iOS-底层原理 12：方法查询之快速查找

Harmony_haitao
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Runtime 介绍

runtime称为运行时，它区别于编译时

  • 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
  • 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，即词法分析、语法分析等，是一个静态的阶段

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图所示

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

 
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

通过clang编译的源码，理解了OC对象的本质，同样的，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 sayNB];
[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("sayNB"));
((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

LGPerson *person = [LGPerson alloc];   
objc_msgSend(person,sel_registerName("sayNB"));
[person sayNB];

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

 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
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
LGTeacher *teacher = [LGTeacher alloc];
[person sayHello];

struct objc_super lgsuper;
lgsuper.receiver = person; //消息的接收者还是person
lgsuper.super_class = [LGTeacher class]; //告诉父类是谁
    
//消息的接受者还是自己 - 父类 - 请你直接找我的父亲
objc_msgSendSuper(&lgsuper, sel_registerName("sayHello"));

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

  • objc_super源码定义

打印结果如下

子类方法调用转为执行父类的实现的打印结果

发现不论是[person 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objc4-781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

objc_msgSend 汇编源码

objc_msgSend是消息发送的源码的入口，其使用汇编实现的，_objc_msgSend源码实现如下

主要有以下几步

  • 【第一步】判断objc_msgSend方法的第一个参数receiver是否为空

    • 如果支持tagged pointer，跳转至LNilOrTagged，

      • 如果小对象为空，则直接返回空，即LReturnZero
      • 如果小对象不为空，则处理小对象的isa，走到【第二步】

    • 如果即不是小对象，receiver也不为空，有以下两步

      • 从receiver中取出isa存入p13寄存器，
      • 通过 GetClassFromIsa_p16中，arm64架构下通过 isa & ISA_MASK 获取shiftcls位域的类信息，即class，GetClassFromIsa_p16的汇编实现如下，然后走到【第二步】
  • 【第二步】获取isa完毕，进入慢速查找流程CacheLookup NORMAL

主要分为以下几步

  • 【第一步】通过cache首地址平移16字节（因为在objc_class中，首地址距离cache正好16字节，即isa首地址占8字节，superClass占8字节），获取cahce，cache中高16位存mask，低48位存buckets，即p11 = cache

  • 【第二步】从cache中分别取出buckets和mask，并由mask根据哈希算法计算出哈希下标

    • 通过cache和掩码（即0x0000ffffffffffff）的 & 运算，将高16位mask抹零，得到buckets指针地址，即p10 = buckets

    • 将cache右移48位，得到mask，即p11 = mask

    • 将objc_msgSend的参数p1（即第二个参数_cmd）& msak,通过哈希算法，得到需要查找存储sel-imp的bucket下标index，即p12 = index = _cmd & mask,为什么通过这种方式呢？因为在存储sel-imp时，也是通过同样哈希算法计算哈希下标进行存储，所以读取也需要通过同样的方式读取，如下所示

  • 【第三步】根据所得的哈希下标index 和 buckets首地址，取出哈希下标对应的bucket

    • 其中PTRSHIFT等于3，左移4位（即2^4 = 16字节）的目的是计算出一个bucket实际占用的大小,结构体bucket_t中sel占8字节，imp占8字节
    • 根据计算的哈希下标index 乘以 单个bucket占用的内存大小，得到buckets首地址在实际内存中的偏移量
    • 通过首地址 + 实际偏移量，获取哈希下标index对应的bucket

  • 【第四步】根据获取的bucket，取出其中的imp存入p17，即p17 = imp，取出sel存入p9，即p9 = sel

  • 【第五步】第一次递归循环

    • 比较获取的bucket中sel 与 objc_msgSend的第二个参数的_cmd(即p1)是否相等

    • 如果相等，则直接跳转至CacheHit，即缓存命中，返回imp

    • 如果不相等，有以下两种情况

      • 如果一直都找不到，直接跳转至CheckMiss，因为$0是normal，会跳转至__objc_msgSend_uncached，即进入慢速查找流程
      • 如果根据index获取的bucket 等于 buckets的第一个元素，则人为的将当前bucket设置为buckets的最后一个元素（通过buckets首地址+mask右移44位（等同于左移4位）直接定位到bucker的最后一个元素），然后继续进行递归循环（第一个递归循环嵌套第二个递归循环），即【第六步】
      • 如果当前bucket不等于buckets的第一个元素，则继续向前查找，进入第一次递归循环

  • 【第六步】第二次递归循环：重复【第五步】的操作，与【第五步】中唯一区别是，如果当前的bucket还是等于 buckets的第一个元素，则直接跳转至JumpMiss，此时的$0是normal，也是直接跳转至__objc_msgSend_uncached，即进入慢速查找流程

以下是整个快速查找过程值的变化过程

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