iOS底层原理06-消息流程分析objc_msgSend（上）

花田柳丁
197 阅读9分钟

经过前几篇的介绍，我们已经对与对象，类有了更清晰的认知，这篇的重点，我们来学习一下objective-c这门语言中消息的流程分析。

何为Runtime

Runtime称为运行时，它区别于编译时。

  • 编译时 是源代码翻译成机器能识别的代码的过程，主要是对语言进行最基本的检查报错，即语法分析等，是一个静态的阶段。
  • 运行时 是代码跑起来，被装载到内存中的过程，如果此时出错，则程序会崩溃，是一个动态阶段。

Runtime的使用有以下三种方式，其三种实现方法与编译层和底层的关系如下所示

  • 通过OC代码，例如 [person sayHello]
  • 通过NSObject方法，例如isKindOfClass 
  • 通过Runtime API，例如class_getInstanceSize

image.png

其中的compiler就是我们了解的编译器，即LLVM，例如OC的alloc 对应底层的objc_alloc， runtime system libarary 就是底层库。

探索方法的本质

方法的本质
使用clang编译main.cpp文件，通过查看main函数中方法调用的实现，如下所示

//main.m中方法的调用
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
[person sayHi];
[person sayHello];

//👇clang编译后的底层实现
LGPerson *person = ((LGPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHi"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));

通过上述代码可以看出，方法的本质就是objc_msgSend消息发送。

为了验证，通过objc_msgSend方法来完成[person sayNB]的调用，查看其打印是否是一致。

注：

  • 1、直接调用objc_msgSend，需要导入头文件#import <objc/message.h>
  • 2、需要将target --> Build Setting -->搜索msg -- 将enable strict checking of obc_msgSend calls由YES 改为NO，将严厉的检查机制关掉，否则objc_msgSend的参数会报错

image.png

其打印结果如下，发现是一致的，所以 [person sayHello]等价于objc_msgSend(person, sel_registerName("sayHello"))

对象方法调用-实际执行是父类的实现
除了验证，我们还可以尝试让person的调用执行父类中实现，通过objc_msgSendSuper实现

  • 定义两个类：LGPerson和LGTeacher，父类中实现了sayHello方法

main中的调用

image.png

objc_msgSendSuper方法中有两个参数（结构体，sel），其结构体类型是objc_super定义的结构体对象，且需要指定receiver 和 super_class两个属性，源码实现 & 定义如下

  • objc_msgSendSuper 方法参数

image.png

  • objc_super源码定义

image.png

打印结果如下

image.png

发现不论是[teacher sayHello]还是objc_msgSendSuper都执行的是父类中sayHello的实现，所以这里，我们可以作一个猜测：方法调用，首先是在类中查找，如果类中没有找到，会到类的父类中查找。

带着我们的猜测，下面我们来探索objc_msgSend的源码实现

objc_msgSend 快速查找流程分析

在objc4-838.1源码中，搜索objc_msgSend，由于我们日常开发的都是架构是arm64，所以需要在arm64.s后缀的文件中查找objc_msgSend源码实现，发现是汇编实现，其汇编整体执行的流程图如下

2251862-aecc50c741fa734c.png

以下是整个快速查找过程值的变化过程

2251862-b7345913a236c9bc.png

objc_msgSend 慢速查找流程分析

慢速查找-汇编部分

在快速查找流程中，如果没有找到方法实现，无论是走到CheckMiss还是JumpMiss，最终都会走到__objc_msgSend_uncached汇编函数

  • 在objc-msg-arm64.s文件中查找__objc_msgSend_uncached的汇编实现，其中的核心是MethodTableLookup（即查询方法列表），其源码如下

**

STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves

// THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
// Out-of-band p16 is the class to search

MethodTableLookup // 开始查询方法列表
TailCallFunctionPointer x17

END_ENTRY __objc_msgSend_uncached
  • 搜索MethodTableLookup的汇编实现，其中的核心是_lookUpImpOrForward，汇编源码实现如下

**

.macro MethodTableLookup

    // push frame
    SignLR
    stp fp, lr, [sp, #-16]!
    mov fp, sp

    // save parameter registers: x0..x8, q0..q7
    sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
    stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    str x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    mov x2, x16
    mov x3, #3
    bl  _lookUpImpOrForward //核心源码

    // IMP in x0
    mov x17, x0

    // restore registers and return
    ldp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    ldp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    ldp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    ldp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    ldp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    ldp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    ldp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    ldp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    ldr x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    mov sp, fp
    ldp fp, lr, [sp], #16
    AuthenticateLR

.endmacro

慢速查找-C/C++部分

  • 根据汇编部分的提示，全局续搜索lookUpImpOrForward，最后在objc-runtime-new.mm文件中找到了源码实现，这是一个c实现的函数
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    // 定义的消息转发
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 
    IMP imp = nil;
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 快速查找，如果找到则直接返回imp
    //目的：防止多线程操作时，刚好调用函数，此时缓存进来了
    if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) { 
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) goto done_nolock;
    }

    //加锁，目的是保证读取的线程安全
    runtimeLock.lock();

    //判断是否是一个已知的类：判断当前类是否是已经被认可的类，即已经加载的类
    checkIsKnownClass(cls); 

    //判断类是否实现，如果没有，需要先实现，此时的目的是为了确定父类链，方法后续的循环
    if (slowpath(!cls->isRealized())) { 
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }

    //判断类是否初始化，如果没有，需要先初始化
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) { 
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

    runtimeLock.assertLocked();
    curClass = cls;

    //----查找类的缓存

    // unreasonableClassCount -- 表示类的迭代的上限
    //（猜测这里递归的原因是attempts在第一次循环时作了减一操作，然后再次循环时,仍在上限的范围内，所以可以继续递归）
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) { 
        //---当前类方法列表（采用二分查找算法），如果找到，则返回，将方法缓存到cache中
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
        //当前类 = 当前类的父类，并判断父类是否为nil
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //--未找到方法实现，方法解析器也不行，使用转发
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        // 如果父类链中存在循环，则停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // --父类缓存
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) { 
            // 如果在父类中找到了forward，则停止查找，且不缓存，首先调用此类的方法解析器
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            //如果在父类中，找到了此方法，将其存储到cache中
            goto done;
        }
    }

    //没有找到方法实现，尝试一次方法解析

    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //动态方法决议的控制条件，表示流程只走一次
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

 done:
    //存储到缓存
    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); 
    //解锁
    runtimeLock.unlock();
 done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;
}

其整体的慢速查找流程如图所示

2251862-fd926e375c27a218.png

主要有以下几步：

  • 【第一步】cache缓存中进行查找，即快速查找，找到则直接返回imp，反之，则进入【第二步】

  • 【第二步】判断cls

    • 是否是已知类，如果不是，则报错
    • 类是否实现，如果没有，则需要先实现，确定其父类链，此时实例化的目的是为了确定父类链、ro、以及rw等，方法后续数据的读取以及查找的循环
    • 是否初始化，如果没有，则初始化

  • 【第三步】for循环，按照类继承链 或者 元类继承链的顺序查找

    • 当前cls的方法列表中使用二分查找算法查找方法，如果找到，则进入cache写入流程（在# iOS底层原理05-cache详解文章中已经详述过），并返回imp，如果没有找到，则返回nil

    • 当前cls被赋值为父类，如果父类等于nil，则imp = 消息转发，并终止递归，进入【第四步】

    • 如果父类链中存在循环，则报错，终止循环

    • 父类缓存中查找方法

      • 如果未找到，则直接返回nil，继续循环查找
      • 如果找到，则直接返回imp，执行cache写入流程

  • 【第四步】判断是否执行过动态方法解析

    • ，如果没有，执行动态方法解析
    • 如果执行过一次动态方法解析，则走到消息转发流程

以上就是方法的慢速查找流程，下面在分别详细解释二分查找原理 以及 父类缓存查找详细步骤

getMethodNoSuper_nolock方法：二分查找方法列表

其二分查找核心的源码实现如下

ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
    ASSERT(list);

    const method_t * const first = &list->first;
    const method_t *base = first;
    const method_t *probe;
    uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key; //key 等于 say666
    uint32_t count;
    //base相当于low，count是max，probe是middle，这就是二分
    for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
        //从首地址+下标 --> 移动到中间位置（count >> 1 右移1位即 count/2 = 4）
        probe = base + (count >> 1); 

        uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name;

        //如果查找的key的keyvalue等于中间位置（probe）的probeValue，则直接返回中间位置
        if (keyValue == probeValue) { 
            // -- while 平移 -- 排除分类重名方法
            while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) {
                //排除分类重名方法（方法的存储是先存储类方法，在存储分类---按照先进后出的原则，分类方法最先出，而我们要取的类方法，所以需要先排除分类方法）
                //如果是两个分类，就看谁先进行加载
                probe--;
            }
            return (method_t *)probe;
        }

        //如果keyValue 大于 probeValue，就往probe即中间位置的右边查找
        if (keyValue > probeValue) { 
            base = probe + 1;
            count--;
        }
    }

    return nil;
}

算法原理简述为：从第一次查找开始，每次都取中间位置，与想查找的key的value值作比较，如果相等，则需要排除分类方法，然后将查询到的位置的方法实现返回，如果不相等，则需要继续二分查找，如果循环至count = 0还是没有找到，则直接返回nil，如下所示：

image.png

cache_getImp方法：父类缓存查找

cache_getImp方法是通过汇编_cache_getImp实现，传入的$0 是 GETIMP，如下所示

image.png

  • 如果父类缓存中找到了方法实现，则跳转至CacheHit即命中，则直接返回imp
  • 如果在父类缓存中，没有找到方法实现，则跳转至CheckMiss 或者 JumpMiss，通过判断$0 跳转至LGetImpMiss，直接返回nil

总结

  • 对于对象方法（即实例方法），即在类中查找，其慢速查找的父类链是：类--父类--根类--nil
  • 对于类方法，即在元类中查找，其慢速查找的父类链是：元类--根元类--根类--nil
  • 如果快速查找、慢速查找也没有找到方法实现，则尝试动态方法决议
  • 如果动态方法决议仍然没有找到，则进行消息转发

常见方法未实现报错源码

如果在快速查找、慢速查找、方法解析流程中，均没有找到实现，则使用消息转发，其流程如下

image.png

消息转发会实现

  • 其中_objc_msgForward_impcache是汇编实现，会跳转至__objc_msgForward，其核心是__objc_forward_handler
STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache

// No stret specialization.
b   __objc_msgForward

END_ENTRY __objc_msgForward_impcache

//👇
ENTRY __objc_msgForward

adrp    x17, __objc_forward_handler@PAGE
ldr p17, [x17, __objc_forward_handler@PAGEOFF]
TailCallFunctionPointer x17

END_ENTRY __objc_msgForward
  • 汇编实现中查找__objc_forward_handler，并没有找到，在源码中去掉一个下划线进行全局搜索_objc_forward_handler，有如下实现，本质是调用的objc_defaultForwardHandler方法
// Default forward handler halts the process.
__attribute__((noreturn, cold)) void
objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel)
{
    _objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
                "(no message forward handler is installed)", 
                class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? '+' : '-', 
                object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;

看着objc_defaultForwardHandler有没有很眼熟，这就是我们在日常开发中最常见的错误：没有实现函数，运行程序，崩溃时报的错误提示。

下篇我来继续介绍objc_msgSend查找过后的动态决议和动态转发。

avatar
文章
阅读
粉丝