -viewWillAppear: 方法爲例：

  1. 把UIViewController的 -viewWillAppear: 方法經過 class_replaceMethod() 接口指向一個不存在的IMP: class_getMethodImplementation(cls, @selector(__JPNONImplementSelector))，這樣調用這個方法時就會走到 -forwardInvocation:。

  2. 爲 UIViewController 添加 -ORIGviewWillAppear: 和 -_JPviewWillAppear: 兩個方法，前者指向原來的IMP實現，後者是新的實現，稍後會在這個實現裏回調JS函數。

  3. 改寫 UIViewController 的 -forwardInvocation: 方法爲自定義實現。一旦OC裏調用 UIViewController 的 -viewWillAppear: 方法，通過上面的處理會把這個調用轉發到 -forwardInvocation: ，這時已經組裝好了一個 NSInvocation，包含了這個調用的參數。在這裏把參數從 NSInvocation 反解出來，帶着參數調用上述新增長的方法 -JPviewWillAppear: ，在這個新方法裏取到參數傳給JS，調用JS的實現函數。整個調用過程就結束了，整個過程圖示以下：

JSPatch2.png

最後一個問題，咱們把 UIViewController 的 -forwardInvocation: 方法的實現給替換掉了，若是程序裏真有用到這個方法對消息進行轉發，原來的邏輯怎麼辦？首先咱們在替換 -forwardInvocation: 方法前會新建一個方法 -ORIGforwardInvocation:，保存原來的實現IMP，在新的 -forwardInvocation: 實現裏作了個判斷，若是轉發的方法是咱們想改寫的，就走咱們的邏輯，若不是，就調 -ORIGforwardInvocation: 走原來的流程。

實現過程當中還碰到一個坑，就是從 -forwardInvocation: 裏的 NSInvocation 對象取參數值時，若參數值是id類型，咱們會這樣取:

id arg;
[invocation getArgument:&arg atIndex:i];

但這樣取某些時候會致使莫名其妙的crash，並且不是crash在這個地方，彷佛這裏的指針取錯致使後續的內存錯亂，crash在各類地方，這個bug查了我半天才定位到這裏，至今不知爲何。後來以這樣的方式解決了：

void *arg;
[invocation getArgument:&arg atIndex:i];
id a = (__bridge id)arg;

其餘就是實現上的細節了，例如須要根據不一樣的返回值類型生成不一樣的IMP，要在各到處理參數轉換等。

新增方法

在 JSPatch 剛開源時，是不支持爲一個類新增方法的，由於以爲能替換原生方法就夠了，新的方法純粹添加在JS對象上，只在JS端跑就好了。另外OC爲類新增方法須要知道各個參數和返回值的類型，須要在JS定一種方式把這些類型傳給OC才能完成新增方法，比較麻煩。後來挺多人比較關注這個問題，不能新增方法致使 action-target 模式沒法用，我也開始想有沒有更好的方法實現添加方法。一開始想到，反正新增的方法都是JS在用，不如新增的方法返回值和參數全統一成id類型，這樣就不用傳類型了，但仍是須要知道參數個數，後來跟Lancy聊天時找到了解決方案，JS能夠得到函數參數個數，直接封裝一下把參數個數一併傳給OC就好了。

如今 defineClass 定義的方法會通過JS包裝，變成一個包含參數個數和方法實體的數組傳給OC，OC會判斷若是方法已存在，就執行替換的操做，若不存在，就調用 class_addMethod() 新增一個方法，經過傳過來的參數個數和方法實體生成新的 Method，把 Method 的參數和返回值類型都設爲id。

這裏有個問題，若某個類實現了某protocol，protocol方法裏有可選的方法，它的參數不全是id類型，例如 UITableViewDataSource 的一個方法：

- (NSInteger)tableView:(UITableView *)tableView sectionForSectionIndexTitle:(NSString *)title atIndex:(NSInteger)index;

若原類沒有實現這個方法，在JS裏實現了，會走到新增方法的邏輯，每一個參數類型都變成id，與這個 protocol 方法不匹配，產生錯誤。後續會處理 protocol 的問題，若新增的方法是 protocol 實現的方法，會取這個方法的 NSMethodSignature 得到正確的參數類型進行添加。

Property實現

defineClass('JPTableViewController : UITableViewController', {
  dataSource: function() {
    var data = self.getProp('data')
    if (data) return data;
    data = [1,2,3]
    self.setProp_forKey(data, 'data')
    return data;
  }
}

JSPatch 能夠經過 -getProp:， -setProp:forKey: 這兩個方法給對象添加成員變量。實現上用了運行時關聯接口 objc_getAssociatedObject() 和 objc_setAssociatedObject() 模擬，至關於把一個對象跟當前對象 self 關聯起來，之後能夠經過當前對象 self 找到這個對象，跟成員的效果同樣，只是必定得是id對象類型。

原本OC有 class_addIvar() 能夠爲類添加成員，但必須在類註冊以前添加完，註冊完成後沒法添加，這意味着能夠爲在JS新增的類添加成員，但不能爲OC上已存在的類添加，因此只能用上述方法模擬。

self關鍵字

defineClass("JPViewController: UIViewController", {
  viewDidLoad: function() {
    var view = self.view()
    ...
  },
}

JSPatch支持直接在 defineClass 裏的實例方法裏直接使用 self 關鍵字，跟OC同樣 self 是指當前對象，這個 self 關鍵字是怎樣實現的呢？實際上這個self是個全局變量，在 defineClass 裏對實例方法 方法進行了包裝，在調用實例方法以前，會把全局變量 self 設爲當前對象，調用完後設回空，就能夠在執行實例方法的過程當中使用 self 變量了。這是一個小小的trick。

super關鍵字

defineClass("JPViewController: UIViewController", {
  viewDidLoad: function() {
    self.super.viewDidLoad()
  },
}

OC裏 super 是一個關鍵字，沒法經過動態方法拿到 super，那麼 JSPatch 的super是怎麼實現的？實際上調用 super 的方法，OC作的事是調用父類的某個方法，並把當前對象當成 self 傳入父類方法，咱們只要模擬它這個過程就好了。

首先JS端須要告訴OC想調用的是當前對象的 super 方法，作法是調用 self.super時，會返回一個新的 JSClass 實例，這個實例一樣保存了OC對象的引用，同時標識 __isSuper=1。

JSClass = function(obj, className, isSuper) {
    this.__obj = obj
    this.__isSuper = isSuper
    this.__clsName = className
}
JSClass.prototype.__defineGetter__('super', function(){
  if (!this.__super) {
    this.__super = new JSClass(this.__obj, this.__clsName, 1)
  }
  return this.__super
})

調用方法時，__isSuper 會傳給OC，告訴OC要調 super 的方法。OC作的事情是，若是是調用 super 方法，找到 superClass 這個方法的IMP實現，爲當前類新增一個方法指向 super 的IMP實現，那麼調用這個類的新方法就至關於調用 super 方法。把要調用的方法替換成這個新方法，就完成 super 方法的調用了。

static id callSelector(NSString *className, NSString *selectorName, NSArray *arguments, id instance, BOOL isSuper) {
    ...
    if (isSuper) {
        NSString *superSelectorName = [NSString stringWithFormat:@"SUPER_%@", selectorName];
        SEL superSelector = NSSelectorFromString(superSelectorName);

        Class superCls = [cls superclass];
        Method superMethod = class_getInstanceMethod(superCls, selector);
        IMP superIMP = method_getImplementation(superMethod);

        class_addMethod(cls, superSelector, superIMP, method_getTypeEncoding(superMethod));
        selector = superSelector;
    }
    ...
}

總結

整個 JSPatch 實現原理就大體描述完了，剩下的一些小點，例如GCD接口，block實現，方法名下劃線處理等就不細說了，能夠直接看代碼。JSPatch 還在持續改進中，但願能成爲iOS平臺動態更新的最佳解決方案，歡迎你們一塊兒建設這個項目，github地址： https://github.com/bang590/JSPatch

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