NSObject底层探究之-cache（二）

调试工程环境

• macOS 10.15.5
• x86_64

前言

OC方法调用都是通过消息发送（objc_msgSend(id self,SEL _cmd)）实现的，而消息发送需要通过消息主体SEL找到消息实现IMP，调用IMP来完成消息发送，这就涉及到了消息的快速查找、慢速查找等流程，NSObject的cache就是为消息快速查找服务的。那接下来就对cache的底层一探究竟。

核心数据结构源码片段

struct objc_class : objc_object {
    //Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits; 
}

struct cache_t {
//成员变量
private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask;
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;
            uint16_t                   _flags;
            uint16_t                   _occupied;
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;
    };
}

struct bucket_t {
//成员变量
private:
    // IMP-first is better for arm64e ptrauth and no worse for arm64.
    // SEL-first is better for armv7* and i386 and x86_64.
#if __arm64__
    explicit_atomic<uintptr_t> _imp;
    explicit_atomic<SEL> _sel;
#else
    explicit_atomic<SEL> _sel;
    explicit_atomic<uintptr_t> _imp;
#endif

//方法
inline SEL sel() const { return _sel.load(memory_order_relaxed); }

inline IMP imp(UNUSED_WITHOUT_PTRAUTH bucket_t *base, Class cls) const {
        uintptr_t imp = _imp.load(memory_order_relaxed);
        if (!imp) return nil;
#if CACHE_IMP_ENCODING == CACHE_IMP_ENCODING_PTRAUTH
        SEL sel = _sel.load(memory_order_relaxed);
        return (IMP)
            ptrauth_auth_and_resign((const void *)imp,
                                    ptrauth_key_process_dependent_code,
                                    modifierForSEL(base, sel, cls),
                                    ptrauth_key_function_pointer, 0);
#elif CACHE_IMP_ENCODING == CACHE_IMP_ENCODING_ISA_XOR
        return (IMP)(imp ^ (uintptr_t)cls);
#elif CACHE_IMP_ENCODING == CACHE_IMP_ENCODING_NONE
        return (IMP)imp;
#else
#error Unknown method cache IMP encoding.
#endif
    }
}

类中cache实现相关的数据结构的关联关系

类的数据结构中包含了成员变量结构体cache_t，cache_t的数据结构包含了指向hash表指针buckets，hash表buckets的各个元素为存储SEL-IMP对应关系的结构体bucket_t，bucket_t提供了获取sel和imp的方法sel()、imp(UNUSED_WITHOUT_PTRAUTH bucket_t *base, Class cls)。

各数据结构注解

Class

• isa: isa指针，包含指向元类的指针、引用计数等信息
• superclass: 指向父类的指针
• cache: 方法缓存hash表的指针、容量、已缓存方法个数等信息
• bits: 成员变量等额外信息

cache_t

• _bucketsAndMaybeMask：方法缓存hash表的地址信息，hash表的元素为SEL-IMP对应关系实体
• _maybeMask：容量信息，等于实际容量-1
• _flags：未知
• _occupied：已缓存方法的个数

bucket_t

• _sel：方法编号SEL(SEL本质就是 const char *,可以在函数_dyld_get_objc_selector()处得到验证)
• _imp:方法对应的函数实现地址IMP

小试弯刀

1.关键代码

@interface TYPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic) int age;
@property (nonatomic) BOOL height;
@property (nonatomic) BOOL ch1;
@property (nonatomic) BOOL ch2;
@property (nonatomic) BOOL ch3;
@property (nonatomic) BOOL ch4;
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        //ISA_MASK
        //arm64e    0x007ffffffffffff8ULL
        //arm64     0x0000000ffffffff8ULL
        //x86_64    0x00007ffffffffff8ULL
        TYPerson *p = [TYPerson alloc];
        p.name      = @"Telly";
        p.nickName  = @"TY";
        
    }
    return 0;
}

2.在main()函数p.name = @"Telly"设置断点,在lldb中查看相关的数据结构,如下图：

3.然后单步走完剩下的两行成员变量赋值，总所周知，成员变量赋值的本质就是调用相关setter方法，接下来我们探究一下这两个setter方法有没有被插入到cache_t中。 查看类所在的内存数据，找到cache所存储的数据：

4.查看cache所在的内存数据，找到hash表buckets的首地址，然后利用指针平移操作获取各bucket元素：

注意：因为是hash表，所以元素bucket的位置一般是不连续的，上例中的两个bucket元素的位置连续只是巧合，所在指针平移获取bucket元素的过程中偏移位置要在0-maybeMask范围内尝试获取。

总结

OC对象调用方法之后会将SEL-IMP对应关系实体保存在hash表中，而该对象所属类中有结构体cache成员，结构体cache中存有指向该hash表的地址，这一串关联关系，为消息的快速查找提供了底层实现逻辑。