OC底层原理13 :类扩展 与 关联对象 底层原理探索

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OC底层原理13 :类扩展 与 关联对象 底层原理探索

分类和类扩展 区别

category 类别、分类

  • 专门用来给类添加新的方法
  • 不能给类添加成员属性,添加了成员属性,也无法取到
  • 分类中用@property 定义变量,只会生成变量的setter、getter方法的声明不能生成方法实现 和 带下划线的成员变量
  • 可以通过runtime 给分类添加属性,即属性关联,重写settergetter方法
    - (void)setCate_name:(NSString *)cate_name{
        objc_setAssociatedObject(self, "cate_name", cate_name, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
    }
    
    - (NSString *)cate_name{
        return  objc_getAssociatedObject(self, "cate_name");
    }
    

extension 类扩展

  • 可以说成是特殊的分类 ,也可称作 匿名分类
  • 可以给类添加成员属性,但是私有变量
  • 可以给类添加方法,也是私有方法

类扩展 底层原理探究

类的扩展(@interface LGTeacher ())有两种创建方式:

  • 直接在类中书写:永远在声明(@interface LGPerson : NSObject)之后,在实现(@implementation LGPerson)之前(需要在.m文件中书写)
  • 通过 command+N 新建 -> Objective-C File -> 选择Extension

类扩展的本质

通过clang底层编译

mian.m写一个类扩展:

  • 通过clang -rewrite-objc main.mm -o main.cpp命令生成cpp文件,打开cpp文件,搜索ext_name属性:
  • 查看 LGTeacher 类拓展的方法,在编译过程中,方法就直接添加到了 methodlist中,作为类的一部分,即编译时期直接添加到本类里面

通过源码调试探索

创建LGPerson+LGEXT.h即类的扩展,并声明两个方法 image.pngLGperon.m中实现这两个方法 image.png

  • 运行objc源码程序,在readClass中断住,查看kc_ro image.png
  • p kc_ro->baseMethodList
  • p $0->get(0) ~ p $0->get(10)

总结

  • 类的扩展 在编译器 会作为类的一部分,和类一起编译进来
  • 类的扩展只是声明依赖于当前的主类,没有.m文件,可以理解为一个·h文件

分类关联对象 底层原理探索

image.png 其底层原理的实现,主要分为两部分:

  • 通过objc_setAssociatedObject设值流程
  • 通过objc_getAssociatedObject取值流程

关联对象-设值流程

分类LG中重写属性cate_nameset方法,通过runtime的属性关联方法实现

  • 运行程序,断点断在maincate_name赋值处
  • 继续往下运行,断在分类的setCate_name方法中 其中objc_setAssociatedObject方法有四个参数,分别表示:
    • 参数1:要关联的对象,即给谁添加关联属性
    • 参数2:标识符,方便下次查找
    • 参数3:value
    • 参数4:属性的策略,即nonatomic、atomic、assign等,如下所示
  • 进入objc_setAssociatedObject源码实现
    • 这种设计模式属于是接口模式,对外的接口不变,内部的逻辑变化不影响外部的调用, 类似于set方法的底层源码实现
  • 进入get方法实现,其中 ChainedHookFunction是一个函数指针
  • 进入SetAssocHook,其底层实现是_base_objc_setAssociatedObject,类型是ChainedHookFunction

所以可以理解为SetAssocHook.get()等价于_base_objc_setAssociatedObject:

void
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
{
    SetAssocHook.get()(object, key, value, policy);//接口模式,对外接口始终不变
}

👇等价于

void
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
{
    _base_objc_setAssociatedObject(object, key, value, policy);//接口模式,对外接口始终不变
}
  • 进入_base_objc_setAssociatedObject源码实现:_base_objc_setAssociatedObject -> _object_set_associative_reference,通过断点调试,确实会来到这里

_object_set_associative_reference 方法

进入_object_set_associative_reference源码实现.
关于关联对象 底层原理的探索 主要是看value存到了哪里, 以及如何取出value ,以下是源码:

void
_object_set_associative_reference(id object, const void *key, id value, uintptr_t policy)
{
    // This code used to work when nil was passed for object and key. Some code
    // probably relies on that to not crash. Check and handle it explicitly.
    // rdar://problem/44094390
    if (!object && !value) return;

    if (object->getIsa()->forbidsAssociatedObjects())
        _objc_fatal("objc_setAssociatedObject called on instance (%p) of class %s which does not allow associated objects", object, object_getClassName(object));
    //object封装成一个数组结构类型,类型为DisguisedPtr
    DisguisedPtr<objc_object> disguised{(objc_object *)object};//相当于包装了一下 对象object,便于使用
    // 包装一下 policy - value
    ObjcAssociation association{policy, value};

    // retain the new value (if any) outside the lock.
    association.acquireValue();//根据策略类型进行处理
    //局部作用域空间
    {
1.创建一个 `AssociationsManager` 管理类
        //初始化manager变量,相当于自动调用AssociationsManager的构造函数进行初始化
        AssociationsManager manager;//并不是全场唯一,构造函数中加锁只是为了避免重复创建,在这里是可以初始化多个AssociationsManager变量的
2. 获取`唯一`的全局静态哈希`Map:AssociationsHashMap`    
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());//AssociationsHashMap 全场唯一

        if (value) {
            auto refs_result = associations.try_emplace(disguised, ObjectAssociationMap{});//返回的结果是一个类对
            if (refs_result.second) {//判断第二个存不存在,即bool值是否为true
                /* it's the first association we make 第一次建立关联*/
                object->setHasAssociatedObjects();//nonpointerIsa ,标记位true
            }

            /* establish or replace the association 建立或者替换关联*/
            auto &refs = refs_result.first->second; //得到一个空的桶子,找到引用对象类型,即第一个元素的second值
            auto result = refs.try_emplace(key, std::move(association));//查找当前的key是否有association关联对象
            if (!result.second) {//如果结果不存在
                association.swap(result.first->second);
            }
        } else {//如果传的是空值,则移除关联,相当于移除
            auto refs_it = associations.find(disguised);
            if (refs_it != associations.end()) {
                auto &refs = refs_it->second;
                auto it = refs.find(key);
                if (it != refs.end()) {
                    association.swap(it->second);
                    refs.erase(it);
                    if (refs.size() == 0) {
                        associations.erase(refs_it);

                    }
                }
            }
        }
    }

    // release the old value (outside of the lock).
    association.releaseHeldValue();//释放
}

通过源码可知,主要分为以下几部分:

    1. 创建一个 AssociationsManager 管理类
    1. 获取唯一的全局静态哈希Map:AssociationsHashMap
    1. 判断是否插入的关联值value是否存在
    • 3.1. 存在走第4步
    • 3.2. 不存在就走 : 关联对象-插入空流程
    1. 通过try_emplace方法,并创建一个空的 ObjectAssociationMap 去取查询的键值对
    1. 如果发现没有这个 key插入一个 空的 BucketT进去并返回true
    1. 通过setHasAssociatedObjects方法标记对象存在关联对象即置isa指针has_assoc属性为true
    1. 用当前 policy 和 value 组成了一个 ObjcAssociation 替换原来 BucketT 中的空
    1. 标记一下 ObjectAssociationMap第一次false
源码调试
  • 定义AssociationsManager类型的变量,相当于自动调用AssociationsManager构造函数进行初始化.

    • AssociationsManager源码如下: image.png
    • 加锁lock,并不代表 唯一,只是为了避免多线程重复创建,其实在外面是可以定义多个AssociationsManager manager;
  • 定义AssociationsHashMap类型的哈希map,这个全场唯一的,从哪里可以体现呢?

    • 通过_mapStorage.get()生成哈希map,其中_mapStorage是一个静态变量,所以 哈希map 永远是通过静态变量获取出来的,所以是全场唯一的。 image.png
  • 通过调试,可以查看 目前的数据结构

    • p disguised :其中的value是来自object 还原出来的
    • p association
    • p manager
    • p associations :目前的associations0x0,表示还没有查找到相应的递归查找域中

  • 走到局部作用域的if判断,此时的 value是有值的,为KC

  • 如果传入的value是空值,走到局部作用域的else流程,通过源码可知,相当于移除关联

  • 继续往下执行,查看 refs_result -- p refs_result,其中的类型数据非常多,可以进行拆解查看

    • associations调用try_emplace方法,传入一个对象disguised 和 一个空的关联mapObjectAssociationMap{}
      //pair -- 表示有键值对
      (std::__1::pair<
       objc::DenseMapIterator<DisguisedPtr<objc_object>,
      
       objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> >,
      
       objc::DenseMapValueInfo<objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> > >,
      
       objc::DenseMapInfo<DisguisedPtr<objc_object> >,
      
       objc::detail::DenseMapPair<DisguisedPtr<objc_object>, objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> > >,
      
       false>,
      
       bool>)
      
      //可以简写为
      
      (std::__1::pair<
      
       objc
      
      bool>)
      
  • 进入try_emplace方法的源码实现

    • 有两个返回,都是通过std::make_pair生成相应的键值对

    • 通过LookupBucketFor方法查找桶子,如果map中已经存在,则直接返回,其中make_pair的第二个参数bool值为false

    • 如果没有找到,则通过InsertIntoBucket插入map,其中make_pair的第二个参数bool值为true image.png

  • 进入LookupBucketFor源码,有两个同名方法,其中第二个方法属于重载函数,区别于第一个的是第二个参数没有const修饰,通过调试可知,外部的调用是调用的第二个重载函数,而第二个LookupBucketFor方法,内部的实现是调用第一个LookupBucketFor方法

  • 第一个LookupBucketFor方法源码实现

  • 第二个LookupBucketFor方法的源码实现 image.png

  • 断点运行至try_emplace方法中的获取bucket部分TheBucket = InsertIntoBucket(TheBucket, Key, std::forward<Ts>(Args)...);

    • p TheBucket

    其中TheBucket的类型与 refs_result中属性的类型是一致

  • 进入if (refs_result.second)的if流程,通过setHasAssociatedObjects将 nonpointerIsa 的has_assoc标记为 true

  • 继续往下执行,查看refs

    • p refs,执行try_emplace前查看
    • p refs,执行try_emplace后查看 第一次执行try_emplace插入的是一个空桶,还没有值,第二次执行第一次执行try_emplace才插入值,即往空桶中插入ObjectAssociationMap(value,policy),返回true,可以通过调试验证
  • p result.second ,返回的true,到此就将属性与value关联上了 image.png

所以,关联对象的设值图示如下,有点类似于cache_t中的insert方法插入sel-imp的逻辑,如下图所示

属性关联涉及的哈希map结构

所以到目前为止,关联属性涉及的map结构如下: image.png

typedef DenseMap<DisguisedPtr<objc_object>, ObjectAssociationMap> AssociationsHashMap;

typedef DenseMap<const void *, ObjcAssociation> ObjectAssociationMap;
  • AssociationsManager可以有多个,通过AssociationsManagerLock锁可以得到一个AssociationsHashMap类型的map

  • map中有很多的关联对象map,类型是ObjectAssociationMap,其中key为DisguisedPtr<objc_object>,例如LGPerson会对应一个ObjectAssociationMap,LGTeacher也会对应一个ObjectAssociationMap

    typedef DenseMap<DisguisedPtr<objc_object>, ObjectAssociationMap> AssociationsHashMap;
    
  • ObjectAssociationMap哈希表中有很多key-value键值对,其中key的类型为const void *,其实这个key从底层这个方法_object_set_associative_reference(id object, const void *key, id value, uintptr_t policy)的参数就可以看出,key是我们关联属性时设置的字符串value的类型为ObjcAssociation

    typedef DenseMap<const void *, ObjcAssociation> ObjectAssociationMap;
    
  • 其中ObjcAssociation是用于包装policy和value的一个类 image.png

对象插入空流程

根据源码可知,主要是局部作用域中的else流程,其实这个流程可以通俗的理解为当传入的value为nil时,则移除关联,主要分为以下几步:

  • 1、根据 DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap 中的 iterator 迭代查询器
  • 2、清理迭代器
  • 3、其实如果插入空置 相当于清除

关联对象-取值流程

  • main中 打印person.cate_name的值,断点来到分类中重写的属性getter方法 image.png
  • 进入objc_getAssociatedObject源码实现

_object_get_associative_reference方法

其源码实现如下:

id
_object_get_associative_reference(id object, const void *key)
{
    ObjcAssociation association{};//创建空的关联对象

    {
        AssociationsManager manager;//创建一个AssociationsManager管理类
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());//获取全局唯一的静态哈希map
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find((objc_object *)object);//找到迭代器,即获取buckets
        if (i != associations.end()) {//如果这个迭代查询器不是最后一个 获取
            ObjectAssociationMap &refs = i->second; //找到ObjectAssociationMap的迭代查询器获取一个经过属性修饰符修饰的value
            ObjectAssociationMap::iterator j = refs.find(key);//根据key查找ObjectAssociationMap,即获取bucket
            if (j != refs.end()) {
                association = j->second;//获取ObjcAssociation
                association.retainReturnedValue();
            }
        }
    }

    return association.autoreleaseReturnedValue();//返回value
}

通过源码可知,主要分为以下几部分

  • 1:创建一个 AssociationsManager 管理类
  • 2:获取唯一的全局静态哈希Map:AssociationsHashMap
  • 3:通过find方法根据 DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap 中的 iterator 迭代查询器
  • 4:如果这个迭代查询器不是最后一个 获取 : ObjectAssociationMap (policy和value)
  • 5:通过find方法找到ObjectAssociationMap的迭代查询器获取一个经过属性修饰符修饰的value
  • 6:返回 value

调试取值流程

  • 接着上一步调试,进入_object_get_associative_reference源码实现
    • 进入find方法:根据关联对象迭代查找AssociationsHashMap,即buckets image.png
  • 再次通过find方法,在buckets中查找与key配对的bucket
    • find方法执行之前,j的打印,此时的value为nil image.png
  • find方法查询之后,j的打印,此时的value 为KC image.png

总结

所以,综上所述,所以关联对象的底层调用流程如下图所示:

总的来说关联对象主要就是两层哈希map的处理,即存取时都是两层处理,类似于二维数组.

补充

AssociationsHashMap 唯一性验证

  • 验证AssociationsHashMap 的唯一性,而AssociationsManager不唯一

    • 为了调试方便,去掉AssociationsManager实现里的加锁
  • _object_set_associative_reference方法中再次定义一遍manager 和 associations

  • 下面是调试运行的结果,从下图中可以看出两个association的地址是一样的,验证了其唯一性 image.png

  • 加锁的目的:保证对象的安全性,防止冲突

AssociationsManager manager;

👇等价于

AssociationsManager();

lock();

...

unlock();//作用域之后unlock

引用

本文学习引用iOS-底层原理 19:类扩展 与 关联对象 底层原理探索,在此致谢

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