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Objective-C Direct Methods

Objective-C Direct Methods

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当新特性出现在Objective-C中时,很难让人兴奋。如今,任何此类改进都是为Swift互操作性服务的,而不是对语言本身的投资(请参见可空性nullability和轻量级泛型lightweight)。

因此,了解到这个最近合并到Clang的补丁是令人惊讶的,它为Objective-C方法添加了一个新的直接派发机制(direct dispatch mechanism)。

这一新语言功能的起源尚不清楚;我们最多只能找到一个Apple内部的Radar编号(2684889),除了它的相对年龄(据我们估计,大约在20世纪初),它并不能告诉我们更多。幸运的是,该功能具有足够的文档和测试覆盖范围,可以很好地了解其工作原理。 (对实现者Pierre Habouzit,审查经理John McCall和其他LLVM贡献者表示敬意)。

本周在NSHipster上,我们借此机会回顾了Objective-C方法的调度,并试图了解这一新语言功能对未来代码库的潜在影响。

Direct Methods最早可能会出现在Xcode 11.x上,但很可能会在WWDC 2020上宣布。

要了解直接方法的重要性,您需要了解一些有关Objective-C运行时的知识。 但是,在此之前,让我们从oop本身的起源开始我们的讨论:

Object-Oriented Programming 面向对象编程

艾伦·凯(Alan Kay)在1960年代后期创造了“面向对象编程”一词。在阿黛尔·戈德堡(Adele Goldberg),丹·英加尔斯(Dan Ingalls)和他在Xerox PARC的其他同事的帮助下,凯伊(Kay)通过创建Smalltalk编程语言,在70年代将该思想付诸实践。

在此期间,Xerox PARC的研究人员还开发了Xerox Alto,这将成为苹果Macintosh和所有其他GUI计算机的灵感来源。

在1980年代,布拉德·考克斯(Brad Cox)和汤姆·洛夫(Tom Love)开始开发Objective-C的第一个版本,该语言试图采用Smalltalk的面向对象模式,并在C的坚实基础上实现它。通过90年代的一系列偶然事件,该语言将成为下一个,以及后来的苹果的官方语言。

对于我们这些在iPhone时代开始学习Objective-C的人来说,这门语言常常被看作是苹果公司的又一项专有技术——它是苹果公司“不在这里发明”(nih)文化的无数晦涩难懂的副产品之一。但是,Objective-C不仅是“面向对象的C”,它还是原始的面向对象的语言之一,与其他任何语言一样,都有很强的面向对象凭证。

现在,oop是什么意思?这是个好问题。上世纪90年代的炒作周期使该词几乎毫无意义。但是,就我们今天的目的而言,让我们集中讨论艾伦·凯(Alan Kay)在1998年写的一句话:

很抱歉,我很久以前就为该主题创造了“对象”一词,因为它使许多人把注意力集中在较次要的思想上。 其主要思想是“消息传递”[ […]> ——Alan Kay

Dynamic Dispatch and the Objective-C Runtime 动态派发和Objective-C的运行时

在Objective-C中,程序由一组相互交互的对象组成,这些对象通过传递消息来相互作用,而这些消息又反过来调用方法或函数。这种消息传递行为用方括号语法表示:

[someObject aMethod:withAnArgument];
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当Objective-C代码被编译时,消息发送被转换成对一个名为objc_msgSend的函数的调用(字面意思是“将消息发送给某个带有参数的对象”)。

objc_msgSend(object, @selector(message), withAnArgument);
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  • 第一个参数是接收方(实例方法的自身)
  • 第二个参数是_cmd:选择器或方法的名称
  • 任何方法参数都作为附加的函数参数传递

objc_msgSend负责确定响应此消息该调用哪个底层实现,这个过程称为方法派发。

在Objective-C中,每个类(Class)维护一个派发表来解析运行时发送的消息。 派发表中的每个条目都是一个方法(Method),它将选择器(SEL)键接到对应的实现(IMP),后者是指向C函数的指针。 当对象收到消息时,它查询其类的派发表。 如果可以找到选择器的实现,则调用关联的函数。 否则,对象将查询其超类的派发表。 这将继续沿继承链向上进行,直到找到匹配项或根类(NSObject)认为选择器无法识别。

这还不包括Objective-C如何让你替换方法实现以及在运行时动态创建新类。你所能做的绝对是疯狂的。

如果你认为所有这些间接听起来都需要大量工作…在某种程度上,你是对的!

如果您的代码中有一个热路径(一种频繁调用的昂贵方法),那么您可以想象避免所有这些间接方法的好处。 为此,一些开发人员已使用C函数作为动态调度的一种方式。

Direct Dispatch with a C Function 用C函数直接调用

正如我们在objc_msgSend中看到的,任何方法调用都可以通过将隐式self作为第一个参数传递来用等价的函数表示。

例如,考虑使用传统的动态派发方法对Objective-C类进行以下声明。

@interface MyClass: NSObject
- (void)dynamicMethod;
@end
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如果开发人员希望在MyClass上实现某些功能,但不想完成整个消息发送过程,那么他们可以声明一个静态C函数,该函数以MyClass的一个实例作为参数。

static void directFunction(MyClass *__unsafe_unretained object);
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以下是这些方法如何转化为呼叫站点:

MyClass *object = [[[MyClass] alloc] init];

// Dynamic Dispatch
[object dynamicMethod];

// Direct Dispatch
directFunction(object);
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Direct Methods 直接方法

直接方法具有常规方法的外观,但是具有C函数的行为。 当直接方法被调用时,它直接调用它的底层实现,而不是通过objc_msgSend

有了这个新的LLVM补丁,您现在可以注释掉Objective-C方法,从而有选择性地避免参与动态派发。

objc_direct, @property(direct), and objc_direct_members

要使实例或类方法直接使用,可以使用objc_direct Clang属性对其进行标记。 同样,可以通过使用direct property属性声明Object-C属性的方式来使其直接使用。

@interface MyClass: NSObject
@property(nonatomic) BOOL dynamicProperty;
@property(nonatomic, direct) BOOL directProperty;

- (void)dynamicMethod;
- (void)directMethod __attribute__((objc_direct));
@end
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根据我们的计算,直接的添加使@property特性的总数达到16:

  • getter and setter
  • readwrite and readonly,
  • atomic and nonatomic
  • weak, strong, copy, retain, and unsafe_unretained
  • nullable, nonnullable, and null_resettable
  • class

当类别或类扩展的@interface使用objc_direct_members属性进行注释时,其中包含的所有方法和属性声明都被认为是直接的,除非该类以前声明过。

不能使用objc_direct_members属性来注释主类接口

__attribute__((objc_direct_members))
@interface MyClass ()
@property (nonatomic) BOOL directExtensionProperty;
- (void)directExtensionMethod;
@end
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objc_direct_members注释@implementation也有类似的效果,导致未先前声明的成员被认为是直接成员,包括由属性合成产生的任何隐式方法。

__attribute__((objc_direct_members))
@implementation MyClass
- (BOOL)directProperty {…}
- (void)dynamicMethod {…}
- (void)directMethod {…}
- (void)directExtensionMethod {…}
- (void)directImplementationMethod {…}
@end
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动态方法不能在子类中被直接方法覆盖,而且直接方法根本不能被覆盖。 协议不能声明直接方法要求,而类也不能使用直接方法来实现协议要求。

将这些注释应用到我们之前的例子中,我们可以看到直接方法和动态方法在调用站点上是如何难以区分的:

MyClass *object = [[[MyClass] alloc] init];

// Dynamic Dispatch
[object dynamicMethod];

// Direct Dispatch
[object directMethod];
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对于我们中注重性能的开发人员而言,直接方法似乎是一个非常有用的特性。但这里有个转折:

在大多数情况下,使用直接方法可能不会有明显的性能优势。

事实证明,objc_msgSend的速度快得惊人。 由于积极的缓存,广泛的底层优化以及现代处理器固有的性能特征,objc_msgSend的开销非常低。

iPhone硬件被合理地描述为资源受限的环境的时代已经过去很久了。因此,除非苹果正在准备一个新的嵌入式平台(AR眼镜,有人知道吗?),否则我们对苹果在2019年实现Objective-C直接方法的最合理的解释是性能以外的原因。

Mike Ash是互联网上最重要的objc_msgSend专家。 多年来,他的文章为Cupertino之外的Objective-C运行时提供了最深刻,最完整的理解。 对于那些好奇的人来说,“剖析ARM64上的objc_msgSend”是一个很好的开始。

Hidden Motives 隐藏动机

当Objective-C方法被标记为直接时,它的实现就隐藏了可见性。 也就是说,直接方法只能在相同的模块中调用(或学究式的将之称为链接单元)。 它甚至不会出现在Objective-C运行时中。

隐藏可见性有两个直接的优势:

  • 较小的二进制文件大小
  • 没有外部调用

没有外部可见性,也没有从Objective-C运行时动态调用它们的方法,直接方法实际上是私有方法。

如果您想参与直接派发,但仍希望使您的API可以从外部访问,则可以将其封装在一个C函数中。

static inline void performDirectMethod(MyClass *__unsafe_unretained object) {
    [object directMethod];
}
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虽然隐藏的可见性可以被Apple用来防止方法交换(Swizzing)和私有API的使用,但这似乎不是主要的动机。

实施此功能的Pierre认为,此优化的主要好处是减少了代码大小。 据报道,未使用的Objective-C元数据在编译后的二进制代码中多5 - 10%的比例。

您可以想象,从现在开始直到明年的开发者大会,一些工程师可以遍历每个SDK框架,使用objc_direct注释私有方法,并使用objc_direct_members注释私有类,这是一种逐步瘦身SDK的轻量级方法。

如果这是真的,那么也许我们已经开始怀疑Objective-C的新特性了。当他们不为Swift服务时,他们为Apple服务。尽管Objective-C在编程史和苹果公司的发展史上占有重要的地位,但很难不将它视为历史。


感觉最大的用处就是减包大小了,最近我们中台被包大小愁死了,正好可以试试 :)