通過Runtime原始碼瞭解Objective-C中的方法儲存
有經驗的iOS開發者應該都知道，Objective-C是動態語言，Objective-C中的方法呼叫嚴格來說其實是訊息傳遞。舉例來說，呼叫物件A的hello方法
[A hello]; 複製程式碼
其實是向A物件傳送了@selector(hello)訊息。
在上一篇文章 Runtime中的isa結構體 中提到過，物件的方法是儲存在類結構中的，之所以這樣設計是出於記憶體方面的考慮。那麼，方法是如何在類結構中儲存的？以及方法是在編譯期間新增到類結構中，還是在執行期間新增到了類結構中？下面分析一下這幾個問題。
objc_class
首先看一下Objective-C中的類在Runtime原始碼中是如何表示的：
// objc_class繼承於objc_object,因此
// objc_class中也有isa結構體
struct objc_class : objc_object {
isa_t isa;
Class superclass;
// 快取的是指標和vtable,目的是加速方法的呼叫
cache_t cache;
// class_data_bits_t 相當於是class_rw_t 指標加上rr/alloc標誌
class_data_bits_t bits;
// 其他函式
}
複製程式碼
isa
isa是isa_t型別的結構體，裡面儲存了類的指標以及一些其他的資訊。物件的方法是儲存在類中的，當呼叫物件方法時，物件就是通過isa結構體找到自己所屬的類，然後在類結構中找到方法。
superclass
父類指標。指向該類的父類。
cache
根據Runtime原始碼提供的註釋，cache中快取了指標和vtable，目的是加速方法的呼叫（關於cache的內部結構，在之後的文章中會介紹）。
bits
bits是class_data_bits_t型別的結構體，看一下class_data_bits_t的定義。
class_data_bits_t
struct class_data_bits_t { // 相當於 unsigned long bits; 佔64位 // bits實際上是一個地址（是一個物件的指標，可以指向class_ro_t，也可以指向class_rw_t） uintptr_t bits; } 單看class_data_bits_t的定義，也看不出來什麼有用的資訊，裡面儲存了一個64位的整數（地址）。
再回到類的結構，isa、superclass、cache的作用都很明確，唯獨bits現在不知道作什麼用。而且isa、superclass、cache中也沒有儲存類的方法，因此我們有理由相信類的方法儲存和bits有關係（因為僅剩這一個了啊）。
看一下蘋果官方對bits的註釋：
class_data_bits_t bits;// class_rw_t * plus custom rr/alloc flags 複製程式碼
以及在objc-runtime-new.h中的註釋：
// class_data_bits_t is the class_t->data field (class_rw_t pointer plus flags) 複製程式碼
註釋提到，bits相當於是class_rw_t指標加上rr/alloc flags。rr/alloc flags先不管，看一下class_rw_t結構體到底是什麼。
class_rw_t
Runtime中class_rw_t的定義如下：
// 類的方法、屬性、協議等資訊都儲存在class_rw_t結構體中
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
// 方法資訊
method_array_t methods;
// 屬性資訊
property_array_t properties;
// 協議資訊
protocol_array_t protocols;
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
}
複製程式碼
在class_rw_t結構體中看到了方法列表、屬性列表、協議列表，這正是我們一直在找的。
需要注意的是，在objc_class結構體中提供了獲取class_rw_t 的函式：
class_rw_t *data() {
// 這裡的bits就是class_data_bits_t bits;
return bits.data();
}
複製程式碼
呼叫了class_data_bits_t的data()函式，看一下class_data_bits_t裡面的data()函式：
class_rw_t* data() {
// FAST_DATA_MASK的值是0x00007ffffffffff8UL
// bits和FAST_DATA_MASK按位與，實際上就是取了bits中的[3,46]位
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
複製程式碼
上文提到過，class_data_bits_t中只有一個64位的變數bits。而class_data_bits_t的data函式，就是將bits和FAST_DATA_MASK進行按位與操作。FAST_DATA_MASK轉換成二進位制後的值是：
0000 0000 0000 0000 0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 複製程式碼
FAST_DATA_MASK的[3,46]位都為1，其他為是0，因此可以理解成class_rw_t佔了class_data_bits_t 中的[3,46]位，其他位置儲存了額外的資訊。
class_rw_t結構中有一個class_ro_t型別的指標ro,看一下class_ro_t結構體。
class_ro_t
class_ro_t的定義如下：
// class_ro_t結構體儲存了類在編譯期就已經確定的屬性、方法以及遵循的協議
// 因為在編譯期就已經確定了，所以是ro(readonly)的，不可修改
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name;
// 方法列表
method_list_t * baseMethodList;
// 協議列表
protocol_list_t * baseProtocols;
// 變數列表
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
// 屬性列表
property_list_t *baseProperties;
};
複製程式碼
在class_ro_t結構體中，也定義了方法列表、協議列表、屬性列表、變數列表。class_ro_t中的方法列表和class_rw_t中的方法列表有什麼區別呢？
實際上， class_ro_t結構體儲存了類在編譯期間確定的屬性、方法、協議以及變數 。解釋一下，Objective-C是動態語言，因此Objective-C的執行需要編譯期和執行時系統共同合作，這一點在類的方法的體現的非常明顯。
Objective-C程式碼經過編譯之後，會生成類結構，以及根據程式碼生成類的屬性、方法、協議、變數，這些資訊在編譯期間就能夠完全確定，編譯期間確定的資訊儲存在class_ro_t結構體中。因為是在編譯期間確定的，所以是隻讀的， 不可修改，ro,代表readonly 。在執行時，可以往類結構中增加一些額外的方法、協議，比如在Category中寫的方法，Category中的方法就是在執行時加入到類結構中的。執行時生成的類的方法、屬性、協議儲存在class_rw_t結構體中， rw,代表readwrite,可以修改 。
也就是說，編譯之後，執行時未初始化之前，類結構中的class_data_bits_t bits，指向的是class_ro_t結構體，示意圖如下：
經過執行時初始化之後，class_data_bits_t bits指向正確的class_rw_t結構體，而class_rw_t結構體中的ro指標，指向上面提到的class_ro_t結構體。示意圖如下：
下面看一下Runtime中是如何實現上述操作的。
realizeClass
Runtime中class_data_bits_t指向class_rw_t結構體是通過realizeClass函式實現的。Runtime是按照如下順序執行到realizeClass函式的：
_objc_init->map_images->map_images_nolock->_read_images->realizeClass 複製程式碼
realizeClass的核心程式碼如下：
// 該方法包括初始化類的read-write資料，並返回真正的類結構
static Class realizeClass(Class cls)
{
const class_ro_t *ro;
class_rw_t *rw;
Class supercls;
Class metacls;
bool isMeta;
if (!cls) return nil;
// 如果類已經實現了，直接返回
if (cls->isRealized()) return cls;
// 編譯期間，cls->data指向的是class_ro_t結構體
// 因此這裡強制轉成class_ro_t沒有問題
ro = (const class_ro_t *)cls->data();
if (ro->flags & RO_FUTURE) {
// rw結構體已經被初始化（正常不會執行到這裡）
// This was a future class. rw data is already allocated.
rw = cls->data();
ro = cls->data()->ro;
cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
} else {
// 正常的類都是執行到這裡
// Normal class. Allocate writeable class data.
// 初始化class_rw_t結構體
rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
// 賦值class_rw_t的class_ro_t，也就是ro
rw->ro = ro;
rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
// cls->data 指向class_rw_t結構體
cls->setData(rw);
}
// 將類實現的方法（包括分類）、屬性和遵循的協議新增到class_rw_t結構體中的methods、properties、protocols列表中
methodizeClass(cls);
return cls;
}
複製程式碼
正常的類會執行到else邏輯裡面，整個realizeClass函式做的操作如下：
- 將class->data指向的資料強制轉化為class_ro_t結構體，因為編譯期間class->data指向的就是class_ro_t結構體，所以這一步的轉化是沒有問題的
- 生成一個class_rw_t結構體
- 將class_rw_t的ro指標指向上一步轉化出的class_ro_t結構體
- 設定class_rw_t的flags值
- 設定class->data指向class_rw_t結構體
- 呼叫methodizeClass函式
realizeClass的邏輯相對來說是比較簡單的，這裡不做太多的介紹。看一下methodizeClass函式做了哪些操作。
methodizeClass
methodizeClass函式的主要作用是賦值類結構class_rw_t結構體裡面的方法列表、屬性列表、協議列表,包括category中的方法。
methodizeClass函式的主要程式碼如下：
// 設定類的方法列表、協議列表、屬性列表，包括category的方法
static void methodizeClass(Class cls)
{
bool isMeta = cls->isMetaClass();
auto rw = cls->data();
auto ro = rw->ro;
// 將class_ro_t中的methodList新增到class_rw_t結構體中的methodList
method_list_t *list = ro->baseMethods();
if (list) {
prepareMethodLists(cls, &list, 1, YES, isBundleClass(cls));
rw->methods.attachLists(&list, 1);
}
// 將class_ro_t中的propertyList新增到class_rw_t結構體中的propertyList
property_list_t *proplist = ro->baseProperties;
if (proplist) {
rw->properties.attachLists(&proplist, 1);
}
// 將class_ro_t中的protocolList新增到class_rw_t結構體中的protocolList
protocol_list_t *protolist = ro->baseProtocols;
if (protolist) {
rw->protocols.attachLists(&protolist, 1);
}
// 新增category方法
category_list *cats = unattachedCategoriesForClass(cls, true /*realizing*/);
attachCategories(cls, cats, false /*don't flush caches*/);
if (cats) free(cats);
}
複製程式碼
至此，類的class_rw_t結構體設定完畢。
在看這一部分程式碼的時候，我有個問題一直沒想明白。我們知道，類的Category可以新增方法，但是是不能新增變數的。通過看Runtime的原始碼也證明了這一點，因為類的變數是在class_ro_t結構體中儲存，class_ro_t結構體在編譯期間就已經確定了，是不可修改的，所以執行時不允許新增變數，這沒問題。問題是執行時可以新增屬性，在methodizeClass函式中有將屬性賦值到class_rw_t結構體的操作，而且在處理Category的函式attachCategories中，也有將Category中的屬性新增到類屬性中的程式碼：
property_list_t **proplists = (property_list_t **) malloc(cats->count * sizeof(*proplists)); rw->properties.attachLists(proplists, propcount); 複製程式碼
在Objective-C中，屬性 = get方法 + set方法 + 例項變數。既然不能新增例項變數，那Category支援新增屬性的意義又在哪裡？如果有了解這一點的，還希望不吝賜教。
到這裡，關於方法在類結構體中的儲存位置，以及方法是什麼時候新增到類結構體中的已經清楚了。然而，上面的結論基本上是通過看Runtime原始碼以及一些猜測組成的，下面寫程式碼驗證一下。
程式碼驗證
準備程式碼
首先定義一個Person類，Person類中只有一個方法say，程式碼如下：
// Person.h
@interface Person : NSObject
- (void)say;
@end
// Person.m
- (void)say
{
NSLog(@"hello,world!");
}
複製程式碼
在main.m中獲取Person類的地址，程式碼如下：
Class pcls = [Person class]; NSLog(@"p address = %p",pcls); 複製程式碼
相對地址
在繼續下一步之前，先了解一下相對地址的概念。正如上面程式碼，我們能夠打印出Person類的地址。需要注意的是， 這裡的地址是相對地址 。所謂相對地址，是指這裡的地址不是計算機裡面的絕對地址，而是相對程式入口的偏移量。
程式碼經過編譯之後，會為類分配一個地址，這個地址就是相對程式入口的偏移量。程式入口地址+該偏移量，就能夠訪問到類。 編譯執行成功之後，停止執行，不修改任何程式碼，再次編譯，類的地址是不會變的 。用上面的程式碼來說就是，不修改程式碼，多次編譯，Person類的地址是不會改變的。原因也很容易想到，Person類的地址是相對地址，程式碼沒有改變的情況下，相對地址肯定也是不會變的。
objc_class中各變數佔用的位數
objc_class結構體如下：
struct objc_class : objc_object {
isa_t isa;
Class superclass;
// 快取的是指標和vtable,目的是加速方法的呼叫
cache_t cache;
// class_data_bits_t 相當於是class_rw_t 指標加上rr/alloc標誌
class_data_bits_t bits;
// 其他函式
}
複製程式碼
在realizeClass中，我們可以打印出objc_class中isa、superclass、cache所佔的位數，程式碼如下：
printf("cache bits = %d\n",sizeof(cls->cache));
printf("super bits = %d\n",sizeof(cls->superclass));
printf("isa bits = %d\n",sizeof(cls->ISA()));
複製程式碼
不論呼叫多少次，輸出的結果是一致的：
cache bits = 16 super bits = 8 isa bits = 8 複製程式碼
說明isa佔8位，superclass佔8位，cache佔16位。也就是說， objc_class的地址偏移32位，即可得到bits的地址 。
編譯後類的結構
首先執行程式碼，打印出Person類的地址是：
0x1000011e8 複製程式碼
然後在_objc_init函式裡面打斷點，如下圖：
_objc_init是Runtime初始化的入口函式，斷點打在這裡，能夠確保此時Runtime還未初始化。接下來我們藉助lldb來檢視編譯後類的結構。
p (objc_class *)0x1000011e8 // 列印類指標
(objc_class *) $0 = 0x00000001000011e8
p (class_data_bits_t *)0x100001208// 偏移32位，列印class_data_bits_t指標
(class_data_bits_t *) $1 = 0x0000000100001208
p $1->data()// 通過data函式獲取到class_rw_t結構體，此時的class_rw_t實際上是class_ro_t結構體
(class_rw_t *) $2 = 0x0000000100001150
p (class_ro_t *)$2// 將class_rw_t強制轉換為class_ro_t
(class_ro_t *) $3 = 0x0000000100001150
p *$3// 列印class_ro_t結構體
(class_ro_t) $5 = {
flags = 128
instanceStart = 8
instanceSize = 8
reserved = 0
ivarLayout = 0x0000000000000000 <no value available>
name = 0x0000000100000f65 "Person"
baseMethodList = 0x0000000100001130
baseProtocols = 0x0000000000000000
ivars = 0x0000000000000000
weakIvarLayout = 0x0000000000000000 <no value available>
baseProperties = 0x0000000000000000
}
// 打印出的結構體，變數列表為空，屬性列表為空，方法列表不為空，這是符合我們預期的。因為Person類沒有屬性，沒有變數，只有一個方法。
p $5.baseMethodList // 列印class_ro_t的方法列表
(method_list_t *) $6 = 0x0000000100001130
p $6->get(0)// 列印方法列表中的第一個方法。因為 method_list_t中提供了get(index)函式
(method_t) $7 = {
name = "say"
types = 0x0000000100000fa1 "v16@0:8"
imp = 0x0000000100000d50 (runtimeTest`-[Person say] at Person.m:12)
}
// 如果再嘗試獲取下一個方法，會提示錯誤
p $6->get(1)
Assertion failed: (i < count), function get,
複製程式碼
執行時初始化後類的結構
再來看一下執行時初始化之後類的結構。
在realizeClass中新增如下程式碼，確保當前初始化的的確是Person類
// 這裡通過類名來判斷
int flag = strcmp("Person",ro->name);
if(flag == 0){
printf("nname = %s\n",ro->name);
}
複製程式碼
在else語句之後打斷點，此時用lldb除錯：
// 注意這裡不能用編譯期間的地址，因為編譯和執行屬於兩個不同的程序
(lldb) p (objc_class *)cls
(objc_class *) $0 = 0x00000001000011e8
(lldb) p (class_data_bits_t *)0x0000000100001208
(class_data_bits_t *) $1 = 0x0000000100001208
(lldb) p $1->data()
(class_rw_t *) $2 = 0x0000000100f5cf00
(lldb) p *$2
(class_rw_t) $3 = {
flags = 2148007936
version = 0
ro = 0x0000000100001150
methods = {
list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
properties = {
list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
protocols = {
list_array_tt<unsigned long, protocol_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
firstSubclass = nil
nextSiblingClass = nil
demangledName = 0x0000000000000000 <no value available>
}
複製程式碼
此時class_rw_t結構體的ro指標已經設定好了，但是其方法列表現在還是空。
在return 語句上打斷點，也就是執行完 methodizeClass(cls)函式之後：
(lldb) p *$2
(class_rw_t) $3 = {
flags = 2148007936
version = 0
ro = 0x0000000100001150
methods = {
list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
= {
list = 0x0000000100001130
arrayAndFlag = 4294971696
}
}
}
properties = {
list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
protocols = {
list_array_tt<unsigned long, protocol_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
firstSubclass = nil
nextSiblingClass = NSDate
demangledName = 0x0000000000000000 <no value available>
}
複製程式碼
注意看class_rw_t中的methods已經有內容了。
列印一下class_rw_t結構體中methods的內容：
(lldb) p $3.methods.beginCategoryMethodLists()[0][0]
(method_list_t) $7 = {
entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
entsizeAndFlags = 26
count = 1
first = {
name = "say"
types = 0x0000000100000fa1 "v16@0:8"
imp = 0x0000000100000d50 (runtimeTest`-[Person say] at Person.m:12)
}
}
}
複製程式碼
確實是Person的say方法。當嘗試列印下一個方法時：
(lldb) p $3.methods.beginCategoryMethodLists()[0][1]
(method_list_t) $6 = {
entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
entsizeAndFlags = 128
count = 8
first = {
name = <no value available>
types = 0x0000000000000000 <no value available>
imp = 0x0000000100000f65 ("Person")
}
}
}
複製程式碼
結果為空。
符合我們的預期。
新增Category後類的結構
現在給Person類新增一個Category,並且在Category中新增一個方法，再來驗證一下。
為Person類新增一個Fly分類,Category程式碼：
@interface Person (Fly)
- (void)fly;
@end
@implementation Person (Fly)
- (void)fly
{
NSLog(@"I can fly");
}
@end
複製程式碼
和上面的驗證邏輯一樣，在realizeClass函式的else分之後和return語句前加斷點，當然前提還是當前確實是在初始化Person類。
在else分之之後的列印和之前一致：
(lldb) p (objc_class *)cls
(objc_class *) $0 = 0x0000000100001220
(lldb) p (class_data_bits_t *)0x0000000100001240
(class_data_bits_t *) $1 = 0x0000000100001240
(lldb) p (class_rw_t *)$1->data()
(class_rw_t *) $2 = 0x0000000100e58a30
(lldb) p *$2
(class_rw_t) $3 = {
flags = 2148007936
version = 0
ro = 0x0000000100001188
methods = {
list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
properties = {
list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
protocols = {
list_array_tt<unsigned long, protocol_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
firstSubclass = nil
nextSiblingClass = nil
demangledName = 0x0000000000000000 <no value available>
}
複製程式碼
重點看一下執行完methodizeClass函式之後：
(lldb) p *$2
(class_rw_t) $4 = {
flags = 2148007936
version = 0
ro = 0x0000000100001188
methods = {
list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
= {
list = 0x0000000100001108
arrayAndFlag = 4294971656
}
}
}
properties = {
list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
protocols = {
list_array_tt<unsigned long, protocol_list_t> = {
= {
list = 0x0000000000000000
arrayAndFlag = 0
}
}
}
firstSubclass = nil
nextSiblingClass = NSDate
demangledName = 0x0000000000000000 <no value available>
}
複製程式碼
class_rw_t結構體的methods有內容，列印一下methods中的內容：
(lldb) p $3.methods
(method_array_t) $5 = {
list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
= {
list = 0x0000000100001108
arrayAndFlag = 4294971656
}
}
}
(lldb) p $5.list
(method_list_t *) $6 = 0x0000000100001108
// 列印第一個方法
(lldb) p $6->get(0)
(method_t) $8 = {
name = "say"
types = 0x0000000100000fa2 "v16@0:8"
imp = 0x0000000100000cb0 (runtimeTest`-[Person say] at Person.m:12)
}
// 列印第二個方法
(lldb) p $6->get(1)
(method_t) $9 = {
name = "fly"
types = 0x0000000100000fa2 "v16@0:8"
imp = 0x0000000100000e90 (runtimeTest`-[Person(Fly) fly] at Person+Fly.m:12)
}
複製程式碼
Category中的方法已經成功新增，符合預期。
總結
本篇文章主要是分析了物件的方法在類結構中儲存的位置，以及方法是在什麼時期新增到類結構中的。通過Runtime原始碼以及程式碼驗證，證實了我們的結論。
在最後，有一些不常用到的知識點再次提一下：
- 我們在程式碼中列印的地址是相對地址，不是絕對地址，是相對程式入口的偏移量
- 在不修改程式碼的前提下，類的記憶體地址是不變的
- 編譯和執行屬於兩個不同的程序