iOS Runtime 底層原理：動態方法解析、訊息轉發原始碼分析

ARM彙編 Objective-C 原始碼分析 · 發表 2019-04-15 10:36:39

摘要： Runtime底層原理瞭解了Runtime函式含義，我們就可以直接使用Runtime的API了，那接下來繼續探究Runtime的原始碼，經過原始碼分析來更加深刻的瞭解Runtime原理。開發應用都知道Runtime很重要，但是有很多...

Runtime底層原理

瞭解了Runtime函式含義，我們就可以直接使用Runtime的API了，那接下來繼續探究Runtime的原始碼，經過原始碼分析來更加深刻的瞭解Runtime原理。

開發應用

都知道Runtime很重要，但是有很多小夥伴根本不瞭解，或者只是知道可以替換方法啊、可以交換兩個方法的呼叫，專案中也用不到，

從進入iOS開始，寫了無數個 [[objc alloc] init] ，這個到底在幹嘛？初始化和init？alloc和init到底做了什麼？

通過彙編檢視方法呼叫

Person *person = [Person alloc];
Person *person1 = [person init];
Person *person2 = [person init];
NSLog(@"%p-----%p------%p", person, person1, person2);

這裡會輸出什麼呢？

0x10102e1a0-----0x10102e1a0------0x10102e1a0

來，讓我們斷點看下， alloc 和 init 是怎麼呼叫的

objc_msgSend

我們看到呼叫 alloc 和 init 都調起了 objc_msgSend ，接下來跟著符號斷點走

libobjc

callAlloc

進入 libobjc 庫的dylib之後走 +[NSObject alloc] 方法，指標調起 _objc_rootAlloc ，進入 _objc_rootAlloc 方法，繼續調起 callAlloc ，通過暫存器，可以看到alloc已經通過類建立例項物件

類物件

init 按照同樣方法依然可以通過彙編看出方法呼叫順序，可以用真機進行測試並列印

通過編譯C++

當新的物件被建立時，其記憶體同時被分配，例項變數也同時被初始化。物件的第一個例項變數是一個指向該物件的類結構的指標，叫做 isa。通過該指標，物件可以訪問它對應的類以及相應的父類。在 Objective-C 執行時系統中物件需要有 isa 指標，我們一般建立的從 NSObject 或者 NSProxy 繼承的物件都自動包括 isa 變數。接下來看下物件被建立的過程

首先，我們通過clang命令

$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o testMain.c++

也可以用 clang -rewrite-objc main.m -o test.c++ 命令，只不過會有很多警告、程式碼會更長（大概9萬多行）。

編譯main函式中的OC程式碼為C++程式碼

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {

Person *p = [[Person alloc] init];
[p run];

}
return 0;
}

編譯後多一個testMain.c++檔案，開啟後在程式碼最後面會發現我們的main函式

int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
Person *p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("run"));

}
return 0;
}

可以看出，我們的方法呼叫會編譯成objc_msgSend，

person物件

由此還會發現物件的本質其實就是一個結構體

下層通訊(通過原始碼檢視objc_msgSend內部實現)

首先我們到蘋果open source官網下載最新原始碼

原始碼

在方法呼叫的時候，會發送 objc_msgSend 訊息， objc_msgSend 會根據sel找到函式實現的指標imp ，進而執行函式，那sel是如何找到imp的呢？

objc_msgSend 在傳送訊息時候根據sel查詢imp有兩種方式

快速（通過彙編的快取快速查詢）
慢速（C配合C++、彙編一起查詢）
先看下objc_class

objc_class

bits中包含各種資料，cache（每個類都有一個）用來儲存方法select和imp，select和imp會以雜湊表形式存在

objc_msgSend 在快速查詢的時候，就是通過彙編查詢objc_class中的cache，如果找到則直接返回，否則通過C的lookup，找到後再存入cache

彙編部分快速查詢

首先呼叫 objc_msgSend 會走到ENTRY

ENTRY

先判斷p0檢查是否為空和tagged pointer（特殊型別）判斷，呼叫 LNilOrTagged 進行isa處理，通過isa找到相應類class，最後呼叫 LGetIsaDone 來執行 CacheLookup 在快取中查詢imp，如果查詢到直接調起imp否則調起objc_msgSend_uncached，objc_msgSend_uncached有兩種情況

CacheLookup

首先，第一個是CacheHit，直接調起imp，第二個是CheckMiss，之後呼叫objc_msgSend_uncached，第三個就是add，下面是CacheHit和CheckMiss的巨集

CacheLookup macro

那如果在快取中沒有查詢到imp，調起 objc_msgSend_uncached ，在方法列表中找到imp之後再 TailCallFunctionPointer 調起imp

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// 方法列表中找到imp
TailCallFunctionPointer x17

重點:MethodTableLookup是怎麼操作的

小知識點：通過method list查詢method，下面是method_t的結構，method其實是一個雜湊表，sel和imp是鍵值對

struct method_t {
SEL name;
const char *types;// 引數型別
MethodListIMP imp;
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; }
};
};

進入 MethodTableLookup 之後，調起了 __class_lookupMethodAndLoadCache3 ，如下圖

MethodTableLookup

__class_lookupMethodAndLoadCache3 是C方法，再次進入 _class_lookupMethodAndLoadCache3 方法，注意，因為這裡由彙編跳轉到C，所以要全域性搜尋 _class_lookupMethodAndLoadCache3 ，要刪去一個 "_" ,下面是 _class_lookupMethodAndLoadCache3 函式

/***********************************************************************
* _class_lookupMethodAndLoadCache.
* Method lookup for dispatchers ONLY. OTHER CODE SHOULD USE lookUpImp().
* This lookup avoids optimistic cache scan because the dispatcher 
* already tried that.
**********************************************************************/
IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{
return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, 
YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/);
}

C/C++部分查詢

調起 lookUpImpOrForward ，因為當前cls物件已經經過彙編編譯到結構，有了isa，並且在cache中沒有找到，所以這裡的initialize為YES，cache為NO，resolver為YES

image.png

進入 lookUpImpOrForward ，這裡再次判斷是否存在cache，如果有則直接快速查詢，但是這裡是NO，所以不會走。接下來走 checkIsKnownClass 判斷是否是已經宣告的類，如果沒有則報錯"Attempt to use unknown class %p."，之後走 realizeClass 判斷是否已經實現，如果就相應賦值data。

realizeClass

data賦值後走 _class_initialize 初始化cls，接下來開始 retry 操作。

前方高能

再次進行cache_getImp，why？併發啊，還有重對映（在初始化init的時候有個remap（class）第一次通過彙編找不到，但是在載入類的時候對當前類進行重對映）

cache_getImp

接下來開始先在自己的class_rw_t的methods中根據sel查詢方法返回method_t

method_t

如果拿到Method後儲存到快取中，保證以後呼叫可以直接走彙編的CacheHit快速查詢，如果拿不到則繼續從父類開始查詢，直到找到NSObject(因為NSObject的父類為nil)，如果找到imp則一樣儲存在快取中，如果到最後還是沒有查詢到，則進入動態方法解析。

父類查詢方法

動態方法解析

如果前面一系列操作還是沒有找到方法，那麼就會進行動態方法解析，動態方法解析只執行一次

動態方法解析

首先執行 _class_resolveMethod ，這裡會執行 +resolveClassMethod 或者 +resolveInstanceMethod 。

class resolveMethod

先判斷當前cls是否為元類，如果是元類則執行 _class_resolveClassMethod ，再執行 _class_resolveInstanceMethod ，如果不是元類則直接執行 _class_resolveInstanceMethod ， _class_resolveInstanceMethod 內部呼叫objc_msgSend實現訊息傳送，對cls傳送了 SEL_resolveInstanceMethod 型別的訊息，所以在方法中會走到 resolveInstanceMethod 方法。

class resolveInstanceMethod

為什麼元類最後也執行了 _class_resolveInstanceMethod 方法呢？因為類方法以例項物件的形態存在元類裡面，比如類方法中沒有找到方法，會去元類中查詢，元類中沒有再繼續去根元類中查詢，最後會查到NSObject。

程式碼示例：

.h實現

- (void)run;
+ (void)eat;

.m實現(沒有實現-run方法和+eat方法)

- (void)walk {
NSLog(@"%s",__func__);
}
+ (void)drink {
NSLog(@"%s",__func__);
}

// .m沒有實現,並且父類也沒有,那麼我們就開啟動態方法解析
//- (void)walk{
//NSLog(@"%s",__func__);
//}
//+ (void)drink{
//NSLog(@"%s",__func__);
//}


#pragma mark - 動態方法解析

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
if (sel == @selector(run)) {
// 我們動態解析我們的 物件方法
NSLog(@"物件方法解析走這裡");
SEL walkSEL = @selector(walk);
Method readM= class_getInstanceMethod(self, walkSEL);
IMP readImp = method_getImplementation(readM);
const char *type = method_getTypeEncoding(readM);
return class_addMethod(self, sel, readImp, type);
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}


+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel{
if (sel == @selector(eat)) {
// 我們動態解析我們的 物件方法
NSLog(@"類方法解析走這裡");
SEL drinkSEL = @selector(drink);
// 類方法就存在我們的元類的方法列表
// 類 類犯法
// 元類 物件例項方法
//Method hellowordM1= class_getClassMethod(self, hellowordSEL);
Method drinkM= class_getInstanceMethod(object_getClass(self), drinkSEL);
IMP drinkImp = method_getImplementation(drinkM);
const char *type = method_getTypeEncoding(drinkM);
NSLog(@"%s",type);
return class_addMethod(object_getClass(self), sel, drinkImp, type);
}
return [super resolveClassMethod:sel];
}

訊息轉發

經歷了動態方法決議還沒有找到，會進入蘋果尚未開源的訊息轉發，繼續查詢方法， _objc_msgForward_impcache 再次跨域到彙編。

訊息轉發

走到 __objc_msgForward_impcache 後執行 __objc_msgForward

__objc_msgForward_impcache

沒有了原始碼實現，但是我們可以通過 instrumentObjcMessageSends 函式來列印呼叫堆疊資訊。可以進入 instrumentObjcMessageSends 內部看下具體實現。

instrumentObjcMessageSends

先判斷了是否可以寫入日誌資訊等，接下來同步日誌檔案

logMessageSend

所以我們每次執行會在 /private/tmp 檔案下多一個 msgSends-xxx 檔案，裡面是所有呼叫過程

堆疊呼叫資訊

如果還沒有找到的話最後會報錯呼叫 __objc_forward_handler

__objc_forward_handler

這也是我們在方法報錯的時候會報 unrecognized selector sent to instance %p " "(no message forward handler is installed)" 錯誤的原因，會提示出元類資訊， + 或者 - 方法，方法的名字還有SEL方法編號

程式碼示例：

#pragma mark - 例項物件訊息轉發

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"%s",__func__);
//if (aSelector == @selector(run)) {
//// 轉發給Student物件
//return [Student new];
//}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"%s",__func__);
if (aSelector == @selector(run)) {
// forwardingTargetForSelector 沒有實現，就只能方法簽名了
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
NSLog(@"%s",__func__);
NSLog(@"------%@-----",anInvocation);
anInvocation.selector = @selector(walk);
[anInvocation invoke];
}

#pragma mark - 類訊息轉發

+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"%s",__func__);
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
//

+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"%s",__func__);
if (aSelector == @selector(walk)) {
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
NSLog(@"%s",__func__);

NSString *sto = @"奔跑吧";
anInvocation.target = [Student class];
[anInvocation setArgument:&sto atIndex:2];
NSLog(@"%@",anInvocation.methodSignature);
anInvocation.selector = @selector(run:);
[anInvocation invoke];
}

現在我們應該也知道了為什麼 objc_msgSend 的原始碼用的彙編，因為彙編可以通過暫存器x0-x31來保留未知引數來跳轉到任意的指標，還有彙編更高效一點，而C滿足不了。

言而總之，總而言之

Runtime就是C、C++、彙編實現的一套API，給OC增加的一個執行時功能，也就是我們平時所說的執行時。

在執行工程時工程會被裝載到記憶體，來提供執行時功能。

iOS Runtime 底層原理：動態方法解析、訊息轉發原始碼分析

開發應用

通過彙編檢視方法呼叫

通過編譯C++

下層通訊(通過原始碼檢視objc_msgSend內部實現)

彙編部分快速查詢

重點:MethodTableLookup是怎麼操作的

C/C++部分查詢

動態方法解析

程式碼示例：

訊息轉發

程式碼示例：

言而總之，總而言之

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