iOS runtime探究(二): 從runtime開始深入理解OC訊息轉發機制
你要知道的runtime都在這裡
本文主要講解runtime相關知識，從原理到實踐，由於包含內容過多分為以下五篇文章詳細講解，可自行選擇需要了解的方向:
本文是系列文章的第二篇文章從runtime開始: 深入理解OC訊息轉發機制，主要從runtime出發講解OC的訊息傳遞和訊息轉發機制。
你不知道的msg_send
我們知道在OC中的例項物件呼叫一個方法稱作訊息傳遞，比如有如下程式碼:
NSMutableString *str = [[NSMutableString alloc] initWithString: @"Jiaming Chen"];
[str appendString:@" is a good guy." 上述程式碼中的第二句str稱為訊息的接受者，appendString:稱作選擇子也就是我們常用的selector，selector和引數共同構成了訊息，所以第二句話可以理解為將訊息:"增加一個字串: is a good guy"傳送給訊息的接受者str。
OC中裡的訊息傳遞採用動態繫結機制來決定具體呼叫哪個方法，OC的例項方法在轉寫為C語言後實際就是一個函式，但是OC並不是在編譯期決定呼叫哪個函式，而是在執行期決定，因為編譯期根本不能確定最終會呼叫哪個函式，這是由於執行期可以修改方法的實現，在後文會有講解。舉個栗子，有如下程式碼:
id num = @123;
//輸出123
NSLog 上述程式碼在編譯期沒有任何問題，因為id型別可以指向任何型別的例項物件，NSString有一個方法appendString:，在編譯期不確定這個num到底具體指代什麼型別的例項物件，並且在執行期還可以給NSNumber型別新增新的方法，因此編譯期發現有appendString:的函式宣告就不會報錯，但在執行時找不到在NSNumber類中找不到appendString:
講了這麼多OC究竟是怎麼將例項方法轉換為C語言的函式，又是如何呼叫這些函式的呢？這些都依靠強大的runtime。
在深入程式碼之前介紹一個clang編譯器的命令:
clang -rewrite-objc main.m
該命令可以將.m的OC檔案轉寫為.cpp檔案
有如下程式碼:
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString* name;
@property (nonatomic, assign) NSUInteger age;
- (void)showMyself;
@end
@implementation Person
@synthesize name = _name;
@synthesize age = _age;
- (void)showMyself {
NSLog(@"My name is %@ I am %ld years old.", self.name, self.age);
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//為了方便檢視轉寫後的C語言程式碼，將alloc和init分兩步完成
Person *p = [Person alloc];
p = [p init];
p.name = @"Jiaming Chen";
[p showMyself];
}
return 0;
}通過上述clang命令可以轉寫程式碼，然後找到如下定義:
static NSString * _I_Person_name(Person * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
static void _I_Person_setName_(Person * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Person, _name), (id)name, 0, 1); }
// @synthesize age = _age;
static NSUInteger _I_Person_age(Person * self, SEL _cmd) { return (*(NSUInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_age)); }
static void _I_Person_setAge_(Person * self, SEL _cmd, NSUInteger age) { (*(NSUInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_age)) = age; }
static void _I_Person_showMyself(Person * self, SEL _cmd) {
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1f_dz4kq57d4b19s4tfmds1mysh0000gn_T_main_f5b408_mi_0, ((NSString *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("name")), ((NSUInteger (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("age")));
}
// @end
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
Person *p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));
p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("init"));
((void (*)(id, SEL, NSString *))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("setName:"), (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1f_dz4kq57d4b19s4tfmds1mysh0000gn_T_main_f5b408_mi_1);
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("showMyself"));
}
return 0;
}關於屬性property生成的getter、setter和例項變數相關程式碼在另一篇部落格iOS @property探究(二): 深入理解中有詳細介紹，本文不再贅述，本文僅針對自定義的方法來講解。
可以發現轉寫後的C語言程式碼將例項方法轉寫為了一個靜態函式。接下來一行一行的分析上述程式碼，第一行程式碼可以簡要表示為如下程式碼:
Person *p = objc_msgSend(objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));這一行程式碼做了三件事情，第一獲取Person類，第二註冊alloc方法，第三傳送訊息，將訊息alloc傳送給類物件，可以簡單的將註冊方法理解為，通過方法名獲取到轉寫後C語言函式的函式指標。
第二行程式碼就可以簡寫為如下程式碼:
p = objc_msgSend(p, sel_registerName("init"));這一行程式碼與上一行類似，註冊了init方法，然後通過objc_msgSend函式將訊息init傳送給訊息的接受者p。
第三行是一個對setter的呼叫，同樣的也可以簡寫為如下程式碼:
//這一行是用來查詢引數的地址，取名為name
(NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1f_dz4kq57d4b19s4tfmds1mysh0000gn_T_main_f5b408_mi_1)
objc_msgSend(p, sel_registerName("setName:"), name);
這一行程式碼同樣是先註冊方法setName:然後通過objc_msgSend函式將訊息setName:傳送給訊息的接收者，只是多了一個引數的傳遞。
同理，最後一行程式碼也可以簡寫為如下:
objc_msgSend(p, sel_registerName("showMyself"));解釋與上述相同，不再贅述。
到這裡，我們應該就可以看出OC的runtime通過objc_msgSend函式將一個面向物件的訊息傳遞轉為了面向過程的函式呼叫。
objc_msgSend函式根據訊息的接受者和selector選擇適當的方法來呼叫，那它又是如何選擇的呢？這就涉及到前一篇部落格講解的內容iOS runtime探究(一): 從runtime開始: 理解面向物件的類到面向過程的結構體，這一篇部落格中詳細講解了OC的runtime是如何將面向物件的類對映為面向過程的結構體的，再來回顧一下幾個主要的結構體:
檔案objc/runtime.h中有如下定義:
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
Class super_class
const char *name
long version
long info
long instance_size
struct objc_ivar_list *ivars
struct objc_method_list **methodLists
struct objc_cache *cache
struct objc_protocol_list *protocols
}
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
檔案objc/objc.h檔案中有如下定義
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;注意結構體struct objc_class中包含一個成員變數struct objc_method_list **methodLists，通過名稱我們分析出這個成員變數儲存了例項方法列表，繼續查詢結構體struct objc_method_list的定義如下:
static struct /*_method_list_t*/ {
unsigned int entsize; // sizeof(struct _objc_method)
unsigned int method_count;
struct _objc_method method_list[5];
} _OBJC_$_INSTANCE_METHODS_Person __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_objc_method),
5,
{{(struct objc_selector *)"showMyself", "[email protected]:8", (void *)_I_Person_showMyself},
{(struct objc_selector *)"name", "@[email protected]:8", (void *)_I_Person_name},
{(struct objc_selector *)"setName:", "[email protected]:[email protected]", (void *)_I_Person_setName_},
{(struct objc_selector *)"age", "[email protected]:8", (void *)_I_Person_age},
{(struct objc_selector *)"setAge:", "[email protected]:8Q16", (void *)_I_Person_setAge_}}
};
struct _objc_method {
struct objc_selector * _cmd;
const char *method_type;
void *_imp;
};我們發現struct objc_method_list中還包含了一個未知的結構體struct _objc_method同時也找到它的定義，為了方便檢視將兩者寫在一起。
結構體struct objc_method_list裡面包含以下幾個成員變數：結構體struct _objc_method的大小、方法個數以及最重要的方法列表，方法列表儲存的是方法描述結構體struct _objc_method，該結構體裡儲存了選擇子、方法型別以及方法的具體實現。可以看出方法的具體實現就是一個函式指標，也就是我們自定義的例項方法，選擇子也就是selector可以理解為是一個字串型別的名稱，用於查詢對應的函式實現（由於蘋果沒有開源selector的相關程式碼，但是可以查到GNU OC中關於selector的定義，也是一個結構體但是結構體裡儲存的就是一個字串型別的名稱）。
這樣就能解釋objc_msgSend的工作原理的，為了匹配訊息的接收者和選擇子，需要在訊息的接收者所在的類中去搜索這個struct objc_method_list方法列表，如果能找到就可以直接跳轉到相關的具體實現中去呼叫，如果找不到，那就會通過super_class指標沿著繼承樹向上去搜索，如果找到就跳轉，如果到了繼承樹的根部（通常為NSObject）還沒有找到，那就會呼叫NSObjec的一個方法doesNotRecognizeSelector:，這個方法就會報unrecognized selector錯誤（其實在呼叫這個方法之前還會進行訊息轉發，還有三次機會來處理，訊息轉發在後文會有介紹）。
這樣一看，要傳送訊息真的好複雜，需要經過這麼多步驟，難道不會影響效能嗎？當然了，這樣一次次搜尋和靜態繫結那樣直接跳轉到函式指標指向的位置去執行來比肯定是耗時很多的，因此，類物件也就是結構體struct objc_class中有一個成員變數struct objc_cache，這個快取裡快取的正是搜尋方法的匹配結果，這樣在第二次及以後再訪問時就可以採用對映的方式找到相關實現的具體位置。
到這裡我們就已經弄清楚了整個傳送訊息的過程，但是當物件無法接收相關訊息時又會發生什麼？以及前文說的三次機會又是什麼？下文將會介紹訊息轉發。
訊息轉發: unrecognized selector的最後三次機會
還是那個栗子:
id num = @123;
//輸出123
NSLog(@"%@", num);
//程式崩潰,報錯[__NSCFNumber appendString:]: unrecognized selector sent to instance 0x7b27
[num appendString:@"Hello World"];前文介紹了進行一次傳送訊息會在相關的類物件中搜索方法列表，如果找不到則會沿著繼承樹向上一直搜尋知道繼承樹根部（通常為NSObject），如果還是找不到並且訊息轉發都失敗了就回執行doesNotRecognizeSelector:方法報unrecognized selector錯。那麼訊息轉發到底是什麼呢？接下來將會逐一介紹最後的三次機會。
第一次機會: 所屬類動態方法解析
首先，如果沿繼承樹沒有搜尋到相關方法則會向接收者所屬的類進行一次請求，看是否能夠動態的新增一個方法，注意這是一個類方法，因為是向接收者所屬的類進行請求。
+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)name舉個栗子吧:
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString* name;
@property (nonatomic, assign) NSUInteger age;
@end
@implementation Person
@synthesize name = _name;
@synthesize age = _age;
//如果需要傳參直接在引數列表後面新增就好了
void dynamicAdditionMethodIMP(id self, SEL _cmd) {
NSLog(@"dynamicAdditionMethodIMP");
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)name {
NSLog(@"resolveInstanceMethod: %@", NSStringFromSelector(name));
if (name == @selector(appendString:)) {
class_addMethod([self class], name, (IMP)dynamicAdditionMethodIMP, "[email protected]:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:name];
}
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)name {
NSLog(@"resolveClassMethod %@", NSStringFromSelector(name));
return [super resolveClassMethod:name];
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
id p = [[Person alloc] init];
[p appendString:@""];
}
return 0;
}先看一下最後的輸出結果吧:
2017-03-24 19:05:25.092404 OCTest[5142:1185077] resolveInstanceMethod: appendString:
2017-03-24 19:05:25.092810 OCTest[5142:1185077] dynamicAdditionMethodIMP先看一下main函式，首先建立了一個Person的例項物件，一定要用id型別來宣告，否則會在編譯期就報錯，因為找不到相關函式的宣告，id型別由於可以指向任何型別的物件，因此編譯時能夠找到NSString類的相關方法宣告就不會報錯。
由於Person類沒有宣告和定義appendString:方法，所以執行時應該會報unrecognized selector錯誤，但是並沒有，因為我們重寫了類方法+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)name，當找不到相關例項方法的時候就會呼叫該類方法去詢問是否可以動態新增，如果返回True就會再次執行相關方法，接下來看一下如何給一個類動態新增一個方法，那就是呼叫runtime庫中的class_addMethod方法，該方法的原型是
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types);通過引數名可以看出第一個引數是需要新增方法的類，第二個引數是一個selector，也就是例項方法的名字，第三個引數是一個IMP型別的變數也就是函式實現，需要傳入一個C函式，這個函式至少有兩個引數，一個是id self一個是SEL _cmd，第四個引數是函式型別。具體設定方法可以看註釋。
第二次機會: 備援接收者
當物件所屬類不能動態新增方法後，runtime就會詢問當前的接受者是否有其他物件可以處理這個未知的selector，相關方法宣告如下:
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;該方法的引數就是那個未知的selector，這是一個例項方法，因為是詢問該例項物件是否有其他例項物件可以接收這個未知的selector，如果沒有就返回nil，可以自行實驗。
第三次機會: 訊息重定向
當沒有備援接收者時，就只剩下最後一次機會，那就是訊息重定向。這個時候runtime會將未知訊息的所有細節都封裝為NSInvocation物件，然後呼叫下述方法:
- (void)forwardInvocation: (NSInvocation*)invocation;呼叫這個方法如果不能處理就會呼叫父類的相關方法，一直到NSObject的這個方法，如果NSObject都無法處理就會呼叫doesNotRecognizeSelector:方法丟擲異常。
整個訊息轉發流程如下圖所示:
總結
本文通過對runtime的分析，詳細解釋了整個傳送訊息和訊息轉發的流程，對OC的runtime能有一個更清晰的掌握。
下一步
這兩篇文章分別介紹了runtime如何將面向物件的類對映到面向過程的結構體以及runtime的訊息傳送和訊息轉發流程，下一篇文章將繼續介紹runtime對例項變數的處理。感興趣的讀者可以繼續學習下一篇文章從runtime開始: 理解OC的屬性property
備註
由於作者水平有限，難免出現紕漏，如有問題還請不吝賜教。