【iOS】方法與消息底層分析

前言

方法的本質

向不同對象發送消息

發送實例方法

發送類方法

對象調用方法實際執行是父類

向父類發送類方法

消息查找流程

開始查找

快速查找流程

慢速查找流程

動態方法決議

應用場景

優化方案

消息轉發機制

快速轉發流程

應用場景

慢速轉發流程

應用場景

前言

在OC底層中，方法的調用實質上是通過消息的發送實現的，這篇文章我們來看一看消息的發送是怎么樣的

方法的本質

方法的本質就是通過objc_msgSend發送消息，有兩個參數，第一個是id類型，表示消息接受者，第二個，表示方法編號。

向不同對象發送消息

發送實例方法

消息接收者是實例對象

發送類方法

本質上是向類對象發送消息

objc_getClass得到的是類對象

對象調用方法實際執行是父類

Runtime中提供了一個接口處理這種情況：父類中實現了該方法，而子類沒有實現該方法，子類對象調用方法，會執行父類中實現（符合繼承的特性）

這個接口是objc_msgSendSuper，使用時還需要用到objc_super結構體，并給結構體賦值（receiver、super_class）

該結構體中receiver表示接收消息的實例對象，super_class表示父類類對象，根據這個賦值

可以看到這兩種方式都是執行父類的實現，因此可以推斷：方法調用首先在類中查找，如果找不到就到父類中查找

向父類發送類方法

上面向父類發送實例方法時，receiver表示實例對象，super_class表示父類類對象。而如果向父類發送類方法，reciever表示類對象，super_class表示父類元類對象

消息查找流程

消息查找的流程就是通過上層的sel發送消息objc_msgSend找到底層具體imp的實現的過程，objc_msgSend是用匯編寫的而不是用C語言

開始查找

在開始objc_msgSend之后

首先會判斷消息接受者是否為空，為空就直接返回
然后會判斷是否為小對象，也就是是否為tagged_pointers
之后取對象中的isa存到寄存器p13中，根據isa進行mask地址偏移來得到對應的上級對象（類、元類）

取得了上級對象之后，就可以開始快速查找流程了，也就是在緩存中找imp的過程

快速查找流程

首先通過類的首地址偏移16字節找到cache的地址（cache離首地址16字節，isa占8字節，superclass占8字節），cache高16位存mask，低48位存buckets
然后從cache中分別取出buckets和mask，根據mask通過哈希算法算出哈希下標，根據哈希下標和bukets首地址來得到對應的bucket，bucket中存放著imp和sel
那么怎么確定找到的imp和sel就是要找的那個呢？主要是通過兩層循環：
1. 第一層循環：比較bucket中的sel和objc_msgSend中第二個參數_cmd是否相等：如果相等，就直接跳轉到CacheHit，即緩存命中，返回imp；如果不相等，有三種情況：
  1. 一種是一直找不到，就直接跳轉到CheckMiss，因為參數$0是normal，會跳轉到__objc_msgSend_uncached，看英文就能明白意思就是沒找到，這時就會進入慢速查找流程
  2. 第二種是如果獲取到的bucket是第一個元素，那么就手動把它設置為最后一個元素，然后進行第二層循環
  3. 如果當前bucket不是第一個元素，那就繼續當前的循環
2. 第二層循環：和第一層循環基本相同，只是如果bucket還是等于buckets中第一個元素，就直接跳轉到JumpMiss，此時也會跳轉到沒找到__objc_msgSend_uncached，進入慢速查找

慢速查找流程

慢速查找的過程分為匯編和C兩個部分，這里我們不糾結匯編部分，匯編最后調用的是lookUpImpOrForward，這是一個C實現的函數

NEVER_INLINE
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{// 定義的消息轉發const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;IMP imp = nil;Class curClass;
?runtimeLock.assertUnlocked();
?if (slowpath(!cls->isInitialized())) {// The first message sent to a class is often +new or +alloc, or +self// which goes through objc_opt_* or various optimized entry points.//// However, the class isn't realized/initialized yet at this point,// and the optimized entry points fall down through objc_msgSend,// which ends up here.//// We really want to avoid caching these, as it can cause IMP caches// to be made with a single entry forever.//// Note that this check is racy as several threads might try to// message a given class for the first time at the same time,// in which case we might cache anyway.behavior |= LOOKUP_NOCACHE;}
?// runtimeLock is held during isRealized and isInitialized checking// to prevent races against concurrent realization.
?// runtimeLock is held during method search to make// method-lookup + cache-fill atomic with respect to method addition.// Otherwise, a category could be added but ignored indefinitely because// the cache was re-filled with the old value after the cache flush on// behalf of the category.
?//加鎖，目的是保證讀取的線程安全runtimeLock.lock();
?// We don't want people to be able to craft a binary blob that looks like// a class but really isn't one and do a CFI attack.//// To make these harder we want to make sure this is a class that was// either built into the binary or legitimately registered through// objc_duplicateClass, objc_initializeClassPair or objc_allocateClassPair.//判斷是否是一個已知的類：判斷當前類是否是已經被認可的類，即已經加載的類checkIsKnownClass(cls);
?//判斷類是否實現，如果沒有，需要先實現，此時的目的是為了確定父類鏈，方法后續的循環cls = realizeAndInitializeIfNeeded_locked(inst, cls, behavior & LOOKUP_INITIALIZE);// runtimeLock may have been dropped but is now locked againruntimeLock.assertLocked();curClass = cls;
?// The code used to lookup the class's cache again right after// we take the lock but for the vast majority of the cases// evidence shows this is a miss most of the time, hence a time loss.//// The only codepath calling into this without having performed some// kind of cache lookup is class_getInstanceMethod().//----查找類的緩存// unreasonableClassCount -- 表示類的迭代的上限//（猜測這里遞歸的原因是attempts在第一次循環時作了減一操作，然后再次循環時,仍在上限的范圍內，所以可以繼續遞歸）for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) {if (curClass->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true)) {
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHESimp = cache_getImp(curClass, sel);if (imp) goto done_unlock;curClass = curClass->cache.preoptFallbackClass();
#endif} else {// curClass method list.//---當前類方法列表（采用二分查找算法），如果找到，則返回，將方法緩存到cache中Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);if (meth) {imp = meth->imp(false);goto done;}//當前類 = 當前類的父類，并判斷父類是否為nilif (slowpath((curClass = curClass->getSuperclass()) == nil)) {// No implementation found, and method resolver didn't help.// Use forwarding.//--未找到方法實現，方法解析器也不行，使用轉發imp = forward_imp;break;}}
?// Halt if there is a cycle in the superclass chain.// 如果父類鏈中存在循環，則停止if (slowpath(--attempts == 0)) {_objc_fatal("Memory corruption in class list.");}
?// Superclass cache.// --父類緩存imp = cache_getImp(curClass, sel);if (slowpath(imp == forward_imp)) {// Found a forward:: entry in a superclass.// Stop searching, but don't cache yet; call method// resolver for this class first.// 如果在父類中找到了forward，則停止查找，且不緩存，首先調用此類的方法解析器break;}if (fastpath(imp)) {// Found the method in a superclass. Cache it in this class.//如果在父類中，找到了此方法，將其存儲到cache中goto done;}}
?// No implementation found. Try method resolver once.//沒有找到方法實現，嘗試一次方法解析
?if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {//動態方法決議的控制條件，表示流程只走一次behavior ^= LOOKUP_RESOLVER;return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);}
?done:if (fastpath((behavior & LOOKUP_NOCACHE) == 0)) {
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHESwhile (cls->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true)) {cls = cls->cache.preoptFallbackClass();}
#endif//存儲到緩存log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);}done_unlock://解鎖runtimeLock.unlock();if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {return nil;}return imp;
}

上面是慢速查找的源碼，用自然語言來表述就是：

首先進行一次快速查找，也就是在cache緩存中查找，找到就直接返回imp，沒找到就繼續
先判斷cls是否是已知類，如果不是就報錯；再判斷類是否實現，如果沒實現需要先實現，這個時候實現的目的是為了確定它的父類鏈，ro以及rw等，方便之后數據讀取和查找；還要判斷是否初始化，沒有就初始化
接下來進入for循環，沿著類或元類的繼承鏈進行查找：
1. 對于當前cls，在方法列表中使用二分查找進行查找，如果找到就進入cache寫入流程并返回imp，如果沒找到就返回nil
2. 當前cls賦值為父類，如果父類為nil，imp = 消息轉發，并終止遞歸，開始判斷是否執行過動態方法解析
3. 如果父類鏈中存在循環就報錯
4. 在父類中查找時，會先在父類緩存中查找，再在方法列表中查找
判斷是否執行過動態方法解析，如果沒有就執行動態方法解析，執行過一次的話就走消息轉發流程

在二分查找過程中，如果找到的與key的value值相等，需要先排除分類方法

在進行完快速查找和慢速查找的流程之后，會進入動態方法決議和消息轉發流程

動態方法決議

在查找流程沒找到方法時，有一次機會補救就是動態方法決議，以實例方法為例，程序會走到resolveInstanceMethod方法：

用自然語言描述如下：

在發送resolveInstanceMethod消息前，先查找cls中有沒有這個方法的實現，也就是通過lookUpImpOrNil方法進入lookUpImpOrForward慢速查找流程找這個方法：
1. 如果沒找到就直接返回
2. 如果找到了就發送resolveInstanceMethod消息
再慢速查找實例方法的實現，又進行一次慢速查找