iOS 底層探索 - 方法
iOS 底層探索系列html
咱們在前面探索了對象和類的底層原理，接下來咱們要探索一下方法的本質，而在探索以前，咱們先簡單過一遍 Runtime 的知識點，若是讀者對這塊內容已經很熟悉了的話能夠直接跳過第一章。web
PS: 因爲筆者對彙編暫時仍是摸索的階段，關於彙編源碼的部分若有錯誤，歡迎指正。
1、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 更多內容能夠直接進入官網文檔查看。緩存
Runtime 是以 C/C++和彙編編寫而成的，爲何不用 OC 呢，這是由於對咱們編譯器來講，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，而在運行時系統須要儘量快的執行效率。app
1.1 Runtime 的前世此生
Runtime 分爲兩個版本，legacy 和 modern，分別對標 OC 1.0 和 OC 2.0。咱們一般只須要專一於 modern 版本便可，在 libObjc 源碼中體如今 new 後綴的文件上。ide
1.2 Runtime 三種交互方式
咱們與 Runtime 打交道有三種方式:函數
- 直接在
OC層進行交互：好比@selector -
NSObject的方法：NSSelectorFromName -
Runtime的函數：sel_registerName
2、方法的本質探索
2.1 方法初探
咱們能夠看到，經過 clang 重寫以後，sayNB 在底層實際上是一個消息的發送。oop
咱們把右側的發送消息的代碼簡化一下:post
LGPerson *person = objc_msgSend((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));
objc_msgSend((id)person, sel_registerName("sayNB"));
因而可知，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。學習
做爲對比，run 方法就直接執行了，並無經過 objc_msgSend 進行消息發送:ui
2.2 方法發送的幾種狀況
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。
咱們在 OC 中使用 objc_msgSend 的時候，要注意須要將 Enbale Strict of Checking of objc_msgSend Calls 設置爲 NO。這樣纔不會報警告。
3、探索 objc_msgSend
objc_msgSend 之因此採用彙編來實現，是由於
- 彙編更容易能被機器識別
- 參數未知、類型未知對於
C和C++來講不如彙編更駕輕就熟
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 ，也就是咱們 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 而後賦值到 p13 ，這裏 p13 拿到的是 isa。爲何要拿 isa 呢，由於不管是對象方法仍是類方法，咱們都須要在類或者元類的緩存或方法列表中去查找，因此 isa 是必需的。
3.3 GetClassFromIsa_p16
經過 GetClassFromIsa_p16，將獲取到的 class 存在 p16 上面。
GetClassFromIsa_p16 源碼以下:
.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經過位移操做獲取 isa 的 shiftcls 而後進行位運算與操做獲得真正的類信息。
LGetIsaDone:
CacheLookup NORMAL // calls imp or objc_msgSend_uncached
3.4 CacheLookup
獲取完 isa 以後，接下來就要進行 CacheLookup ，查找方法緩存，咱們再來到 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
經過上述代碼可知 CacheLookup 有三種模式：NORMAL，GETIMP， LOOKUP
ldp p10, p11, [x16, #CACHE]
-
CacheLookup須要讀取上一步拿到的類的cache緩存，而根據咱們前面對類結構的學習，這裏顯然進行 16 字節地址平移操做，而後把拿到的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進行與操做，其實本質就是_cmd&mask。這一步和咱們探索cache_t時遇到的
是一模模同樣樣的道理。目的就是拿到下標。而後通過哈希運算以後，獲得了 bucket 結構體指針，而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
- 接着咱們將上一步獲取到的
sel和咱們要查找的sel（在這裏也就是所謂的_cmd）進行比較，若是匹配了，就經過CacheHit將imp返回；若是沒有匹配，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
- 因爲上一步的
sel沒有匹配上，咱們須要接着進行搜索。
3.5 CheckMiss
咱們來到 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
這裏因爲咱們是 NORMAL 模式，因此會來到 __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
咱們再來到 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
咱們觀察 MethodTableLookup 內容以後會定位到 __class_lookupMethodAndLoadCache3。在 __class_lookupMethodAndLoadCache3 以前會作一些準備工做，真正的方法查找流程核心邏輯是位於 __class_lookupMethodAndLoadCache3 裏面的。 可是咱們全局搜索 __class_lookupMethodAndLoadCache3 會發現找不到，這是由於此時咱們會從彙編跳入到 C/C++。因此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*/);
}
4、總結
- 方法的本質就是消息發送，消息發送是經過
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，因此採用彙編來實現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，找不到就須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以後，會進行轉發。核心邏輯位於
lookUpImpOrForward。
咱們下一章將會從 lookUpImpOrForward 開始探索，探索底層的方法查找的具體流程究竟是怎麼樣的，敬請期待~
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