iOS Category 實現解析

一、Category 是什麼

category是 Object-C 2.0 以後添加的語言特性。

1-一、category的做用

• 一、爲已有的類添加方
• 二、能夠減小單個文件的體積
• 三、把不一樣的功能添加到不一樣的Category
• 四、能夠按需加載功能
• 五、聲明私有有方法
• 六、公開framework的私有方法

1-二、category的數據結構

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
    struct property_list_t *_classProperties;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }
    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};
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變量	註解
const char *name	類名
classref_t cls	原來的類的指針（一開始爲空，編譯時期最後根據name綁定）
struct method_list_t *instanceMethods	分類聲明的實例方法列表
struct method_list_t *classMethods	分類聲明的類方法列表
struct protocol_list_t *protocols	分類遵照協議列表
struct property_list_t *instanceProperties	分類聲明的實例屬性列表
struct property_list_t *_classProperties	分類聲明的類屬性列表

1-三、method_list_t

method_list_t 是一個範型容器，裏面存放的是 method_t 結構體

struct method_list_t : entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 0x3> {
    bool isFixedUp() const;
    void setFixedUp();

    uint32_t indexOfMethod(const method_t *meth) const {
        uint32_t i = 
            (uint32_t)(((uintptr_t)meth - (uintptr_t)this) / entsize());
        assert(i < count);
        return i;
    }
};
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template <typename Element, typename List, uint32_t FlagMask>
struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
    Element first;
};
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變量	註解
typename Element	元素類型
typename List	用於指定容器類型
uint32_t FlagMask	標記位

1-四、method_t

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    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; }
    };
};
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變量	註解
SEL name	方法名
const char *types	方法簽名
MethodListIMP	方法指針

二、Category 的加載

• image這裏指的不是圖片，是Mach-O格式的二進制文件，dyld就是蘋果加載image的動態加載器
• main函數啓動前，系統內核會啓動dyld把App依賴的各類庫加載到內存，其中包括libobjc (OC和runtime)。
• _objc_init是Objcet-C runtime的入口函數，這裏面主要功能就是讀取Mach-O文件OC對應的Segment sction，並根據其中的代碼信息完成OC的內存佈局，以及初始化runtime相關數據結構

2-一、_objc_init 分析

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    //讀取影響運行的環境變量，若是須要，還能夠打印環境變量幫助
    environ_init();
    //關於線程key的綁定--好比每線程數據的析構函數
    tls_init();
    //運行系統的C++靜態構造函數，在dyld調用咱們的靜態構造函數以前，libc會調用_objc_init(),因此咱們必須本身作
    static_init();
    //無源碼,就是說objc的異常徹底纔有c++那一套
    lock_init();
    //初始化異常處理系統，好比註冊異常的回調函數，來監控異常
    exception_init();
    
    //僅供objc運行時使用，註冊處理程序，以便在映射、取消映射和初始化objc鏡像文件時調用
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}
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主要關注最後一句代碼

_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
複製代碼

void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped    mapped,
                                _dyld_objc_notify_init      init,
                                _dyld_objc_notify_unmapped  unmapped);
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這句代碼註冊了dyld關於加載images的回調，有如下三個事件：

• image映射到內存時
• image被init時
• image被移時

2-1-一、image映射到內存時

當image被dyld加載到內存後會調用回調_dyld_objc_notify_mapped

map_images(unsigned count, const char * const paths[],
           const struct mach_header * const mhdrs[])
{
    mutex_locker_t lock(runtimeLock);
    return map_images_nolock(count, paths, mhdrs);
}
複製代碼

• 咱們能夠看到map_images實際上調用了map_images_nolock 方法。

• 進入map_images_nolock內部，這個方法實現至關長，咱們只須要關注其內部調用的_read_images方法。

• _read_images的做用就是讀取Segment sction來初始化。

  • _read_images中，會讀取類的各類信息。其中： category_t **catlist = _getObjc2CategoryList(hi, &count); 就是讀取分類的信息了。

  • 在讀取到分類信息之後，會調用 addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi); 這把當前分類加載到類當中。

  • addUnattachedCategoryForClass方法 的最後會調用NXMapInsert(cats, cls, list);這是在作底層數據結構的映射，咱們能夠簡單理解爲創建了cats(分類結構體)和cls（類）的關聯。

  • 在創建了關聯之後，就須要把分類中的方法和屬性一一添加到類當中。remethodizeClass(cls->ISA());這句對當前類進行重排列。在 remethodizeClass內部會調用attachCategories(cls, cats, true /*flush caches*/);

  • attachCategories會從新聲明方法列表，協議列表，屬性列表的內存空間並把方法、協議、屬性添加到當前類。

2-1-1-一、分類屬性的添加

//在 attachCategories 方法中
    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);
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2-1-1-二、分類屬性的添加

//在 attachCategories 方法中
    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);
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2-1-1-三、分類方法的添加

//在 attachCategories 方法中
     auto rw = cls->data();
    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
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• 會先調用prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
• prepareMethodLists方法裏調用了fixupMethodList(mlist, methodsFromBundle, true/*sort*/);
• fixupMethodList方法是準備好須要添加的方法列表，主要作了如下工做：
  • 比較方法列表，去重
  • 把mlist裏的方法都填充當前類的類名
  • 把mlist裏的方法根據內存地址排序
• 準備好方法列表之後就會調用attachLists方法把方法添加到原來的類的方法列表裏：

  • 改變原來方法列表的大小，主要經過memmove方法、memcpy方法 實現，這兩個方法都用於內存拷貝。

    • memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists,
              oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
      memcpy(array()->lists, addedLists,  
             addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
      複製代碼

    • void   *memcpy(void *__dst, const void *__src, size_t __n);
      void   *memmove(void *__dst, const void *__src, size_t __len);
      複製代碼

    • memcpy方法是把當前src指向的位置拷貝len的長度放到 dst的位置

    • memmove方法在當前src指向的位置加上n的長度與 dst的位置不重疊的時候和memcpy方法一致，當發生內存重疊的時候memmove可以保證源串在被覆蓋以前將重疊區域的字節拷貝到目標區域中。

    • 當src位置在dst位置後面，memmove和memcpy都能很好的實現。

    • 當src位置在dst位位置前面，也就內存拷貝重疊的時候memcpy可能致使原數據改變而失敗，使用memmove更加安全。

  • 咱們能夠看到，分類添加方法實際上是發生了內存移動。因此類原有的方法即便在分類中從新實現，也只是被覆蓋而不會消失，還能夠經過訪問方法列表調用。

  • 方法調用實際上是遍歷方法列表找到合適的方法而後調用，在調用過程會先使用二分查找。若是先找到後面有合適的方法，並不會馬上返回該方法IMP指針，而是向前查找是否有同名方法，若是有就返回前面方法的IMP指針不然返回後面的。因此會確保前面的方法先被調用。

2-1-二、image被init時

_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
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void _dyld_objc_notify_register(_dyld_objc_notify_mapped    mapped,
                                _dyld_objc_notify_init      init,
                                _dyld_objc_notify_unmapped  unmapped);
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二進制文件初始化完成後會調用loadImages

2-1-2-一、load方法調用規則

• 類的load方法必定在其父類的load方法調用後調用
• 分類的load方法必定在當前類load方法調用後調用
• 分類的load方法調用順序和編譯順序有關

2-1-2-二、loadImages

• loadImages裏會調用 prepare_load_methods((const headerType *)mh);
• loadImages裏會調用 call_load_methods();

2-1-2-2-一、 prepare_load_methods((const headerType *)mh);

• 依據當前調用規則，把當前類和分類進行重排列
• 從Mach-O文件加載類的列表，遍歷調整當前類的順序

• void prepare_load_methods(const headerType *mhdr)
    {
        size_t count, i;
  
        runtimeLock.assertLocked();
  
        //從 Macho 文件加載類的列表
        classref_t *classlist = 
         _getObjc2NonlazyClassList(mhdr, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            //數組：[<cls,method>,<cls,method>,<cls,method>] 有順序
            schedule_class_load(remapClass(classlist[i]));
        }
  
        //針對分類的操做！
        category_t **categorylist = _getObjc2NonlazyCategoryList(mhdr, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = categorylist[i];
            Class cls = remapClass(cat->cls);
            if (!cls) continue;  // category for ignored weak-linked class
         realizeClass(cls);
         assert(cls->ISA()->isRealized());
            add_category_to_loadable_list(cat);
        }
    }
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  • schedule_class_load方法會基於當前類的指針進行遞歸調用。從當前類開始找父類直到NSObject爲止，而後開始一級一級向下調用load方法。

  • 這個遞歸調用就是爲了保證當前類的load方法必定在其父類的load方法調用後調用。

  • //遞歸調用
      static void schedule_class_load(Class cls)
      {
          if (!cls) return;
          assert(cls->isRealized());  // _read_images should realize
          if (cls->data()->flags & RW_LOADED) return;
          // Ensure superclass-first ordering
          schedule_class_load(cls->superclass);
          add_class_to_loadable_list(cls);
          cls->setInfo(RW_LOADED); 
      }
    複製代碼

    • add_class_to_loadable_list方法就是分配內存空間並把當前的類添加到一個全局的容器loadable_classes之中。添加順序也是NSObject -> ... -> superclass -> class。添加完成後咱們就能夠獲得一個當前類類的全局容器，裏面存放了當前class以及method。

    //分配空間
        if (loadable_classes_used == loadable_classes_allocated) {
        loadable_classes_allocated = loadable_classes_allocated*2 + 16;
        loadable_classes = (struct loadable_class *)
        realloc(loadable_classes, loadable_classes_allocated * sizeof(struct loadable_class));
        }
        //添加到全局容器
        loadable_classes[loadable_classes_used].cls = cls;
        loadable_classes[loadable_classes_used].method = method;
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  • 處理完當前類之後經過add_category_to_loadable_list方法對分類作相同的處理，獲得loadable_categories這個裝有全部分類的容器。Mach-O文件中哪一個分 類在前面，哪一個分類就會被先調用

3-1-2-2-一、 call_load_methods();

do {
    // 1. Repeatedly call class +loads until there aren't any more while (loadable_classes_used > 0) { //先調用類的 load 方法 call_class_loads(); } // 2. Call category +loads ONCE more_categories = call_category_loads(); // 3. Run more +loads if there are classes OR more untried categories } while (loadable_classes_used > 0 || more_categories); 複製代碼

• 優先調用當前類的load方法 (loadable_classes容器)
• 後調用分類的load方法 (loadable_categories容器)
• (*load_method)(cls, SEL_load); 拿到load方法的指針而後發送一個消息

三、總結

• objc_init
  • _dyld_objc_notify_register：註冊回調
    • map_images：映射
      • map_images_nolock
        • _read_images：讀取image
          • addUnattachedCategoryForClass：添加category到class
          • remethodizeClass：從新分配類的內存
            • attachCategories：添加操做
              • prepareMethodLists：去重、綁定類名、排序
              • attachLists：改變列表大小 並添加元素
                • memmove：內存移動拷貝
                • memcpy：內存拷貝
    • load_images：加載
      • prepare_load_methods：準備加載
        • schedule_class_load：遞歸調用load
          • add_class_to_loadable_list：獲取全局class容器並調用load
            • loadable_classes：全局容器
        • _getObjc2NonlazyCategoryList：獲取category
        • add_category_to_loadable_list：獲取全局category容器並調用load
          • loadable_categories：全局容器