方法的本质2_从objc_msgSend谈起

底层 ios 源码 类 结构 objc msgSend
发布日期:   2020-02-24
文章字数:   1.8k
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方法的本质，就是消息传递…

本页所使用的objc runtime 756.2，来自GITHUB

一、引子：Runtime

概念

我们都知道，在运行OC代码时，类或者对象在调用方法时会用到runtime，那么，到底什么是运行时呢？

寻找一些资料后可以给出概念：

In computer science, runtime, run time or execution time is the time when the CPU is executing the machine code.
在计算机科学里，runtime，run time 或execution time 是指CPU 执行机器语言的期间。
—— 维基百科

Runtime 是一套由C、C++、汇编混合写成的为OC提供运行时功能的api。

先看苹果开发者文档里对runtime 的介绍的介绍：

The Objective-C runtime is a runtime library that provides support for the dynamic properties of the Objective-C language, and as such is linked to by all Objective-C apps. Objective-C runtime library support functions are implemented in the shared library found at /usr/lib/libobjc.A.dylib.

OC runtime 是一个给OC语言动态属性提供支持的运行时库，这些属性链接到所有的OC应用 。OC runtime库支持在shared library里实现的函数，这些函数库名为/usr/lib/libobjc.A.dylib

版本

legacy：经典版

modern：现代版，即objc2.0，我们目前用到的版本。

二、方法的本质

概念

方法的本质，就是objc_msgSend 的消息传递。先看苹果开发者文档里对objc_msgSend的介绍：

Function

objc_msgSend

Sends a message with a simple return value to an instance of a class.

发送一个有简单返回值的消息给类的实例

相关源码如下: 

objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, ...)

其中两个关键参数self 和 op 的解释如下:

* @param self A pointer to the instance of the class that is to receive the message.

​ self 一个指向由类生产的实例的指针，用来接收消息

* @param op The selector of the method that handles the message.

​ op 方法： 处理消息的方法的选择器

可见，objc_msgSend 的核心信息，就是向对象主体（self）传递相应的方法/消息（op）。

但是消息传递的机制到底怎样，还是用源码来解释。

源码分析

开始生成一个main.m 内代码如下

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        [person sayHello];
 
        // Setup code that might create autoreleased objects goes here.
    }
    return NSApplicationMain(argc, argv);
}

其中LGPerson 的内部实现如下：

@interface LGPerson : NSObject

- (void)sayHello;
- (void)sayNB;

@end

在这里，着重查看LGPerson alloc 方法，以及其实例 person sayHello` 在汇编里的实现 :

进入到目录下，输入编译代码：

clang -rewrite-objc main.m

得到main.cpp 的文件

编译c++ 指令

cpp 生成后的结构图

打开main.cpp 结构如下:

#pragma clang assume_nonnull end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        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("sayHello"));
    }
    return NSApplicationMain(argc, argv);
}

上文代码中，可以简化为,

Runtime 语法 OC 语法
(LGPerson ()(id, SEL))(void *) –
(id)objc_getClass(“LGPerson”) [LGPerson class]
sel_registerName(“alloc”) @selector(alloc)

即代码为：

LGPerson *person = ((LGPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));

// 转换后
LGPerson *person = objc_msgSend([LGPerson class], @selector(alloc));

解释为: 向LGPerson 的类，发送了alloc 方法

扩展代码实践

开始设定一个类Student 

#import "Student.h"
interface Student : Person
- (void)sayCode;
@end
OC语法
#import "Student.h"

Student *student = [Student new];
[student sayCode];
NSObject 写法
objc_msgSend(student, NSSelectorFromString(@"sayCode"));
sel_registerName 的函数API
objc_msgSend(student, sel_registerName("sayCode"));

三、底层分析

汇编源码

我们现在分析，当类对象发送消息是，底层发生了什么。

1、方法入口

新建工程，输入如下代码，进行断点检测；

另外在Xcode 的Debug–Debug Workflow—Always show Disassembly

配置：打开汇编监视

OC方法调用，打开断点

按住Control 逐渐获得汇编函数得到第一个方法传递函数：objc_msgSend

很明显，这里的Student sayCode 在汇编里，执行了 objc_msgSend 方法，继续查看

打开Xcode, 搜索objc_msgSend，找到相关结果如下：

objc_msgSend 搜索结果

由于研究的环境是移动平台，选择arm64，通过ENTRY _objc_msgSend结果进入

首先看到的代码如下：

	ENTRY _objc_msgSend
	UNWIND _objc_msgSend, NoFrame

1	cmp	p0, #0			// nil check and tagged pointer check
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
2	b.le	LNilOrTagged		//  (MSB tagged pointer looks negative)
#else
3	b.eq	LReturnZero
#endif
2、类Tagged Pointer 检查

代码解析：

序号 代码 解释
1 cmp p0 #0 cmp = compare
检测0位寄存器 = 空？，以及tagged point 检测
2 b.le LNilOrTagged // 即1代码成立，跳转至LNilOrTagged的宏（下文叙述）
3 b.eq LReturnZero // b.eq 即不成立，结果为空，返回并跳出

这一小节，主要是用来判断 tagged pointer 是否存在，存在则继续进行，否则跳出。

Tagged point是苹果推出的针对64位机器的特定的指针，概念如下：

苹果对于Tagged Pointer特点的介绍：

  1. Tagged Pointer专门用来存储小的对象，例如NSNumber和NSDate
  2. Tagged Pointer指针的值不再是地址了，而是真正的值。所以，实际上它不再是一个对象了，它只是一个披着对象皮的普通变量而已。所以，它的内存并不存储在堆中，也不需要malloc和free。
  3. 在内存读取上有着3倍的效率，创建时比以前快106倍。
3、加载isa

这一部分主要是通过加载的isa，获取当前底层的类的实现

 // person - isa - 类
ldr	p13, [x0]							// p13 = isa
GetClassFromIsa_p16 p13		// p16 = class

序号 代码 解释
1 ldr p13, [x0] 将13位存储器isa 字，加载到0位寄存器
LDR = LoaD woRd
2 GetClassFromIsa_p16 p13 通过加载的isa，宏逻辑获取到当前的类
GetClassFromIsa_p16 是一个汇编宏

GetClassFromIsa_p16 的汇编实现如下:

.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
	// Indexed isa
	mov	p16, $0			// optimistically set dst = src
	tbz	p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f	// done if not non-pointer isa
	// isa in p16 is indexed
	adrp	x10, _objc_indexed_classes@PAGE
	add	x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
	ubfx	p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS  // extract index
	ldr	p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT]	// load class from array
1:

#elif __LP64__
	// 64-bit packed isa
	and	p16, $0, #ISA_MASK

#else
	// 32-bit raw isa
	mov	p16, $0

#endif

.endmacro

分析流程图如下：

GetClassFromIsa_p16 流程图

4、用isa查询方法缓存

当在3步，isa 拿到之后，现在要做的事情，就是对当前要执行的方法进行缓存查找。

LGetIsaDone:
	CacheLookup NORMAL		// calls imp or objc_msgSend_uncached

CacheLookup 在这里的做法是查询类里是否含有方法到缓存。 一般有两种结果：拿到缓存IMP，或者未曾缓存。

查询可以得到有三种查询方式:

  • NORMAL 正常查找
  • GETIMP 获取IMP
  • LOOKUP 慢速查询方法

根据源码，做了一些注释：

CacheLookup宏的流程

其中多次出现CheckMiss ,也是个汇编宏，使用在缓存查找失败后。

源码如下:

.macro CheckMiss
	// miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP
	cbz	p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
	cbz	p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
	cbz	p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

根据查找的模式位NORMAL, 对应的**__objc_msgSend_uncached **。

在源码中搜索，得到相关逻辑如下：

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
TailCallFunctionPointer x17

END_ENTRY __objc_msgSend_uncached

执行方法查找的核心方法，就是MethodTableLookup， 继续点开查看，得到的是方法列表查找

这里的内容，则是到objc_class 的 class_data_bits_t 里寻找方法的具体实现了，下一篇文章我们来讲。

四、小结

这一篇，主要是开始从汇编的角度，来实现方法查找流程，流程草写了一下，图一定补。。。

  • 拿到isa
  • 查找Class
  • 在Cache_t 查找bucket
    • bucket 相同，返回IMP
    • 否则 跳到BITS
  • BITS 中
    • 查找Rw
      • 查找ro
        • 查找methodList

总流程如下:

objc_msgSend

文章作者: 李佳
文章链接: http://nilsli.com/p/23281.html
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