Swift(七)-方法调度(下)

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MachO文件

MachO是Mach Object文件格式的缩写，是mac以及iOS上可执行文件的格式，类似于Windows上的PE(Portable Executable)格式，Linux上的elf(Executable and Linking Format)格式，在mac以及iOS中常见的可执行文件有.o、.a、.dylib、framework、dyld和.dsym；

MachO文件格式如下：

image.png

  • Header：包含二进制文件的一般信息：字节顺序，架构类型，加载指令的数量，处理器以及文件类型等信息；
  • Load commands：一张包含很多内容的表，内容包含区域的位置，符号表，动态符号表等；
LC_SEGMENT_64将文件中32或者64位的段映射到进程地址空间中
LC_DYLD_INFO_ONLY动态链接相关信息
LC_SYMTAB符号地址
LC_DYSYMTAB动态符号表地址
LC_LOAD_DYLINKERdyld加载
LC_UUID文件的UUID
LC_VERSION_MIN_MACOSX支持最低的操作系统版本
LC_SOURCE_VERSION源代码版本
LC_MAIN设置程序诛仙城 的入口地址和栈大小
LC_LOAD_DYLIB依赖库的路径，包含第三方库
LC_FUNCTION_STARTS函数起始地址表
LC_CODE_SIGNATURE代码签名
  • Data：主要负责代码和数据记录；MachO是以Segment这种结构来组织数据的，一个Segment可以包含0个或者多个Section。根据Segment是映射的哪一个Load command，Segment中section就可以被解读为代码、常量、或者其他数据类型。在装载在内存中时，也是根据Segment来做内存映射的；

MachO文件介绍

我们先来看一下上述代码生成得到MachO文件：

Header头文件

image.png

  • Magic Number：是32位还是64位；
  • CPU Type：当前CPU类型；arm64
  • File Type：当前文件类型；可执行文件MH_EXECUTE
  • Number of Load Commands：需要加载的Load Commands命令的数量；
  • Size of Load Commands：Load Commands指令的大小；
  • Flags：标识；

代码的二进制指令

image.png

硬编码的字符串

image.png

__objc_classlist记录OC类

image.png

__swift5_types记录swift类和结构体

image.png

在这个里边存放的就是Swift类的Descriptor信息(TargetClassDescriptor)；我们通过该地址进行计算就可以拿到类的方法；

验证函数地址

  1. 因为是小端模式，所以取地址要倒着；地址位：0xFFFFFB8C，加上偏移0xBB8C，结果为：0x10000B718
  2. 因为虚拟内存地址是从0x1000....开始的，所以我们减去虚拟内存地址之后得到0xB718，我们在MachO中找到0xB718的位置：

image.png

  1. 0xB718就是我们Teacher类的TargetClassDescriptor结构体的开始位置，我们根据此结构体的定义，偏移12个4字节就可以找到size和vTable：

image.png

  1. size之后就是vTable，那么vTable中的第一个地址，就是0xB740加上12字节，也就是0xB74C，这个就是我们teach函数在MachO中的地址；
  2. 通过image list命令得到ASLR，然后加上0xB74C就能够得到teach在内存中的地址：

image.png **0x0000000102188000**+0xB74C = 0x10219374C，这就是我们程序运行时teach函数的内存地址；

  1. Swift中方法在内存中的数据结构如下：

image.png 那么，我们计算出的0x10219374C也就是我们teach方法数据结构的首地址；我们要找到imp，还需要进行偏移Flags(4字节)，需要注意的是，此结构体中的Impl是一个相对指针的offset，继续偏移offset才能找到imp；

  1. Flags为4字节，根据MachO中的结构，我们可以看到0xB74C对应的第二个四字节，也就是0xFFFFAEF0就是offset，那么teach在内存中的地址为：0x10219374C + 0x4 + 0xFFFFAEF0 = 0x20218E640；
  2. 0x20218E640再进去程序运行的基地址0x1000....，结果为：0x10218E640；

image.png

  1. 通过以上步骤，我们验证了Swift类的方法确实是存放在vTable表中的；

那么，在汇编中为什么是通过metadata进行偏移0x50，0x58，0x60这种来调用方法呢？

image.png

我们从源码中的initClassVTable方法中分析得到：

image.png

在程序运行过程中会生成一个vtableOffset，然后通过vtableOffset来加载vTable的；

结构体方法调度

我们将上述代码中的class改为struct，再来分析一下其方法的调用：

image.png

运行程序，查看汇编指令：

image.png

在struct中，方法的调用都是通过地址调用的，意味着struct中的方法都是静态调用；也就是在编译之后，函数的地址就已经确定了；这是因为struct是值类型，不能被继承，其内部方法只属于自己，不用在额外的开辟内存空间来记录函数表；所以直接采用静态调用的方式；

我们也可以通过源码中的StructContextDescriptorBuilder中的源码来验证：

image.png

可以看到在其内部没有vTable的调用方式；

extension中方法的调用

结构体的extension中方法的调用

代码修改如下，给struct添加一个extension，创建一个teach3方法：

image.png

查看汇编指令：

image.png

struct的extension的方法依然是直接调用(静态派发)；

类的extension中方法的调用

我们将结构体修改为类，来看一下teach3方法的调用：

image.png

通过汇编指令可以看到：

image.png

class的extension中方法也是直接调用(静态派发)；

我们创建一个Teacher类的子类，然后添加teach4的方法：

image.png

我们生成SIL文件，来看一下其vTable：

image.png

Teacher类中的方法也会出现在SubTeacher类的vtable中，而extension的没有在vtable中；

方法调度总结

类型调度方式extension
值类型struct静态派发静态派发
类class函数表派发静态派发
NSObject子类函数表派发静态派发

影响函数派发的方式

  • final：添加了final关键字的函数无法被重写，使用静态派发，不会再vtable中出现，且对objc运行时不可见。
  • dynamic：函数均可添加dynamic关键字，为非objc类和值类型的函数赋予动态性，但派发方式还是函数表派发。
  • @objc：该关键字可以将Swift函数暴露给objc运行时，依旧是函数表派发；

在实际开发过程中@objc经常与dynamic配合使用，此时方法将会变为消息调度objc_msgSend的机制，可以使用Method-Swizzling，但是如果想要被oc调用，那么类必须要继承自NSObject；

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