iOS底层学习——Runtime学习整理

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Runtime学习整理

对象

类

消息

应用程序加载、类、分类初始化

相关面试题

1.load和initialize方法的调用原则和调用顺序？

  1. load方法

    • load方法在应用程序加载过程中(dyld)完成调用，在main函数之前
    • 在底层进行load_images处理时，维护了两个load加载表，一个类的表，另一个为分类的表，优先对类的load方法发起调用
    • 在对类load方法进行处理时，进行了递归处理，以确保父类优先被处理
    • 所以load方法的调用顺序为父类、子类、分类
    • 而分类中load方法的调用顺序根据编译顺序为准

  2. initialize方法

    • initialize在第一次消息发送的时候调用，所以load先于initialize调用
    • 分类的⽅法是在类realize之后attach进去的插在前⾯，所以如果分类中实现了initialize方法，会优先调⽤分类的initialize方法
    • initialize内部实现原理是消息发送，所以如果子类没有实现initialize会调用父类的initialize方法，并且会调用两次
    • 因为内部同时使用了递归，所以如果子类和父类都实现了initialize方法，那么会优先调用父类的，在调用子类的

具体底层实现原理见：load和initialize分析

  1. 补充c++构造函数

    • 在分析dyld之后，可以确定这样的一个调用顺序，load->c++->main函数

    • 但是如果c++写在objc工程中，在objc_init()调用时，会通过static_init()方法优先调用c++函数，而不需要等到_dyld_objc_notify_register向dyld注册load_images之后再调用

    • 同时，如果objc_init()自启的话也不需要dyld进行启动，也可能会发生c++函数在load方法之前调用的情况

2.Runtime是什么？

  1. Runtime是由C和C++汇编实现的⼀套API，为OC语⾔加⼊了⾯向对象，运⾏时的功能
  2. 运⾏时(Runtime)是指将数据类型的确定由编译时推迟到了运⾏时，如类扩展和分类的区别
  3. 平时编写的OC代码，在程序运⾏过程中，其实最终会转换成Runtime的C语⾔代码，Runtime 是 Object-C 的幕后⼯作者

3.⽅法的本质，sel是什么？IMP是什么？两者之间的关系⼜是什么？

  1. ⽅法的本质：发送消息，消息会有以下⼏个流程：
    1. 快速查找 （objc_msgSend）~ cache_t 缓存消息
    2. 慢速查找~ 递归⾃⼰或⽗类 ~ lookUpImpOrForward
    3. 查找不到消息: 动态⽅法解析 ~ resolveInstanceMethod
    4. 消息快速转发 ~ forwardingTargetForSelector
    5. 消息慢速转发 ~ methodSignatureForSelector 和 forwardInvocation
  2. sel是⽅法编号，在read_images期间就编译进⼊了内存
    • typedef struct objc_selector *SEL;
  3. imp就是我们函数实现指针，找imp就是找函数的过程
  4. sel就相当于书本的⽬录tittle
  5. imp就是书本的⻚码
  6. 查找具体的函数就是想看这本书⾥⾯具体篇章的内容
    1. 我们⾸先知道想看什么 ~ tittle (sel)
    2. 根据⽬录对应的⻚码 （imp）
    3. 翻到具体的内容 方法实现

4.能否向编译后的得到的类中增加实例变量？能否向运⾏时创建的类中添加实例变量？

  1. 不能向编译后的得到的类中增加实例变量

    • 我们编译好的实例变量存储的位置在ro，⼀旦编译完成，内存结构就完全确定；
    • 可以通过分类向类中添加方法和属性（关联对象）

  2. 可以向运行时创建的类中添加实例变量，只要内没有注册到内存还是可以添加

    可以通过objc_allocateClassPair在运行时创建类，并向其中添加成员变量和属性，见下面代码：

    // 使用objc_allocateClassPair创建一个类Class
const char * className = "SelClass";
Class SelfClass = objc_getClass(className);
if (!SelfClass){
    Class superClass = [NSObject class];
    SelfClass = objc_allocateClassPair(superClass, className, 0);
}
        
// 使用class_addIvar添加一个成员变量
BOOL isSuccess = class_addIvar(SelfClass, "name", sizeof(NSString *), log2(_Alignof(NSString *)), @encode(NSString *));

class_addMethod(SelfClass, @selector(addMethodForMyClass:), (IMP)addMethodForMyClass, "V@:");

4.[self class]和[super class]区别和解析？

下面案例，LGTeacher类继承自LGPerson，在LGTeacher的init初始化方法中，调用了[self class]和[super class]，运行打印结果会怎样呢？

    // LGPerson
    @interface LGPerson : NSObject
    @end

    @implementation LGPerson
    @end
    
    // LGTeacher
    @interface LGTeacher : LGPerson
    @end

    @implementation LGTeacher
    - (instancetype)init{
        self = [super init];
        if (self) {
           NSLog(@"%@ - %@", [self class], [super class]);
        }
        return self;
    }
    @end

分析思路：

首先确定，当前LGPerson和LGTeacher都没有实现class方法，那么根据消息发送的原理，他们最终都会调用到NSObject的实例方法class，该方法的方法实现是：

    - (Class)class {
        return object_getClass(self);
    }

也就是说这两个方法都会返回self对应的类，那么self是谁呢？我们在分析方法的本质时知道，调用方法的本质是发送消息objc_msgSend，并且有两个隐藏参数，分别是id self和SEL sel，这里的隐藏参数self就是我们要分析的类型。

  • [self class]输出是LGTeacher，这个没有什么问题！因为消息的发送者是LGTeacher对象，通过消息发送机制，找到NSObejct并调用class方法，但是消息的接受者没有发生改变，依然是LGTeacher对象！

  • [super class]输出的是呢？同样的方式clang一下，查看cpp中底层实现原理是怎样的？

    image.png

    super关键字，在底层最终使用了objc_msgSendSuper方法，同时其接受者是(id)self，全局搜搜objc_msgSendSuper的逻辑，见下图：

    image.png

    objc_super结构体如下：

    /// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained _Nonnull Class class;
#else
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};

    也就是id receiver和Class super_class两个参数，其中super_class表示第一个要去查找的类，至此我们可以得出结论，在LGTeacher中调用[super class]，其内部会调用objc_msgSendSuper方法，并且会传入参数objc_super，其中receiver是LGTeacher对象，super_class是LGTeacher类通过class_getsuperclass获取的父类，也就是要第一个查找的类。

    下符号断点，objc_msgSendSuper2，查看寄存器，其中第一个地址为发放的第一个隐藏参数，也就是objc_super，通过类型强制，该结构体封装的recevier是LGTeacher，super_class是LGPerson。见下图：

    image.png

    就是说：[super class]的接受者依然是LGTeacher对象，去调用父类的方法。

查看运行结果：

image.png

补充：

调用objc_msgSendSuper，实际却调用了objc_msgSendSuper2为什么呢？

image.png

全局搜索objc_msgSendSuper，进入汇编实现流程中，在汇编流程中，最终会调用objc_msgSendSuper2，见下图：

image.png

5.指针平移和消息发送原理案例？

有下面的一个案例，LGPerson类有一个实例方法saySomething，在viewDidLoad中通过两种方式调用该方法，一种是通过创建LGPerson对象调用，另一种是通过桥接调用，见下面代码：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    LGPerson *person = [LGPerson alloc];
    [person saySomething];
    
    Class cls = [LGPerson class];
    void  *kc = &cls;
    [(__bridge id)kc saySomething];
}

@implementation LGPerson
- (void)saySomething{
    NSLog(@"%s - %@",__func__);
}
@end

问题是否能够调用成功？

  1. 分析思路

    首先方法调用的本质是发送消息，通过对象的isa找到类地址，进行地址平移，通过sel找到对应的方法实现imp。

    • [person saySomething];此种方式肯定是可以的

      此流程的原理是什么？通过person对象的isa指针找到对应的类，在类中进行地址平移，首先在cache_t中快速查找，如果找不到，则在方法列表以及父类的方法列表中查找，总结一下就是：以类的地址作为入口，进行地址平移，最终找到对应的imp。

    • [(__bridge id)kc saySomething];是否可以呢？

      首先Class cls = [LGPerson class];，cls是什么？cls是一个指针，Class的定义是一个指针，指向一个objc_class的指针，这里就是指向LGPerson类。将cls的地址赋值给kc，此时kc为cls的地址，也指向了类。

    综上，两者调用的入口是一致的，从同一个地址开始进行方法查找流程，肯定是可以调用到的，person除了有地址，还有内存数据结构；kc只有一个地址，是一个伪装的person对象，见下图：

    image.png

    通过lldb调试可以发现，kc指向类，见下图：

    image.png

    运行验证，两个都可以调用成功。见下图：

    image.png

  2. 扩展案例

    在上面案例的基础上进行修改，saySomething方法LGPerson对象的第一个属性，中输出见下面代码：

    - (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    LGPerson *person = [LGPerson alloc];
    person.kc_name = @"name123";
    [person saySomething];

    Class cls = [LGPerson class];
    void  *kc = &cls;
    [(__bridge id)kc saySomething];
}

@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *kc_name;
- (void)saySomething;
@end

@implementation LGPerson
- (void)saySomething{
   NSLog(@"%s - %@", __func__, self.kc_name);
}
@end

    此时运行结果又是怎样呢？

    • [person saySomething];调用后输出结构没有什么疑问
    • [(__bridge id)kc saySomething];的输出结构是怎样的呢？见下图：

    根据lldb调试可以发现，person进行地址平移获取属性kc_name，此数据结构是在堆中，而kc只是一个地址，获取kc数据结构只是输出了其在栈中的数据信息。见下图：

    image.png

  3. 结构体验证逻辑

    通过上面的案例分析，可以知道根本原因是栈中地址平移的问题，那么在程序运行过程中，压栈逻辑是怎样的呢？先入后出，这个比较清楚，那结构体是如何压栈的呢，函数调用中参数的压栈逻辑又是怎样的？

    • 压栈，地址从大到小，新进去的地址大

    image.png

    • 添加结构体，查看栈中的地址

    image.png

    那么此时三个参数在栈中的存储顺序应该是下图：

    image.png

    上图再结合输出的地址，我们可以发现此时结构体占用16个字节，那么结构体中元素的存储顺序是怎样的呢？见下图：

    image.png

    通过lldb输出结构体中两个属性的地址，发现，num1在num2的上面，所以在压栈过程中，按照下图中的方式进行的:

    image.png

  4. 函数参数压栈顺序

    通过下面的案例进行分析：

    image.png

    从上图中我们可以发现几个问题：

    • viewDidLoad方法中person指针的地址和kcFunction中person指针地址是不一样的，虽然他们都执行了同一片堆区
    • 根据指针的地址发现，参数在压栈时是根据参数的顺序进行的，第一个参数先入栈，然后依次压栈

Runtime面试题，持续更新……

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