objc_msgSend彙編原始碼分析
引言
Objective-C是通過訊息機制呼叫方法的，編譯器會把所有訊息傳送轉為objc_msgSend方法呼叫。說到objc_msgSend的彙編實現，大多數人會覺的是因為 效能高才用匯編實現 ，幾乎沒有文章說其它原因。 Objective-C所有方法都會轉為objc_msgSend方法呼叫，然而每個方法引數和返回值都可能不一樣，引數和返回值要怎麼處理？
- 本文首先會結合Objective-C Runtime機制深入分析objc_msgSend彙編實現。
- 本文最後會從Calling Conventions角度分析objc_msgSend實現，利用Calling Conventions和彙編還可以實現很多黑科技。
Objective-C物件結構
Objective-C中訊息傳送核心資料結構如下：
//以下程式碼均為arm64平臺
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
isa_t isa;
}
struct objc_class : objc_object {
Class superclass;
cache_t cache;// formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits;//class_rw_t*
}
@interface NSObject <NSObject> {
Class isaOBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
union isa_t
{
Class cls;
uintptr_t bits;
#define ISA_MASK0x0000000ffffffff8ULL
#define ISA_MAGIC_MASK0x000003f000000001ULL
#define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
struct {
uintptr_t nonpointer: 1;
uintptr_t has_assoc: 1;
uintptr_t has_cxx_dtor: 1;
uintptr_t shiftcls: 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
uintptr_t magic: 6;
uintptr_t weakly_referenced : 1;
uintptr_t deallocating: 1;
uintptr_t has_sidetable_rc: 1;
uintptr_t extra_rc: 19;
};
}
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
}
struct bucket_t {
cache_key_t _key;//實際上是selector
IMP _imp; //實際上是函式指標
}
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
uint32_t index;
#endif
}
NSObject子類的例項都有個isa指標，isa指向Class，Class有superclass、cache、例項方法、屬性、protocol等Runtime資訊，呼叫例項方法的時候就是通過isa指標找到Class，然後找到IMP呼叫實際的方法。
Class本身也是一個物件，也有isa指標，指向meta-class，meta-class也是一個物件，有類方法等屬性，呼叫類方法的時候，就是通過Class物件的isa指標找到meta-class，然後找到IMP呼叫實際的方法。
例項、Class、meta-class關係如下圖， ofollow,noindex">圖片來源 ：
物件關係圖
訊息機制
當編譯器遇到一個方法呼叫時，它會將方法的呼叫翻譯成以下函式中的一個，
objc_msgSend、 objc_msgSend_stret、 objc_msgSendSuper 和 objc_msgSendSuper_stret。
- 傳送給物件的父類的訊息會使用 objc_msgSendSuper ;
- 有資料結構作為返回值的方法會使用 objc_msgSendSuper_stret 或 objc_msgSend_stret ;
- 其它的訊息都是使用 objc_msgSend 傳送的。
objc_msgSend查詢selector的IMP，然後呼叫實際的方法，主要包括以下流程：
- 檢視cache是否有selector的IMP，如果有的話直接呼叫
- 如果沒cache，最終會呼叫lookUpImpOrForward，從類方法列表查詢IMP並快取到cache
- 如果方法列表沒有則會查詢基類的方法，直到最上層基類(查詢基類的時候也是先查詢快取，再查詢方法列表)
- 如果基類也沒查詢到，則返回_objc_msgForward的IMP，走訊息轉發流程。
我們也可以自己通過class_getMethodImplementation拿到方法IMP(IMP是實際方法的函式指標)，然後呼叫：
//[view addSubview:view2] void (*funtion_pointer)(id, SEL, UIView*) = (void(*)(id, SEL, UIView*)) class_getMethodImplementation((id)view, @selector(addSubview:)); funtion_pointer(view, @selector(addSubview:), view2)
彙編原始碼
objc_msgSend彙編原始碼在 Messengers.subproj 目錄，具體彙編如下：
objc_msgSend彙編原始碼
_objc_msgSend_uncached彙編原始碼
objc_msgSend彙編程式碼不長，結合objc原始碼比較容易看懂。需要注意的是isa和TaggedPointer格式，isa指標不是純粹的指標，還儲存很多其它資訊，具體可以參考isa_t union定義，其中只有3到35位才是class指標，所以查詢之前會通過mask轉換成class指標。
isa格式
iOS系統為了提高效能和減小記憶體，使用了TaggedPointer來表示NSNumber、NSIndexPath等物件，物件並沒有分配記憶體空間，而是把物件值儲存在指標裡面，只有指標無法容納物件才會分配實際記憶體。TaggedPointer具體格式如下圖，tag index表示具體Class，系統有維護一個全域性對映表來儲存tag index和Class的關係，具體可以檢視 objc_tag_index_t 定義，查詢到具體Class之後就跟正常oc物件一樣查詢IMP了。
TaggedPointer指標格式
Calling Conventions
arm64架構是通過q0-q7和x0-x7來傳函式引數，可以看到objc_msgSend沒對這幾個暫存器做任何操作，找到IMP後直接通過br x17呼叫IMP，br告訴cpu不是子程式呼叫。
Objective-C所以方法傳送都是通過objc_msgSend，每個方法返回值和引數都不一樣，如果objc_msgSend像普通函式一樣處理引數，為了處理不同引數型別和引數個數，可以使用varargs ，Objective-C呼叫的地方必須包裹成varargs，這樣處理非常不靈活，objc_msgSend用了個很巧妙的技巧，就是對引數不做任何處理，查詢到IMP後直接呼叫，因為在 objc_msgSend開始執行時，棧幀（stack frame）的狀態、資料，和各個暫存器的組合形式、資料，跟呼叫具體的函式指標（IMP）時所需的狀態、資料，是完全一致的 ，所以我們用xcode除錯的時候函式棧是看不到objc_msgSend，看上去就是訊息傳送過程完全沒發生過，跟呼叫普通的c方法一摸一樣。
黑科技
objc_msgSend用很巧妙的技巧處理引數問題，利用這種技巧可以做很多方法，比如可以實現Aspects的效果，在呼叫實際方法前做些hook操作，hook完後再調實際方法。也可以使用libffi處理引數問題，可以搞很多事情。