OC底层原理12：类的加载（下）

一荤一素一碗粥
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在上一篇文章OC底层原理11：类的加载（上）中，理解了类是如何从Mach-O加载到内存中，这次我们来解释下分类是如何加载到类中的，以及分类和类搭配使用的情况。

分类的本质

前提：在main中定义LGPerson的分类LG 探索分类的本质，有以下三种方式：

  • 【方式一】通过clang
  • 【方式二】通过Xcode文档搜索Category
  • 【方式三】通过objc源码搜索 category_t

【方式一】通过clang

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 查看底层编译，即 main.cpp

  • 其中分类的 类型是_category_t image.png 其中有两个method_list_t，分别表示实例方法 和 类方法
  • LG分类 image.png 分类的倒数第二个0，表示的是没有协议，所以赋值为0
  • 搜索_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_LGPerson_，找到其底层实现： image.png 其中有3个方法，格式为：sel+签名+地址，是method_t结构体的属性即key
    • 搜索method_t，其中对应关系如下
      • name 对应 sel
      • type 对应 方法签名
      • imp 对应 函数地址 同时，我们发现了一个问题：查看看_prop_list_t，明明分类中定义了属性，但是在底层编译中并没有看到属性，如下图所示，这是因为分类中定义的属性不能生成方法实现和带下划线的成员变量，只会生成变量的setter、getter方法声明，我们可以通过关联对象来设置（关于如何设置关联对象，我们将在下一篇进行说明）

【方式二】通过Xcode文档搜索 Category

通过Xcode文档搜索 Category

【方式三】通过objc源码搜索 category_t

image.png

总结

综上所述，分类的本质 是一个category_t类型

  • 有两个属性：name（类的名称） 和 cls（类对象）
  • 有两个 method_list_t类型的方法列表，表示分类中实现的实例方法+类方法
  • 一个protocol_list_t类型的协议列表，表示分类中实现的协议
  • 一个prop_list_t类型的属性列表，表示分类中定义的属性，一般在分类中添加的属性都是通过关联对象来实现
  • 需要注意的是，分类中的属性是没有set、get方法

分类的加载

前提：创建LGPerson的两个分类：LGA、LGB 在上一篇iOS-底层原理 17：类的加载（上）文章中的realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass -> load_categories_nolock -> extAlloc ->attachCategories中提及了rwe的加载，其中分析了分类的data数据 是如何 加载到类中的，且分类的加载顺序是：LGA -> LGB的顺序加载到类中，即越晚加进来，越在前面。

其中查看methodizeClass的源码实现，可以发现类的数据和 分类的数据是分开处理的，主要是因为在编译阶段，就已经确定好了方法的归属位置（即实例方法存储在类中，类方法存储在元类中），而分类是后面才加进来的.

分类的加载主要分为3步：

  • 1⃣️分类数据加载时机：根据类和分类是否实现load方法来区分不同的时机
  • 2⃣️attachCategories准备分类数据
  • 3⃣️attachLists将分类数据添加到主类中

从上一篇iOS-底层原理：类的加载（上）我们已经知道了分类加载三步骤的后面两个步骤,下面探讨下分类的加载时机。

分类的加载时机

情况1: 以主类LGPerson + 分类LGA、LGB 均实现+load方法为例。

通过第二步2⃣️数据准备（attachCategories准备分类数据）反推第一步的加载时机

通过上一篇文章我们了解到，在走到attachCategories方法时，必然会有分类数据的加载，可以通过反推法查看 在什么时候调用attachCategories的，通过查找，有两个方法中调用：

  • load_categories_nolock方法中

  • attachToClass方法中，这里经过调试发现，从来不会进到if流程中，除非加载两次，一般的类一般只会加载一次

  • 不加任何断点，运行objc代码，可以得出以下打印日志，通过日志可以发现attachToClass方法的下一步就是load_categories_nolock方法就是加载分类数据

  • 全局搜索load_categories_nolock的调用，有两次调用：

    • 一次在loadAllCategories方法中
    • 一次在_read_images方法中 但是经过调试发现，是不会走_read_images方法中的if流程的，而是走的loadAllCategories方法中的。

  • 全局搜索查看loadAllCategories的调用，发现是在load_images时调用的 image.png

通过堆栈信息分析

在attachCategories中加自定义逻辑的断点，bt查看堆栈信息：

所以综上所述，该情况下的分类的数据加载时机的反推路径为：attachCategories -> load_categories_nolock -> loadAllCategories -> load_images

而我们的分类加载正常的流程的路径为：realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass ->attachCategories

其中正向和反向的流程如下图所示：

我们再来看另一种情况2：主类+分类LGA实现+load，分类LGB不实现+load方法

  • 断点定在attachCategories中加自定义逻辑部分，一步步往下执行 image.png
  • 继续往下执行，会再次来到 attachCategories方法中断住 image.png

总结：只要有一个分类是非懒加载分类，那么所有的分类都会被标记位非懒加载分类，意思就是加载一次 已经开辟了rwe，就不会再次懒加载，重新去处理 LGPerson.

分类和类的搭配使用

通过上面的两个情形，我们可以大致将类 和 分类 是否实现+load的情况分为4种:

类+分类
分类实现+load分类未实现+load
类实现+load非懒加载类+非懒加载分类非懒加载类+懒加载分类
类未实现+load懒加载类+非懒加载分类懒加载类+懒加载分类
  • 【情况1】非懒加载类 + 非懒加载分类
  • 【情况2】非懒加载类 + 懒加载分类
  • 【情况3】懒加载类 + 懒加载分类
  • 【情况4】懒加载类 + 非懒加载分类

非懒加载类 + 非懒加载分类

即主类实现了+load方法，分类同样实现了+load方法 .在前文分类的加载时机时，我们已经分析过这种情况，所以可以直接得出结论，这种情况下:

  • 类的数据加载是通过_getObjc2NonlazyClassList加载，即ro、rw的操作，对rwe赋值初始化，是在extAlloc方法中
  • 分类的数据加载是通过load_images加载到类中的 其调用路径为：
  • map_images -> map_images_nolock -> _read_images -> readClass -> _getObjc2NonlazyClassList -> realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass ,此时的mlists是一维数组，然后走到load_images部分
  • load_images --> loadAllCategories -> load_categories_nolock -> load_categories_nolock -> attachCategories -> attachLists，此时的mlists是二维数组 下面为源码中调试的打印日志:

非懒加载类 与 懒加载分类

即主类实现了+load方法，分类未实现+load方法.

  • 打开realizeClassWithoutSwift中的自定义断点，看一下ro
    • 查看kc_ro image.png image.png image.png 从上面的打印输出可以看出，方法的顺序是 LGB—LGA-LGPerson类，此时分类已经 加载进来了，但是还没有排序，说明在没有进行非懒加载时，通过cls->data读取Mach-O数据时，数据就已经编译进来了，不需要运行时添加进去
  • 来到methodizeClass方法中断点部分 image.png
  • 来到prepareMethodLists的for循环部分 image.png
  • 来到fixupMethodList方法中的if (sort) {部分 image.png 其中SortBySELAddress的源码实现如下：根据名字的地址进行排序
  • 走到mlist->setFixedUp();，在读取list image.png image.png

通过打印发现，仅对同名方法进行了排序，而分类中的其他方法是不需要排序的，其你imp地址是有序的（从小到大） -- fixupMethodList中的排序只针对 name 地址进行排序

不加任何断点，运行程序，获取打印日志:

总结：非懒加载类 与 懒加载分类的数据加载，有如下结论：

  • 类 和 分类的加载是在read_images就加载数据了
  • 其中data数据在编译时期就已经完成了

懒加载类 与 懒加载分类

即主类和分类均未实现+load方法

  • 不加任何断点，运行程序，获取打印日志 其中realizeClassMaybeSwiftMaybeRelock是消息流程中慢速查找中有的函数，即在第一次调用消息时才有的函数.
  • 在readClass断住,然后读取kc_ro，即读取整个data 此时的baseMethodList的count还是16，说明也是从data中读取出来的，所以不需要经过一层缓慢的load_images加载进来

总结：懒加载类 与 懒加载分类的数据加载是在消息第一次调用时加载.

懒加载类 与 非懒加载分类

即主类未实现+load方法， 分类实现了+load方法

  • 不加任何断点，运行程序，获取打印日志
  • 在打印的日志中没有看到load_categories_nolock方法，查看attachCategories -- extAlloc -- attachToClass -- attachCategories，在attachToClass中加断点
  • 在readClass方法中断住，查看kc_ro 其中baseMethodList的count是8个，打印看看：对象方法3个+属性的setget方法共4个+1个cxx方法 ，即 现在只有主类的数据 image.png image.png
  • 为了调试分类的数据加载， 继续往下执行，bt查看堆栈：load_images -> loadAllCategories -> load_categories_nolock

总结：懒加载类 + 非懒加载分类的数据加载，只要分类实现了load，会迫使主类提前加载,即 主类 强行转换为 非懒加载类样式

总结

类和分类搭配使用，其数据的加载时机总结如下：

  • 【情况1】非懒加载类 + 非懒加载分类，其数据的加载在load_images方法中，首先对类进行加载，然后把分类的信息贴到类中
  • 【情况2】非懒加载类 + 懒加载分类，其数据加载在read_image就加载数据，数据来自data，data在编译时期就已经完成，即data中除了类的数据，还有分类的数据，与类绑定在一起
  • 【情况3】懒加载类 + 懒加载分类 ，其数据加载推迟到 第一次消息时，数据同样来自data，data在编译时期就已经完成
  • 【情况4】懒加载类 + 非懒加载分类 ，只要分类实现了load，会迫使主类提前加载，即在_read_images中不会对类做实现操作，需要在load_images方法中触发类的数据加载，即rwe初始化，同时加载分类数据 如下图所示:

补充：load_images原理分析

load_images方法的主要作用是加载镜像文件，其中最重要的有两个方法：prepare_load_methods（发现） 和 call_load_methods（调用）

  • 进入load_images源码实现

进入prepare_load_methods源码

image.png - 进入_getObjc2NonlazyClassList -> schedule_class_load源码,这里主要是根据类的继承链递归调用获取load，直到cls不存在才结束递归，目的是为了确保父类的load优先加载 - 进入add_class_to_loadable_list，主要是将load方法和cls类名一起加到loadable_classes表中 - 进入getLoadMethod，主要是获取方法的sel为load的方法

  • _getObjc2NonlazyCategoryList -> realizeClassWithoutSwift -> add_category_to_loadable_list ,主要是将非懒加载分类的load方法加入表中
    • 进入add_category_to_loadable_list实现,获取所有的非懒加载分类中的load方法，将分类名+load加入表loadable_categories

进入call_load_methods源码，主要有3部分操作

  • 反复调用类的+load，直到不再有

  • 调用一次分类的+load

  • 如果有类或更多未尝试的分类，则运行更多的+load image.png

  • 进入call_class_loads，主要是加载类的load方法 其中load方法中有两个隐藏参数，第一个为id 即self，第二个为sel，即cmd

  • call_category_loads，主要是加载一次分类的load方法

综上所述，load_images方法整体调用过程及原理图示如下:

  • 调用过程图示

  • 原理图示

    主要分为两步

    • 从所有的非懒加载类和分类中的+load分别添加到表中

    • 调用类和分类的+load方法

引用

本文学习引用iOS-底层原理 18：类的加载（下）,在此致谢

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