iOS - 探索objc_msgSend慢速查找流程
2020-09-24 本文已影响0人
Sheisone
上一篇我们分析了objc_msgSend的快速查找方法的流程，我们调用方法实际上就是发送消息，然后首先会到cache中进行查找，也即是快速查找。objc_msgSend 通过汇编快速查找方法缓存 ，如果能找到则调用 TailCallCachedImp 直接将方法缓存起来然后进行调用，如果查找不到就跳到 CheckMiss，然后走慢速查找流程 。这一篇我们接着来分析一下objc_msgSend的慢速查找方法的流程。
一、 checkMiss和jumpMiss
在前面的快速查找流程中，有两个判断是够没有找到的方法，就是checkMiss和jumpMiss。我们先看下他们的源码：
.macro CheckMiss
// miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP
cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
.macro JumpMiss
.if $0 == GETIMP
b LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
b __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
b __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
如果没有找到方法进入他们的时候，都会执行__objc_msgSend_uncached方法，我们再看下__objc_msgSend_uncached的源码：
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
TailCallFunctionPointer x17
END_ENTRY __objc_msgSend_uncached
非常简单，关键代码就是MethodTableLookup这一行，表示从方法列表中进行查找，我们接着看MethodTableLookup的源码：
.macro MethodTableLookup
// push frame
SignLR
stp fp, lr, [sp, #-16]!
mov fp, sp
// save parameter registers: x0..x8, q0..q7
sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
str x8, [sp, #(8*16+8*8)]
// lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
// receiver and selector already in x0 and x1
mov x2, x16
mov x3, #3
bl _lookUpImpOrForward
// IMP in x0
mov x17, x0
// restore registers and return
ldp q0, q1, [sp, #(0*16)]
ldp q2, q3, [sp, #(2*16)]
ldp q4, q5, [sp, #(4*16)]
ldp q6, q7, [sp, #(6*16)]
ldp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
ldp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
ldp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
ldp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
ldr x8, [sp, #(8*16+8*8)]
mov sp, fp
ldp fp, lr, [sp], #16
AuthenticateLR
.endmacro
是不是看着很懵逼？我也是，我们需要过滤下，找出其中的关键代码，从上到下看一遍，是不是发现有一个很可疑的代码：_lookUpImpOrForward，没错，除了它，其它的我们基本不需要看。那我们怎么知道它就是我们要找的关键代码呢？
接下来我们在项目中验证下：
首先创建工程，新建LPPerson类，具体代码如下：
@interface LPPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, strong) NSString *nickName;
- (void)say666;
- (void)sayHello;
@end
@implementation LGPerson
- (void)sayHello{
NSLog(@"%s",__func__);
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
LPPerson *person = [LPPerson alloc];
[person sayHello];
[person say666];
}
return 0;
}
并在[person sayHello];这一行打上断点：
image.png
然后运行，在来到断点后，开启汇编调试【Debug -- Debug worlflow -- 勾选Always show Disassembly】就可以看到下面这样：
image.png
我们在objc_msgSend这一行打上断点，并执行到此断点，按照我们前面说的方法，按住control点击stepInto即可进入objc_msgSend内部：
image.png
同样的方法，在_objc_msgSend_uncached加上断点，并stepInto进去：
image.png
DuangDuang，是不是我们前面找到的关键代码:_lookUpImpOrForward，只不过这里少了个下划线，这是因为汇编和C/C++的语法问题导致：
- 1、
C/C++中调用 汇编 ，去查找汇编时，C/C++调用的方法需要多加一个下划线 - 2、汇编 中调用
C/C++方法时，去查找C/C++方法，需要将汇编调用的方法去掉一个下划线
二、lookUpImpOrForward
ok，接下来我们就要重点分析_lookUpImpOrForward它的内部做了做什么了，全局搜索lookUpImpOrForward，记得去掉下划线：
image.png
找到如图所以的地方，
lookUpImpOrForward就是一个函数：
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
// 定义的消息转发
const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
IMP imp = nil;
Class curClass;
runtimeLock.assertUnlocked();
// 快速查找，如果找到则直接返回imp
//目的：防止多线程操作时，刚好调用函数，此时缓存进来了
if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) {
imp = cache_getImp(cls, sel);
if (imp) goto done_nolock;
}
//加锁，目的是保证读取的线程安全
runtimeLock.lock();
//判断是否是一个已知的类：判断当前类是否是已经被认可的类，即已经加载的类
checkIsKnownClass(cls);
//判断类是否实现，如果没有，需要先实现，此时的目的是为了确定父类链，方法后续的循环
if (slowpath(!cls->isRealized())) {
cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
}
//判断类是否初始化，如果没有，需要先初始化
if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) {
cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
}
runtimeLock.assertLocked();
curClass = cls;
//----查找类的缓存
// unreasonableClassCount -- 表示类的迭代的上限
//（猜测这里递归的原因是attempts在第一次循环时作了减一操作，然后再次循环时,仍在上限的范围内，所以可以继续递归）
for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) {
//---当前类方法列表（采用二分查找算法），如果找到，则返回，将方法缓存到cache中
Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
if (meth) {
imp = meth->imp;
goto done;
}
//当前类 = 当前类的父类，并判断父类是否为nil
if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
//--未找到方法实现，方法解析器也不行，使用转发
imp = forward_imp;
break;
}
// 如果父类链中存在循环，则停止
if (slowpath(--attempts == 0)) {
_objc_fatal("Memory corruption in class list.");
}
// --父类缓存
imp = cache_getImp(curClass, sel);
if (slowpath(imp == forward_imp)) {
// 如果在父类中找到了forward，则停止查找，且不缓存，首先调用此类的方法解析器
break;
}
if (fastpath(imp)) {
//如果在父类中，找到了此方法，将其存储到cache中
goto done;
}
}
//没有找到方法实现，尝试一次方法解析
if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
//动态方法决议的控制条件，表示流程只走一次
behavior ^= LOOKUP_RESOLVER;
return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
}
done:
//存储到缓存
log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
//解锁
runtimeLock.unlock();
done_nolock:
if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
return nil;
}
return imp;
}
整个lookUpImpOrForward，我们大体上可以分为4个部分：
- 1、再次快速查找，防止因为线程的原因，导致查找到这个地方的时候，刚好有了缓存，那么就需要获取缓存并返回
- 2、获取类信息，这个一步不仅是获取当前的类的信息，还要获取父类，父类的父类等，确保类的继承链，方便我们的方法查找一定是走到最后。主要包括以下几步：
-
判断当前cls是否是已知类，如果不是，则报错
-
类是否实现，如果没有，则需要先实现，确定其父类链，此时实例化的目的是为了确定父类链、
ro、以及rw等，方法后续数据的读取以及查找的循环 -
是否初始化，如果没有，则初始化
-
- 3、按照继承链循环查找，查找过程中使用二分查找，保证效率。注意
for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;)是一个死循环，一直找到nil，如果找到了则存储到cache中，并返回imp，找不到则imp = forward_imp;。 - 4、判断是否执行过动态方法解析，如果没有，执行动态方法解析，如果执行过一次动态方法解析，则走到消息转发流程。
需要注意的两个地方：
第一、二分查找
二分查找的原理是：从第一次查找开始，每次都取中间位置，与想查找的key的value值作比较，如果相等，则需要排除分类方法，然后将查询到的位置的方法实现返回，如果不相等，则需要继续二分查找，如果循环至count = 0还是没有找到，则直接返回nil。
具体流程是：
- 首先进入
getMethodNoSuper_nolock：
getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel)
{
runtimeLock.assertLocked();
ASSERT(cls->isRealized());
// fixme nil cls?
// fixme nil sel?
auto const methods = cls->data()->methods();
for (auto mlists = methods.beginLists(),
end = methods.endLists();
mlists != end;
++mlists)
{
// <rdar://problem/46904873> getMethodNoSuper_nolock is the hottest
// caller of search_method_list, inlining it turns
// getMethodNoSuper_nolock into a frame-less function and eliminates
// any store from this codepath.
method_t *m = search_method_list_inline(*mlists, sel);
if (m) return m;
}
return nil;
}
- 然后进入
search_method_list_inline：
ALWAYS_INLINE static method_t *
search_method_list_inline(const method_list_t *mlist, SEL sel)
{
int methodListIsFixedUp = mlist->isFixedUp();
int methodListHasExpectedSize = mlist->entsize() == sizeof(method_t);
if (fastpath(methodListIsFixedUp && methodListHasExpectedSize)) {
return findMethodInSortedMethodList(sel, mlist);
} else {
// Linear search of unsorted method list
for (auto& meth : *mlist) {
if (meth.name == sel) return &meth;
}
}
#if DEBUG
// sanity-check negative results
if (mlist->isFixedUp()) {
for (auto& meth : *mlist) {
if (meth.name == sel) {
_objc_fatal("linear search worked when binary search did not");
}
}
}
#endif
return nil;
}
再进入二分查找的核心代码findMethodInSortedMethodList中：
ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
ASSERT(list);
const method_t * const first = &list->first;
const method_t *base = first;
const method_t *probe;
uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key; //key 等于 say666
uint32_t count;
//base相当于low，count是max，probe是middle，这就是二分
for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
//从首地址+下标 --> 移动到中间位置（count >> 1 左移1位即 count/2 = 4）
probe = base + (count >> 1);
uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name;
//如果查找的key的keyvalue等于中间位置（probe）的probeValue，则直接返回中间位置
if (keyValue == probeValue) {
// -- while 平移 -- 排除分类重名方法
while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) {
//排除分类重名方法（方法的存储是先存储类方法，在存储分类---按照先进后出的原则，分类方法最先出，而我们要取的类方法，所以需要先排除分类方法）
//如果是两个分类，就看谁先进行加载
probe--;
}
return (method_t *)probe;
}
//如果keyValue 大于 probeValue，就往probe即中间位置的右边查找
if (keyValue > probeValue) {
base = probe + 1;
count--;
}
}
return nil;
}
第二、cache_getImp
cache_getImp方法是通过汇编_cache_getImp实现，传入的$0 是 GETIMP。源码如下：
STATIC_ENTRY _cache_getImp
GetClassFromIsa_p16 p0
CacheLookup GETIMP, _cache_getImp
LGetImpMiss:
mov p0, #0
ret
END_ENTRY _cache_getImp
如果父类缓存中找到了方法实现，则跳转至CacheHit即命中，则直接返回imp
如果在父类缓存中，没有找到方法实现，则跳转至CheckMiss 或者 JumpMiss，通过判断$0 跳转至LGetImpMiss，直接返回nil。
从前面探索isa中我们知道对象和类的继承链：
- 对象方法（即实例方法），即在类中查找，其慢速查找的父类链是：
类--父类--根类--nil - 类方法，即在元类中查找，其慢速查找的父类链是：
元类--根元类--根类--nil
三、消息转发流程
如果在快速查找、慢速查找、方法解析流程中，均没有找到实现，则使用消息转发。lookUpImpOrForward 源码中定义了一个消息转发吗？
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
IMP imp = nil;
...
}
即_objc_msgForward_impcache，我们查看它的源码：
STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache
// No stret specialization.
b __objc_msgForward
END_ENTRY __objc_msgForward_impcache
ENTRY __objc_msgForward
adrp x17, __objc_forward_handler@PAGE
ldr p17, [x17, __objc_forward_handler@PAGEOFF]
TailCallFunctionPointer x17
END_ENTRY __objc_msgForward
_objc_msgForward_impcache是汇编实现，会跳转至__objc_msgForward，其核心是__objc_forward_handler，全局搜索__objc_forward_handler,搜索不到，去掉一个下划线，继续搜索
image.png
_objc_forward_handler，有如下实现，本质是调用的objc_defaultForwardHandler方法：
__attribute__((noreturn, cold)) void
objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel)
{
_objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
"(no message forward handler is installed)",
class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? '+' : '-',
object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;
噔噔，我们发现了什么？这个报错是不是我们常见的执行未实现方法的时候报的错啊。
觉得不错记得点赞哦！听说看完点赞的人逢考必过，逢奖必中。ღ( ´･ᴗ･` )比心
