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本文會詳細(xì)描述Objective-C運(yùn)行時(shí)的各對象數(shù)底層據(jù)結(jié)構(gòu),、類和原類,、消息傳遞與轉(zhuǎn)發(fā)、動態(tài)方法等技術(shù)方案. 文中底層代碼實(shí)現(xiàn)均來自Apple open source ; 本文篇幅較長, 文中描述加之有個(gè)人的一點(diǎn)理解, 主要用作記錄和學(xué)習(xí)之用, 文筆粗陋, 技術(shù)菜雞, 如有錯(cuò)誤或不妥之處, 萬望各位大佬不吝指教, 不勝感激!
Objective-C runtime是一個(gè)動態(tài)運(yùn)行庫, 它給Objective-C語言的動態(tài)性提供了支撐. 所有的應(yīng)用都會鏈接到該運(yùn)行時(shí)庫.
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.
在下述講述過程中, 你應(yīng)該注意三個(gè)非常重要的概念.即Class,、SEL,、IMP, 在這里我先把他們列出來, 后面我們會一一的深入講到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和之間的關(guān)系.
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object {
Class isa;
} *id;
typedef struct objc_selector *SEL;
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
objc_object表示實(shí)例對象底層是結(jié)構(gòu)體, 內(nèi)部有一個(gè)私有的isa指針, 該指針指向了其類對象
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
...
// isa相關(guān)操作
// 弱引用, 關(guān)聯(lián)對象, 內(nèi)存管理等等相關(guān)的操作
// 都是在此結(jié)構(gòu)體中, 篇幅太長, 不再全部貼出
}
objc_class繼承自objc_object(所以肯定有isa指針), 表示類對象, 底層仍然是結(jié)構(gòu)體, 其內(nèi)部的isa指針, 指向了該類的元類對象. 同時(shí), 內(nèi)部的superclass指向了自身的父類對象, NSObject對象superclass指向了nil, cache是一個(gè)方法緩存結(jié)構(gòu)體, bits是存儲變量、屬性,、方法等的結(jié)構(gòu)體
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
...
// 類相關(guān)的數(shù)據(jù)操作都是在此結(jié)構(gòu)體中, 不再全部貼出
}
緩存方法, 消息傳遞時(shí), 會先通過哈希查找算法, 在此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中查詢是否有要執(zhí)行的方法緩存, 如果有則快速執(zhí)行該方法函數(shù), 這樣提高了消息傳遞的效率;
方法緩存策略, 是局部性原理 的最佳應(yīng)用;
本質(zhì)是一個(gè)可增量的哈希表 , 其內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)由bucket_t組成的結(jié)構(gòu)體列表
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
public:
struct bucket_t *buckets();
...
};
bucket_t內(nèi)部存儲了方法緩存key和無類型函數(shù)指針地址的映射關(guān)系, 在查找緩存時(shí), 通知指定的key查找到具體的bucket_t, 再從bucket_t中查詢到函數(shù)IMP地址, 進(jìn)而去執(zhí)行函數(shù)
struct bucket_t {
private:
cache_key_t _key;
IMP _imp;
public:
inline cache_key_t key() const { return _key; }
inline IMP imp() const { return (IMP)_imp; }
inline void setKey(cache_key_t newKey) { _key = newKey; }
inline void setImp(IMP newImp) { _imp = newImp; }
void set(cache_key_t newKey, IMP newImp);
};
class_data_bits_t結(jié)構(gòu)主要是對class_rw_r的封裝
class_rw_r又是對class_ro_r的封裝
struct class_rw_t {
// class_rw_t部分代碼
uint32_t flags;
uint32_t version;
// 指向只讀的結(jié)構(gòu)體, 存儲類初始內(nèi)容
const class_ro_t *ro;
/*
三個(gè)可讀寫二維數(shù)組, 存儲了類的初始化信息, 內(nèi)容
*/
method_array_t methods; // 方法列表
property_array_t properties; // 屬性列表
protocol_array_t protocols; // 協(xié)議列表
// 第一個(gè)子類
Class firstSubclass;
// 下一個(gè)同級類
Class nextSiblingClass;
};
class_ro_t結(jié)構(gòu)
struct class_ro_t {
// class_ro_t部分代碼
const char * name;
// class_ro_t存儲的是類在編譯期就確定的方法, 屬性, 協(xié)議等
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};
需要注意的是, class_ro_t存儲的是類在編譯期就確定的內(nèi)容信息, 而class_rw_t不僅包含了類在編譯期的內(nèi)容信息(其實(shí)是把class_ro_t的內(nèi)容合并), 還包含了在運(yùn)行時(shí)動態(tài)添加的類內(nèi)容, 如分類添加的方法, 屬性, 協(xié)議等內(nèi)容; 一張圖來表示上述結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系:
在arm64為架構(gòu)之前, isa指針存儲了類或元類對象的地址信息, 從arm64架構(gòu)開始對isa指針(非指針型指針)進(jìn)行了優(yōu)化, 用位域存儲了除類或元類地址信息以外的其他信息, 如has_assoc表示是否設(shè)置關(guān)聯(lián)對象
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
struct {
// 標(biāo)記位, 0 代表指針型isa, 1代表非指針型isa
uintptr_t indexed : 1;
// 是否有關(guān)聯(lián)對象
uintptr_t has_assoc : 1;
// 是否有C 析構(gòu)函數(shù)
uintptr_t has_cxx_dtor : 1;
// 存儲當(dāng)前對象的類或元類的內(nèi)存地址
uintptr_t shiftcls : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
// 判斷對象是否已經(jīng)初始化
uintptr_t magic : 6;
// 對象是否有弱引用指針
uintptr_t weakly_referenced : 1;
// 當(dāng)前對象是否有dealloc操作
uintptr_t deallocating : 1;
// 當(dāng)前isa指針是否有外掛引用表
// 引用計(jì)數(shù)值大于isa所能存儲最大值時(shí)
// 就會綁定一個(gè)sidetable散列表屬性, 來存儲更多的引用計(jì)數(shù)信息
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
// 額外的引用計(jì)數(shù)值
uintptr_t extra_rc : 19;
};
}
這里需要注意
isa所屬對象是實(shí)例對象, 則其指向?qū)嵗龑ο蟮念悓ο?/li>
isa所屬對象是類對象, 則其指向類對象的元類對象
method_t是函數(shù)的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 是對函數(shù)的封裝, Apple對函數(shù)的介紹在這里
struct method_t {
SEL name; // 函數(shù)名稱
const char *types; // 函數(shù)返回值和參數(shù)
IMP imp; // 無類型函數(shù)指針指向函數(shù)體
struct SortBySELAddress :
public std::binary_function<const method_t&,
const method_t&, bool> {
bool operator() (const method_t& lhs,
const method_t& rhs)
{ return lhs.name < rhs.name; }
};
};
Apple使用了Type Encodings 技術(shù), 來實(shí)現(xiàn)類型編碼, Objective-C 運(yùn)行時(shí)庫內(nèi)部利用類型編碼幫助加快消息分發(fā).
對于一個(gè)無類型無參數(shù)的函數(shù), 其types值為 “V@:”
- (void)method {
// 其中
// V對應(yīng)返回值, 代表返回值類型為void
// @對應(yīng)第一個(gè)參數(shù), id類型代表一個(gè)對象, 默認(rèn)第一個(gè)參數(shù)是對象本身(self), 且該參數(shù)是固定的
// :對應(yīng)SEL, 代表該參數(shù)是個(gè)方法選擇器, 且該參數(shù)是默認(rèn)的第二個(gè)固定參數(shù)
}
一大佬(膜拜)畫的一張圖, 足以說明三者之間的關(guān)系.( Apple官網(wǎng) 也有類似的描述,但是個(gè)人感覺沒有下面這張圖更精彩)
實(shí)例對象的isa指針指向其類對象
類對象的isa指針指向其元類對象
任何元類對象的isa指針都指向根元類對象
類對象的superclass指針指向其父類對象, 根類對象指向nil
元類對象的superclass指針指向其父元類對象, 根元類對象指向根類
其中, 根類在Objective-C中即為NSObject. 實(shí)例對象其實(shí)就是objc_object(), 類對象就是objc_class(); 上面講到, objc_class()是繼承自objc_object(), 因此類對象中也有isa指針
typedef struct objc_object {
Class isa;
} *id;
從底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以看出, 類對象中存儲了實(shí)例對象方法列表, 成員變量等內(nèi)容; 同時(shí), 元類對象中存儲了類對象的類方法列表等內(nèi)容;
當(dāng)一個(gè)實(shí)例對象調(diào)用一個(gè)實(shí)例方法時(shí)
首先會根據(jù)該對象的isa指針, 查到到其類對象, 在類對象方法列表中查詢是否有所調(diào)用方法的實(shí)現(xiàn);
如果沒有, 則類對象會根據(jù)自身的superclass指針查找其父類對象, 在父類對象方法列表中查詢是否有所調(diào)用方法的同名方法實(shí)現(xiàn);
遞歸調(diào)用直至根類對象, 如果中間有任何一步查詢到了具體的方法實(shí)現(xiàn), 就去執(zhí)行具體的函數(shù)調(diào)用;
如果直至根類, 仍然沒有找到方法實(shí)現(xiàn), 則會調(diào)用系統(tǒng)兩個(gè)方法, 然后走系統(tǒng)調(diào)用流程;
(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
具體的消息傳遞流程請往下看
self是當(dāng)前類的因此參數(shù), 指向類的實(shí)例對象, 進(jìn)行方法調(diào)用時(shí), 代表從當(dāng)前類開始進(jìn)行查找
OBJC_EXPORT void objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_0, __IPHONE_2_0);
super本質(zhì)是個(gè)編譯器標(biāo)識符, 僅代表方法查找時(shí)從當(dāng)前對象所屬父類開始查找方法實(shí)現(xiàn)
OBJC_EXPORT id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_0, __IPHONE_2_0);
在開發(fā)中, 我們經(jīng)常會碰見這樣子一個(gè)錯(cuò)誤 unrecognized selector sent to instance xx
我們知道Objective-C是動態(tài)語言, 方法的調(diào)用并不像C的靜態(tài)綁定一樣, 在編譯的時(shí)候就確定了程序運(yùn)行時(shí)該調(diào)用哪個(gè)函數(shù)(C中沒有方法實(shí)現(xiàn)會報(bào)錯(cuò)), 而是在運(yùn)行時(shí)基于runtime這個(gè)動態(tài)運(yùn)行時(shí)庫通過一系列的查找才決定調(diào)用哪個(gè)函數(shù), 這樣的調(diào)用方式更加靈活, 我們甚至可以在運(yùn)行時(shí)動態(tài)的修改某個(gè)方法的實(shí)現(xiàn), 與當(dāng)下流行的"熱更新"技術(shù)有些類似. 而這個(gè)查找過程就是Objective-C的消息機(jī)制.
在Objective-C中, 方法調(diào)用其實(shí)就是給某個(gè)對象發(fā)送消息, 在編譯后的文件中我們發(fā)現(xiàn), 底層都轉(zhuǎn)變?yōu)楹瘮?shù)調(diào)用
// 返回值, 參數(shù)1: 固定self, 參數(shù)2: 固定SEL, 后面是參數(shù)3, 參數(shù)4....
OBJC_EXPORT void objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_0, __IPHONE_2_0);
從代碼中可以看到, 消息發(fā)送函數(shù)有兩個(gè)默認(rèn)的參數(shù), 第一個(gè)是消息接受者receiver, 默認(rèn)就是當(dāng)前對象self; 第二個(gè)默認(rèn)參數(shù)是SEL, SEL的本質(zhì)的方法選擇器selector; (閱讀運(yùn)行時(shí)的文檔你會發(fā)現(xiàn), 幾乎所有方法調(diào)用都和selector有關(guān)系)! 所以, 我們的方法調(diào)用可以這樣表示** [receiver selector] **, 那么這個(gè)selector究竟是何方神圣, 遺憾的是我在Apple和GNU 提供的runtime代碼中,都只找到了這一行代碼.
typedef struct objc_selector *SEL;
不過Apple 給了說明, 方法選擇器selector就是個(gè)映射到C中的字符串. 根據(jù)我翻閱的各種資料都顯示, selector就是個(gè)C字符串類型的方法名稱.
Method selectors are used to represent the name of a method at runtime. A method selector is a C string that has been registered (or “mapped“) with the Objective-C runtime. Selectors generated by the compiler are automatically mapped by the runtime when the class is loaded.
說了半天, 跟我們的運(yùn)行時(shí)有什么關(guān)系(objc_msgSend()是[receiver selector]編譯階段實(shí)現(xiàn)的)?那么, objc_msgSend()函數(shù)在運(yùn)行時(shí)是如何進(jìn)一步調(diào)用的呢?
首先, 通過 recevier的isa指針尋找到recevier的class(類);
其次, 先在class中的cache list(緩存列表)查找是否有對應(yīng)的緩存selector;
如果在緩存列表中查找到, 那么就根據(jù)selector(key)直接執(zhí)行方法對應(yīng)的IMP(value);
否則, 繼續(xù)在 class的method list(方法列表)中查找對應(yīng)的 selector;
如果沒有找到對應(yīng)的selector, 就繼續(xù)在它的 superclass(父類)中尋找;
最后, 如果找到對應(yīng)的 selector, 直接執(zhí)行 recever 對應(yīng) selector 方法實(shí)現(xiàn)的 IMP(方法實(shí)現(xiàn))
否則, 系統(tǒng)進(jìn)入默認(rèn)消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制.
我們用一張圖來表示上述流程
OBJC_EXPORT id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_0, __IPHONE_2_0);
而objc_super結(jié)構(gòu)體內(nèi)部, 消息接受者仍然是receiver當(dāng)前實(shí)例對象, 與上面不唯一不同的是, self是從當(dāng)前對象的類對象中開始查找對應(yīng)實(shí)現(xiàn), 而super則是跨過當(dāng)前對象的類對象直接從類對象的父類對象開始查找方法實(shí)現(xiàn);
struct objc_super {
/// Specifies an instance of a class.
__unsafe_unretained id receiver;
};
在消息的傳遞過程中, 我們講到, 如果receiver 找不到對應(yīng)的selector的IMP實(shí)現(xiàn), 則會進(jìn)入系統(tǒng)的默認(rèn)消息轉(zhuǎn)發(fā)流程. 而系統(tǒng)默認(rèn)處理消息轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制就會拋出unrecognized selector sent to instance xx 異常, 然后結(jié)束整個(gè)消息轉(zhuǎn)發(fā). 如果想要避免這種情況的發(fā)生, 我們就需要在如果selector找不到的情況下在運(yùn)行時(shí)動態(tài)的給receiver添加實(shí)現(xiàn).
在系統(tǒng)處理消息轉(zhuǎn)發(fā)的過程中, 首先會根據(jù)調(diào)用對象類型不同分別調(diào)用如下兩個(gè)api, 我們可以通過重載在這兩個(gè)方法內(nèi)部動態(tài)添加方法, 進(jìn)而避免crash
// 找不到類方法, 重載此類方法添加類方法實(shí)現(xiàn)
(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
// 找不到實(shí)例方法, 重載此類方法添加實(shí)例方法實(shí)現(xiàn)
(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
我們以實(shí)例方法為例舉個(gè)??
// 此處實(shí)例方法test沒有方法實(shí)現(xiàn)
(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
// 判斷是否是test方法
if (sel == @selector(test)) {
NSLog(@"resolveInstanceMethod:");
// 動態(tài)添加test方法的實(shí)現(xiàn)
class_addMethod(self, @selector(test), testImp, "v@:");
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
void testImp (void) {
NSLog(@"test invoke");
}
如果在resolveInstanceMethod:SEL中沒有處理消息(即返回NO), 則系統(tǒng)會給我們第二次機(jī)會, 調(diào)用forwardingTargetForSelector:SEL! 方法返回值是個(gè)id類型, 告訴系統(tǒng)這個(gè)實(shí)例方法調(diào)用轉(zhuǎn)由哪個(gè)對象(如果是類方法調(diào)用則返回類對象; 如果是實(shí)例方法調(diào)用, 則返回實(shí)例對象)來接受處理, 如果我們指定了新的receiver, 就把消息重新交給新的receiver處理.
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(test)) {
NSLog(@"forwardingTargetForSelector:");
// 重定向, 讓ForwardObj對象作為receiver, 接收處理這個(gè)消息
return [[ForwardObj alloc] init];
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
如果系統(tǒng)給我們第二次機(jī)會時(shí), 我們返回的對象是nil, 或者self, 那系統(tǒng)會最后一次給我們避免crash的機(jī)會, 即消息重定向流程, 調(diào)用methodSignatureForSelector方法, 返回值是個(gè)方法簽名
// 定義函數(shù)參數(shù)和返回值類型, 并返回函數(shù)簽名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(test)) {
NSLog(@"methodSignatureForSelector:");
// v代表方法簽名的返回值void, @ id類型代表self
// : SEL類型, 代表方法選擇器, 其實(shí)就是@selector(test)
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"@:"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
NSLog(@"forwardInvocation:");
ForwardObj *obj = [[ForwardObj alloc] init];
if ([obj performSelector:anInvocation.selector]) {
// 如果obj對象可以響應(yīng), 則消息轉(zhuǎn)發(fā)給obj對象處理
[anInvocation invokeWithTarget: obj];
} else {
// 否則, 拋異常找不到方法對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)
[self doesNotRecognizeSelector:anInvocation.selector];
}
}
我們在消息轉(zhuǎn)發(fā)的過程中已經(jīng)用到了動態(tài)添加方法
// 動態(tài)添加底層實(shí)現(xiàn)
// cls: 為哪個(gè)動態(tài)添加方法
// name: 要添加的方法名稱(方法選擇器selector)
// IMP: 無類型函數(shù)指針地址
// types: Type Encodings 函數(shù)參數(shù)和返回值
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types) {
if (!cls) return NO;
rwlock_writer_t lock(runtimeLock);
return ! addMethod(cls, name, imp, types ?: "", NO);
}
同樣的, 在消息轉(zhuǎn)發(fā)過程中, 其實(shí)就是對方法的動態(tài)解析. 現(xiàn)在我們要講述另一個(gè)方法動態(tài)解析的類型, @dynamic
動態(tài)運(yùn)行時(shí), 把其實(shí)現(xiàn)推遲到了運(yùn)行時(shí), 即將函數(shù)決議推遲到運(yùn)行時(shí)
而靜態(tài)語言, 是在編譯期就進(jìn)行了函數(shù)決議
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