前言

我们知道objc_class有4个属性，第一个是从objc_object继承过来的ISA，是个objc_class *结构体指针，占8字节，superclass同样是8字节的objc_class *指针，接下去是cache和bits，本文就cache的结构和作用开始研究。

cache的结构分析

cache的大小

属性cache的类型是cache_t类型，查看cache_t的源码，除去方法和静态变量，影响cache的大小的有如下

cache_t是个结构体，有两个属性：

第一个是一个8字节的指针_bucketsAndMaybeMask
第二个是一个互斥的联合体

联合体的大小： 8字节的指针_originalPreoptCache和一个结构体互斥，由联合体的特性也能推算结构体的大小也是8字节，所以联合体的大小是8字节，从而推出cache_t的大小是16个字节

联合体内包含的结构体根据不同的架构有不同的情况，我们选一种如图中标颜色的架构分析

typedef uint32_t mask_t; mask_t是4个字节
_occupied是uint16_t，2个字节
_flags是uint16_t，2个字节
所以加起来也是8个字节，验证了上述猜想

小结：cache的大小是16个字节

cache的属性具体分析

_bucketsAndMaybeMask

顾名思义_bucketsAndMaybeMask这个属性包含了buckets，可能也包含mask,那么一个8字节的指针是怎么存下buckets和mask的呢？带着这个疑问我们查看cache_t里面的方法，找到了setBucketsAndMask，全局搜索，我们发现这个方法有三个实现

这三个方法具体走哪个是根据架构区分的，查看架构的宏定义：

结合架构分析setBucketsAndMask方法可以知道：

CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED的架构_bucketsAndMaybeMask存的就是buckets，mask是存在_mask属性里面
CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16或者CACHE_MASK_STORAGE的架构下maskShift=48，所以_bucketsAndMaybeMask的高16位存mask，低48位存buckets
CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4的架构下高48位存buckets，低16位存的是objc::mask16ShiftBits(mask) mask16ShiftBits方法是获取0xffff需要右移多少位可以得到mask 至此我们终于明白_bucketsAndMaybeMask其中maybe的意思了，根据不同的架构会存buckets，但是mask存在与否可能就maybe了。

_originalPreoptCache

全局搜索可以看到这些地方有用到这个属性

看代码注释这个变量大概是跟共享缓存或者是缓存的测试有关，在libobjc没看到别的地方的引用，看来一般情况是不会用到这个变量的，所以我们暂时先不重点研究这个变量了

_mask

capacity顾名思义就是cache的容量，mask就是cache的容量-1，当然mask的获取是根据mask()方法，也是根据架构不同要么直接拿_mask的属性要么从_bucketsAndMaybeMask这里面取，和存值是个反操作，这里不再赘述

_occupied

这个就一个地方实现，所有架构都一样，是cache里面已经缓存的方法的个数。

cache的lldb调试

断点继续跑到study4前

这时候问题来了，我们明明跑了init,study1,study2,study3 4个方法了，为什么_occupied是2？我们先打印下具体存了哪两个方法

这里我们打印buckets的第0个位置的内容发现sel和imp都是空的，这是为什么呢？通过内存平移我们继续打印buckets

我们发现确实存在study2和study3这两个方法，所以_occupied是2没问题，那么init,study1这两个方法去哪去了，同时我们发现study2和study3的方法并不是顺序存的，那么buckets一定不是我们理解的数组这样的连续存储的结构，可能有点像哈希数组的感觉。为了验证我们的猜想我们去找cache_t对于方法的插入的函数，我们猜想是add或者是insert这样的方法，果然是这样的

cache的insert方法分析

void cache_t::insert(SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
    lockdebug::assert_locked(&runtimeLock);

    // Never cache before +initialize is done
    if (slowpath(!cls()->isInitialized())) {
        return;
    }

    if (isConstantOptimizedCache()) {
        _objc_fatal("cache_t::insert() called with a preoptimized cache for %s",
                    cls()->nameForLogging());
    }

#if DEBUG_TASK_THREADS
    return _collecting_in_critical();
#else
#if CONFIG_USE_CACHE_LOCK
    mutex_locker_t lock(cacheUpdateLock);
#endif

    ASSERT(sel != 0 && cls()->isInitialized());

    // Use the cache as-is if until we exceed our expected fill ratio.
    mask_t newOccupied = occupied() + 1; // 新的方法缓存个数
    unsigned oldCapacity = capacity(), capacity = oldCapacity;
    if (slowpath(isConstantEmptyCache())) {
        // Cache is read-only. Replace it.
        if (!capacity) capacity = INIT_CACHE_SIZE;
        reallocate(oldCapacity, capacity, /* freeOld */false);
    }
    else if (fastpath(newOccupied + CACHE_END_MARKER <= cache_fill_ratio(capacity))) {
        // Cache is less than 3/4 or 7/8 full. Use it as-is.
    }
#if CACHE_ALLOW_FULL_UTILIZATION
    else if (capacity <= FULL_UTILIZATION_CACHE_SIZE && newOccupied + CACHE_END_MARKER <= capacity) {
        // Allow 100% cache utilization for small buckets. Use it as-is.
    }
#endif
    else {
        capacity = capacity ? capacity * 2 : INIT_CACHE_SIZE;
        if (capacity > MAX_CACHE_SIZE) {
            capacity = MAX_CACHE_SIZE;
        }
        reallocate(oldCapacity, capacity, true);
    }

    bucket_t *b = buckets();
    mask_t m = capacity - 1;
    mask_t begin = cache_hash(sel, m);
    mask_t i = begin;

    // Scan for the first unused slot and insert there.
    // There is guaranteed to be an empty slot.
    do {
        if (fastpath(b[i].sel() == 0)) {
            incrementOccupied();
            b[i].set<Atomic, Encoded>(b, sel, imp, cls());
            return;
        }
        if (b[i].sel() == sel) {
            // The entry was added to the cache by some other thread
            // before we grabbed the cacheUpdateLock.
            return;
        }
    } while (fastpath((i = cache_next(i, m)) != begin));

    bad_cache(receiver, (SEL)sel);
#endif // !DEBUG_TASK_THREADS
}

新的方法缓存个数是原来的+1这是当然，毕竟新插入一个方法

第一次没缓存过方法会来这里面，根据架构不同初始化不同的容量，我这边的架构是mac os 模拟器 capacity=4

然后会分配buckets，根据freeOld来回收内存，当然第一次不需要回收

CACHE_END_MARKER=1

这段代码的含义是缓存的方法数+1如果超过了3/4的话需要扩容，当然不同的架构也可能是7/扩容扩容是2倍扩容

这段代码是关键我们关注下cache_hash这个方法，第一个参数是sel,第二个是capacity-1也就是mask

看到这里我们通过哈希函数得到初始下标begin,前面对于buckets的数据结构这里也得到了验证，其实就是哈希数组。

通过cache_next进行遍历

如果没有存过就存方法，并且incrementOccupied
如果方法存在就直接返回
循环结束时又到了开始的方法

cache的模拟代码

不需要在libobjc的源码环境，新建一个工程我们还原cache_t的结构

模拟器下还原cache_t结构

struct sp_class_data_bits_t {
  uintptr_t bits;
};

struct sp_bucket_t {
  //真机环境是先_imp后_sel
  SEL _sel;
  IMP _imp;
};

struct sp_cache_t {
  struct sp_bucket_t* _buckets; // 模拟器这个_bucketsAndMaybeMask其实就是_buckets，真机环境复杂点，留个读者探究
  uint32_t  _mask;
  uint16_t  _occupied;
  uint16_t  _flags;
};

struct sp_objc_class {
  Class isa; // 注意这里的isa是继承父类的
  Class superclass;
  struct sp_cache_t cache;
  struct sp_class_data_bits_t bits;
};

还原cache_t的结构后我们可以通过桥接__bridge把SPObject类桥接成sp_objc_class我们自己定义的结构体，这样我们可以分析每次调用方法时候_mask，_occupied，已经缓存的方法列表的变化

void test() {
  struct sp_objc_class*sp_class = (__bridge struct sp_objc_class *)(SPObject.class);
  NSLog(@"%u-%u- %u", sp_class->cache._mask, 
  sp_class->cache._occupied,  
  sp_class->cache._flags);
  for(int i = 0; i < sp_class->cache._mask; i ++) {
    struct sp_bucket_t bucket = sp_class->cache._buckets[i];
    NSLog(@"%@-%p-%d", NSStringFromSelector(bucket._sel), bucket._imp, i);
  }
  NSLog(@"***************");
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
      SPObject *p = [[SPObject alloc] init];
      test();
      [p study1];
      test();
      [p study2];
      test();
      [p study3];
      test();
      [p study4];
      test();
      [p study5];
      test();
      [p study6];
      test();
      [p study7];
      test();
    }
    return 0;
}

控制台输出如下：

**2023-01-10 22:53:01.719984+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] 3-1- 32784**

**2023-01-10 22:53:01.723247+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] init-0x8d5b748-0**

**2023-01-10 22:53:01.723601+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-1**

**2023-01-10 22:53:01.723677+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-2**

**2023-01-10 22:53:01.723737+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] *****************

**2023-01-10 22:53:01.723870+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] 3-2- 32784**

**2023-01-10 22:53:01.723993+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] init-0x8d5b748-0**

**2023-01-10 22:53:01.724064+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study1-0xbf08-1**

**2023-01-10 22:53:01.724122+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-2**

**2023-01-10 22:53:01.724177+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] *****************

**2023-01-10 22:53:01.724250+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] 7-1- 32784**

**2023-01-10 22:53:01.724320+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study2-0xbf18-0**

**2023-01-10 22:53:01.724379+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-1**

**2023-01-10 22:53:01.724433+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-2**

**2023-01-10 22:53:01.724494+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-3**

**2023-01-10 22:53:01.724546+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-4**

**2023-01-10 22:53:01.737091+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-5**

**2023-01-10 22:53:01.737155+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-6**

**2023-01-10 22:53:01.737200+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] *****************

**2023-01-10 22:53:01.737297+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] 7-2- 32784**

**2023-01-10 22:53:01.737367+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study2-0xbf18-0**

**2023-01-10 22:53:01.737422+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study3-0xbf68-1**

**2023-01-10 22:53:01.737468+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-2**

**2023-01-10 22:53:01.737512+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-3**

**2023-01-10 22:53:01.737556+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-4**

**2023-01-10 22:53:01.737597+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-5**

**2023-01-10 22:53:01.737638+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-6**

**2023-01-10 22:53:01.737681+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] *****************

**2023-01-10 22:53:01.737742+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] 7-3- 32784**

**2023-01-10 22:53:01.737791+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study2-0xbf18-0**

**2023-01-10 22:53:01.749535+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study3-0xbf68-1**

**2023-01-10 22:53:01.749639+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-2**

**2023-01-10 22:53:01.749687+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-3**

**2023-01-10 22:53:01.749731+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-4**

**2023-01-10 22:53:01.749776+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-5**

**2023-01-10 22:53:01.749819+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study4-0xbf78-6**

**2023-01-10 22:53:01.749858+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] *****************

**2023-01-10 22:53:01.749931+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] 7-4- 32784**

**2023-01-10 22:53:01.749978+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study2-0xbf18-0**

**2023-01-10 22:53:01.750022+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study3-0xbf68-1**

**2023-01-10 22:53:01.750061+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-2**

**2023-01-10 22:53:01.750099+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-3**

**2023-01-10 22:53:01.750137+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-4**

**2023-01-10 22:53:01.750180+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study5-0xbf48-5**

**2023-01-10 22:53:01.750222+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study4-0xbf78-6**

**2023-01-10 22:53:01.750259+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] *****************

**2023-01-10 22:53:01.750315+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] 7-5- 32784**

**2023-01-10 22:53:01.750360+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study2-0xbf18-0**

**2023-01-10 22:53:01.750449+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study3-0xbf68-1**

**2023-01-10 22:53:01.750522+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-2**

**2023-01-10 22:53:01.750566+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-3**

**2023-01-10 22:53:01.750729+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study6-0xbf58-4**

**2023-01-10 22:53:01.750802+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study5-0xbf48-5**

**2023-01-10 22:53:01.750849+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study4-0xbf78-6**

**2023-01-10 22:53:01.750903+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] *****************

**2023-01-10 22:53:01.750981+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] 15-1- 32784**

**2023-01-10 22:53:01.751078+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-0**

**2023-01-10 22:53:01.751140+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-1**

**2023-01-10 22:53:01.751184+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-2**

**2023-01-10 22:53:01.751224+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-3**

**2023-01-10 22:53:01.751264+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-4**

**2023-01-10 22:53:01.751304+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-5**

**2023-01-10 22:53:01.751343+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-6**

**2023-01-10 22:53:01.751381+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-7**

**2023-01-10 22:53:01.751421+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-8**

**2023-01-10 22:53:01.751460+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-9**

**2023-01-10 22:53:01.751500+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-10**

**2023-01-10 22:53:01.751550+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] study7-0xbea8-11**

**2023-01-10 22:53:01.751593+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-12**

**2023-01-10 22:53:01.751632+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-13**

**2023-01-10 22:53:01.751670+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] (null)-0x0-14**

**2023-01-10 22:53:01.751708+0800 KCObjcBuild[69345:16969273] *****************

我们看到_mask，_occupied的变化是3-1,3-2,7-1,7-2,7-4,7-5,15-1

3-1的解释：第一次方法调用，初始化capacity=4, _mask=capacity-1=3, 并且缓存了一个方法init

3-1到3-2的解释：调用第二个方法2 + 1 <= 3 / 4 * 4 未达到扩容条件，所以容量不变，_mask也不变还是3，同时新缓存了study1方法，_occupied变为2

3-2到7-1的解释：调用第三个方法3 + 1 > 3 / 4 * 4满足扩容条件，2倍扩容``capacity = 4 * 2 = 8, _mask=capacity-1=8-1=7,然后重新分配buckets,调用reallocate->setBucketsAndMask，这时_occupied=0，接着在新的buckets（新开辟的内存空间，所以此时没有缓存方法）查找study2，未找到，于是插入方法，同时incrementOccupied，这时这时_occupied=1 所以这就是7-1的来源

7-5到15-1的解释：调用study7方法 6 + 1 > 3 / 4 * 8满足扩容条件，2倍扩容``capacity = 8 * 2 = 16, _mask=capacity-1=16-1=15,然后重新分配buckets,调用eallocate->setBucketsAndMask，这时_occupied=0，接着在新的buckets（新开辟的内存空间，所以此时没有缓存方法）查找study7，未找到，于是插入方法，同时incrementOccupied，这时这时_occupied=1 所以这就是15-1的来源我们看到study7存在的位置是11，也就是通过hash_cache算出来的下标

真机下还原cache_t结构

struct sp_zhenji_bucket_t {
  //真机先imp后sel
  IMP _imp;
  SEL _sel;
};

struct sp_zhenji_cache_t {
  // 真机架构
  unsigned long _bucketsAndMaybeMask;
  uint32_t  _unused;
  uint16_t  _occupied;
  uint16_t  _flags;
  struct sp_zhenji_bucket_t *buckets() {
    //低44位存buckests，中间4位是maskZeroBits
    return (sp_zhenji_bucket_t *)(_bucketsAndMaybeMask << 20 >> 20);
  }
  uint32_t mask() {
    //高16位存mask
    return _bucketsAndMaybeMask >> 48;
  }
};

struct sp_zhenji_objc_class {
  Class isa;
  Class superclass;
  struct sp_zhenji_cache_t cache;
  struct sp_class_data_bits_t bits;
};

改造下模拟器的测试代码我们可以得到真机的测试代码如下:

void test_zhenji() {
  struct sp_zhenji_objc_class* sp_class = (__bridge struct sp_zhenji_objc_class *)(SPObject.class);
  NSLog(@"%u-%u", sp_class->cache.mask(),
  sp_class->cache._occupied);
  for(int i = 0; i <= sp_class->cache.mask(); i ++) {
    struct sp_zhenji_bucket_t bucket = sp_class->cache.buckets()[i];
    NSLog(@"%@-%p-%d", NSStringFromSelector(bucket._sel), bucket._imp, i);
  }
  NSLog(@"***************");
}

 SPObject *p = [[SPObject alloc] init];
  test_zhenji();
  [p study1];
  test_zhenji();
  [p study2];
  test_zhenji();
  [p study3];
  test_zhenji();
  [p study4];
  test_zhenji();
  [p study5];
  test_zhenji();
  [p study6];
  test_zhenji();
  [p study7];
  test_zhenji();
  [p study1];
  test_zhenji();
  [p study2];
  test_zhenji();
  [p study3];
  test_zhenji();
  [p study4];
  test_zhenji();
  [p study5];
  test_zhenji();
  [p study8];
  test_zhenji();
  [p study9];
  test_zhenji();

运行代码可以得到如下结果：

2023-02-18 15:20:31.981278+0800 TestCache[672:70223] 1-1
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2023-02-18 15:20:31.981383+0800 TestCache[672:70223] 1-2
2023-02-18 15:20:31.981403+0800 TestCache[672:70223] init-0x240f84019f4523e8-0
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我们看到_mask，_occupied的变化是1-1,1-2,3-1,3-2,3-3,3-4,7-1,7-2,7-3,7-4,7-5,7-6,7-7,7-8,15-1

开始是1-1的原因：真机环境初始化容量INIT_CACHE_SIZE定义为2，所以_mask=2-1=1
真机环境CACHE_END_MARKER的值为0，CACHE_ALLOW_FULL_UTILIZATION的值为1

结论:真机的初始化容量是2，在容量小于等于8的时候是满扩容，超过8的时候才会触发3/4扩容，这也就解释了_mask，_occupied从7-8到15-1变化的原因

总结

cache的大小是16个字节，分别是8字节的指针_bucketsAndMaybeMask和8字节的指针_originalPreoptCache
_bucketsAndMaybeMask在CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED的架构下存的就是buckets，其他架构会存mask(高16位或者低16位mask16ShiftBits）
_mask=capacity-1 是cache的容量-1
_occupied是已缓存的方法数
_originalPreoptCache可能跟共享缓存或者是缓存的测试有关
重点是cache的insert方法
初始化INIT_CACHE_SIZE大小的容量，此时开辟内存不用freeOld
3/4或者7/8扩容（架构不同）
2倍扩容，扩容是新开辟内存，free掉原来的内存
通过哈希函数hash_cache获取下标
哈希冲突的解决是再哈希取下个下标
为什么是哈希结构（如果是普通的数组结构每次方法判断存在与否需要O(n)的时间复杂度，而用哈希数组可以在O(1)的时间复杂度获取下标)
3/4其实是负载因子的概念，值越大的情况空间利用率高，但是更容易哈希冲突，查找时间变久；值越小，更快的需要进行开辟新的内存空间，空间利用率低，当然哈希冲突概率减小，查找时间变快。3/4是时间和空间利用率都比较不错的
真机的初始化容量是2，在容量小于等于8的时候是满扩容，超过8的时候才会触发3/4扩容

类的底层探究-cache

前言