iOS 底层原理：OC 底层面试（一）一、load、C++构造函数、initialize 调用顺序 load 函数调用时

一、load、C++构造函数、initialize 调用顺序

load 函数调用时机

load方法在dyld加载流程中被调用，函数调用流程是：doModInitFunctions -> libSystem_initializer -> _objc_init -> _dyld_objc_notify_register ->load_images ->。
详细可阅读 iOS 底层原理：dyld 应用程序加载。

initialize 函数调用时机

initialize是在类第一次被加载时调用的，通过lookUpImpOrForward函数调用。
详细可阅读 OC 原理探索：方法的慢速查找流程。

C++构造函数函数调用时机

如果C++构造函数是在objc源码中，那么它是在static_init中被调用的，我们在 iOS 底层原理：类的加载原理上分析过。
- 它的函数调用顺序是doModInitFunctions -> libSystem_initializer -> _objc_init -> static_init -> getLibobjcInitializers。
- static_init在_dyld_objc_notify_register之前，所以在load方法前。
普通的C++构造函数也是在doModInitFunctions内被调用，不过是在libSystem_initializer之后，所以在load方法之后。

调用顺序总结

objc源码中的C++构造函数。
load方法。
普通的C++构造函数。
initialize函数。

二、Runtime 是什么

runtime是由C、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。
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，比如category、rwe等。
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。

三、方法的本质，sel是什么?IMP是什么?两者之间的关系又是什么?

方法的本质是发送消息，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 ~ 递归自己活父类 ~ 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 & forwardInvocation。
sel是方法编号，在read_images期间就编译进入了内存。
imp就是我们函数实现指针，找imp就是找函数的过程。
sel就相当于书本的目录tittle。
imp就是书本的⻚码。
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。

四、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？

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就无法修改。
- 可以通过分类向类中添加方法和属性（关联对象）

只要没有注册到内存还是可以添加的，见下面代码：

void createClassAddIvar(void)
{
    // 使用objc_allocateClassPair创建一个类Class
    const char * className = "MyClass";
    Class SelfClass = objc_getClass(className);
    if (!SelfClass){
        Class superClass = [NSObject class];
        SelfClass = objc_allocateClassPair(superClass, className, 0);
    }
    
    // 使用class_addIvar添加三个成员变量
    class_addIvar(SelfClass, "name", sizeof(NSString *), log2(_Alignof(NSString *)), @encode(NSString *));
    class_addIvar(SelfClass, "age", sizeof(NSString *), log2(_Alignof(NSString *)), @encode(NSString *));
    class_addIvar(SelfClass, "sex", sizeof(NSString *), log2(_Alignof(NSString *)), @encode(NSString *));
    objc_registerClassPair(SelfClass);
}

// 打印 MyClass 的成员变量
void logIvars(void)
{
    const char * className = "MyClass";
    Class SelfClass = objc_getClass(className);
    
    unsigned int outCount;
    Ivar * ivars = class_copyIvarList(SelfClass, &outCount);
    for (unsigned int i = 0; i < outCount; i ++) {
        Ivar ivar = ivars[i];
        NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        NSLog(@"--------key：%@",key);
    }
}

// 打印结果
--------key：name
--------key：age
--------key：sex

五、[self class] 和 [super class] 的区别以及原理分析

创建SSLPerson类和SSLStudent类：

@interface SSLPerson : NSObject

@end
@implementation SSLPerson

@end


@interface SSLStudent : SSLPerson

@end
@implementation SSLStudent

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

@end

SSLStudent继承自SSLPerson。
SSLStudent中实现init方法，方法中打印[self class],[super class]，它们的打印结果是什么呢？

结果分析

打印结果是SSLStudent - SSLStudent，[self class]打印SSLStudent我们都能理解，下面分析一下[super class]是如何打印SSLStudent的。

clang -rewrite-objc SSLStudent.m -o SSLStudent.cpp得到SSLStudent.cpp：

// [self class] 编译后的C++代码
objc_msgSend(self, sel_registerName("class"))
// [super class] 编译后的C++代码
objc_msgSendSuper({self,class_getSuperclass(objc_getClass("SSLStudent"))},sel_registerName("class"))

[super class]编程成C++以后是objc_msgSendSuper函数的调用，看一下它的结构：

objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ... )

struct objc_super {
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
};

通过class_getSuperclass函数获取到父类，作为参数传入。

其实objc_msgSendSuper这种方式是老版的调用方式，汇编跟源码查看真实的函数调用：

真正调用的是objc_msgSendSuper2，它的结构跟objc_msgSendSuper是一样的：
```
objc_msgSendSuper2(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)
```

查看objc_msgSendSuper2的实现：

可以看到调用objc_msgSendSuper2函数时，传入的是当前类，通过汇编源码来获取父类，再调用CacheLookup函数，到这里就和 objc_msgSend 流程一样了。
如果调用的是objc_msgSendSuper函数，直接传入的就是获取好的父类，然后跳到L_objc_msgSendSuper2_body也调到了CacheLookup函数。

分析了这么多，其实[self class]和[super class]的区别，只是[super class]从父类开始查找方法而已，最终还是要看class的方法实现。

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

self是我们传入的隐藏参数也就是SSLStudent的实例对象，它的isa自然就是SSLStudent类。

五、内存偏移面试题

内存偏移面试题 1

创建SSLPerson类：

@interface SSLPerson : NSObject
- (void)say1;
@end

@implementation SSLPerson
- (void)say1
{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
@end

在viewDidLoad中添加下面代码，大家可以猜测一下打印结果：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    SSLPerson *person = [[SSLPerson alloc] init];
    [person say1];
    
    Class cls = [SSLPerson class];
    void *ssl = &cls;
    [(__bridge id)ssl say1];
}

查看打印结果：

-[SSLPerson say1]
-[SSLPerson say1]

结果分析：

上下两处的本质都是objc_msgSend的调用，objc_msgSend 流程中我们分析过，在汇编源码中会先通过isa & ISA_MASK获取到class，再进行方法的查找。
[person say1]可以调用成功，我们都能理解不做过多解释。
[(__bridge id)kc say1]也是可以调用成功的，因为ssl中存储这类的首地址，汇编源码中通过类地址 & ISA_MASK当然能获取到class，后面的流程也就一样了。

图示：

内存偏移面试题 2

修改SSLPerson类：

@interface SSLPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *ssl_name;
- (void)say1;
@end

@implementation SSLPerson
- (void)say1
{
    NSLog(@"%s - %@",__func__,self.ssl_name);
}
@end

在viewDidLoad中添加代码：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    SSLPerson *person = [[SSLPerson alloc] init];
    person.ssl_name = @"SSL";
    [person say1];
    
    Class cls = [SSLPerson class];
    void *ssl = &cls;
    [(__bridge id)ssl say1];
}

查看打印结果：

-[SSLPerson say1] - SSL
-[SSLPerson say1] - <SSLPerson: 0x6000015e48d0>

结果分析：

clang -rewrite-objc SSLPerson.m -o SSLPerson.cpp得到SSLPerson.cpp：

// 计算 ssl_name 的偏移大小
OBJC_IVAR_$_SSLPerson$_ssl_name = __OFFSETOFIVAR__(struct SSLPerson, _ssl_name);
// 通过内存平移获取到 ssl_name
_I_SSLPerson_ssl_name(SSLPerson * self, SEL _cmd) { 
    return self + OBJC_IVAR_$_SSLPerson$_ssl_name; 
}

可以看到_ssl_name的取值，是先计算出它的偏移大小，再通过内存平移得到值。

lldb调试验证：

图示：

内存偏移面试题 3

看下面代码，栈结构打印：

- (void)viewDidLoad { // (id self, SEL _cmd)
    [super viewDidLoad];// 结构体{receiver，class}
    
    Class cls = [SSLPerson class];
    void *ssl = &cls;
    
    SSLPerson *person = [SSLPerson alloc];
    person.ssl_name = @"SSL";
    
    // 下面代码为打印栈结构
    void *sp = (void *)&self;
    void *end = (void *)&person;
    long count = (sp - end) / 0x8;
    
    for (long i = 0; i < count; i++) {
        void *address = sp - 0x8 * i;
        if (i == 1) {
            NSLog(@"%p : %s",address, *(char **)address);
        } else {
            NSLog(@"%p : %@",address, *(void **)address);
        }
    }
}

查看打印结果：

0x7ffee876e208 : <ViewController: 0x7fc7b050a940>
0x7ffee876e200 : viewDidLoad
0x7ffee876e1f8 : ViewController
0x7ffee876e1f0 : <ViewController: 0x7fc7b050a940>
0x7ffee876e1e8 : SSLPerson
0x7ffee876e1e0 : <SSLPerson: 0x7ffee876e1e8>

结果分析：

<ViewController: 0x7fc7b050a940>为- (void)viewDidLoad的id self压栈。
viewDidLoad为- (void)viewDidLoad的SEL _cmd压栈。
ViewController为结构体的class压栈。
<ViewController: 0x7fc7b050a940>为结构体的receiver压栈。
SSLPerson为ssl压栈。
<SSLPerson: 0x7ffee876e1e8>为person压栈。

什么东西才会压栈：

本方法的参数可以压栈，viewDidLoad的(id self, SEL _cmd)。
对于objc_super这种结构体参数，相当于下边这块代码创建了一个ssl_objc_super的临时变量，所以也可以压栈。
```
struct objc_super ssl_objc_super;
ssl_objc_super.super_class = class;
ssl_objc_super.receiver = receiver;
```

六、Method Swizzling 面试题

基本原理

先看下Method Swizzling代码：

@interface SSLRuntimeTool : NSObject
/**
 交换方法
 @param cls 交换对象
 @param oriSEL 原始方法编号
 @param swizzledSEL 交换的方法编号
 */
+ (void)ssl_methodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL;
@end

@implementation SSLRuntimeTool
+ (void)ssl_methodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL {

    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");
    
    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);
    method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
}
@end

Method Swizzling使用：

@interface SSLPerson : NSObject
- (void)personInstanceMethod;
@end

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


@interface SSLStudent : SSLPerson
@end

@implementation SSLStudent
+ (void)load{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        [SSLRuntimeTool ssl_methodSwizzlingWithClass:self oriSEL:@selector(personInstanceMethod) swizzledSEL:@selector(studentInstanceMethod)];
    });
}
- (void)studentInstanceMethod {
    [self studentInstanceMethod];
    NSLog(@"%s",__func__);
}
@end

防止重复交换，使用单例更安全。

Method Swizzling原理图示：

坑点一

上面的代码进行相关调用：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    SSLPerson *person = [[SSLPerson alloc] init];
    [person personInstanceMethod];
}

发生错误：

'-[SSLPerson studentInstanceMethod]: unrecognized selector sent to instance 0x600002fbc400'

因为方法交换，我们实际调用是这个方法：

- (void)studentInstanceMethod {
    [self studentInstanceMethod];
    NSLog(@"%s",__func__);
}

这时的self是SSLPerson实例，SSLPerson中并没有studentInstanceMethod的SEL，找不到对应的SEL，所以就会CRASH。

解决问题：

@implementation SSLRuntimeTool

+ (void)ssl_betterMethodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL{
    
    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");
    
    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);
   
    // personInstanceMethod(sel) - studentInstanceMethod(imp)
    // 尝试添加你要交换的方法 - studentInstanceMethod
    BOOL success = class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    
    if (success) { // 添加成功说明自己没有
        // studentInstanceMethod (SEL) - personInstanceMethod(imp)
        class_replaceMethod(cls, swizzledSEL, method_getImplementation(oriMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    } else { // 自己有 - 交换
        method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
    }
}
@end

class_replaceMethod函数：
- 如果该Class不存在指定SEL，则class_replaceMethod的作用就和class_addMethod一样；
- 如果该Class存在指定的SEL，则class_replaceMethod的作用就和method_setImplementation一样。

坑点二

如果personInstanceMethod没有实现的话，运行程序，会发生死循环：

解决问题：

@implementation SSLRuntimeTool

+ (void)ssl_bestMethodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL{
    
    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");
    
    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);
    
    if (!oriMethod) {
        // 在 oriMethod 为 nil 时，替换后将swizzledSEL复制一个不做任何事的空实现
        class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(swiMethod));
        method_setImplementation(swiMethod, imp_implementationWithBlock(^(id self, SEL _cmd){
            NSLog(@"来了一个空的 imp");
        }));
    }
   
    // 尝试添加你要交换的方法 - studentInstanceMethod
    BOOL success = class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    
    if (success) { // 添加成功说明自己没有 - 替换 - 父类重写一个
        class_replaceMethod(cls, swizzledSEL, method_getImplementation(oriMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    } else { // 自己有 - 交换
        method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
    }
}
@end

iOS 底层原理：OC 底层面试（一）

一、load、C++构造函数、initialize 调用顺序

load 函数调用时机

initialize 函数调用时机

C++构造函数 函数调用时机

调用顺序 总结

二、Runtime 是什么

三、方法的本质，sel是什么?IMP是什么?两者之间的关系又是什么?

四、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？

五、[self class] 和 [super class] 的区别以及原理分析

结果分析

五、内存偏移面试题

内存偏移面试题 1

内存偏移面试题 2

内存偏移面试题 3

六、Method Swizzling 面试题

基本原理

坑点一

坑点二

C++构造函数函数调用时机

调用顺序总结