iOS-底层原理 15：类的加载（上）

在上一篇文章iOS-底层原理14：dyld与objc的关联 中理解了dyld与objc的关联，本文的主要目的是理解类的相关信息是如何加载到内存的。

本文重点需要理解map_images和load_image

1、map_images : 加载镜像文件到内存

1.1 map_images的调用

_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);

为什么map_images带&，而load_images不带?

• map_images是 引用类型;
• load_image 是 值类型;

1.2 map_images源码

step1: 进入map_images源码

void
map_images(unsigned count, const char * const paths[],
           const struct mach_header * const mhdrs[])
{
    mutex_locker_t lock(runtimeLock);
    return map_images_nolock(count, paths, mhdrs);
}

其中关键函数map_images_nolock

step2: 进入map_images_nolock源码

void
map_images_nolock(unsigned mhCount, const char * const mhPaths[],
                  const struct mach_header * const mhdrs[])
{
    //...省略

    // Find all images with Objective-C metadata.查找所有带有Objective-C元数据的映像
    hCount = 0;

    // Count classes. Size various table based on the total.计算类的个数
    int totalClasses = 0;
    int unoptimizedTotalClasses = 0;
    //代码块：作用域，进行局部处理，即局部处理一些事件
    {
        //...省略
    }
    
    //...省略

    if (hCount > 0) {
        //加载镜像文件
        _read_images(hList, hCount, totalClasses, unoptimizedTotalClasses);
    }

    firstTime = NO;
    
    // Call image load funcs after everything is set up.一切设置完成后，调用镜像加载功能。
    for (auto func : loadImageFuncs) {
        for (uint32_t i = 0; i < mhCount; i++) {
            func(mhdrs[i]);
        }
    }
}

其中关键代码_read_images

step3: 查看_read_images源码，由于代码过多，就在下面局部分析时贴上关键代码

_read_images主要是主要是加载类信息，即类、分类、协议等，进入_read_images源码实现，主要分为以下几部分：

1、条件控制进行的一次加载
2、修复预编译阶段的@selector的混乱问题
3、错误混乱的类处理
4、修复重映射一些没有被镜像文件加载进来的类
5、修复一些消息
6、当类里面有协议时：readProtocol 读取协议
7、修复没有被加载的协议
8、分类处理
9、类的加载处理
10、没有被处理的类，优化那些被侵犯的类

源码局部分析

1、条件控制进行的一次加载

if (!doneOnce) {
     
  //省略
   ...
    
    // namedClasses
    // Preoptimized classes don't go in this table.
    // 4/3 is NXMapTable's load factor
    int namedClassesSize = 
        (isPreoptimized() ? unoptimizedTotalClasses : totalClasses) * 4 / 3;
//创建表（哈希表key-value），目的是查找快
    gdb_objc_realized_classes =
        NXCreateMapTable(NXStrValueMapPrototype, namedClassesSize);

    ts.log("IMAGE TIMES: first time tasks");
}

在没有执行 if 条件时会进入该流程中，通过NXCreateMapTable 创建表，存放类信息，即创建一张类的哈希表gdb_objc_realized_classes，其目的是为了类查找方便、快捷

查看gdb_objc_realized_classes的注释说明，这个哈希表用于存储不在共享缓存且已命名类，无论类是否实现，其容量是类数量的4/3

// This is a misnomer: gdb_objc_realized_classes is actually a list of 
// named classes not in the dyld shared cache, whether realized or not.
//gdb_objc_realized_classes实际上是不在dyld共享缓存中的已命名类的列表，无论是否实现
NXMapTable *gdb_objc_realized_classes;  // exported for debuggers in objc-gdb.h

2、修复预编译阶段的@selector的混乱问题

// Fix up @selector references 修复@selector引用
//sel 不是简单的字符串，而是带地址的字符串
static size_t UnfixedSelectors;
{
    mutex_locker_t lock(selLock);
    for (EACH_HEADER) {
        if (hi->hasPreoptimizedSelectors()) continue;

        bool isBundle = hi->isBundle();
        //通过_getObjc2SelectorRefs拿到Mach-O中的静态段__objc_selrefs
        SEL *sels = _getObjc2SelectorRefs(hi, &count);
        UnfixedSelectors += count;
        for (i = 0; i < count; i++) { //列表遍历
            const char *name = sel_cname(sels[i]);
            //注册sel操作，即将sel添加到
            SEL sel = sel_registerNameNoLock(name, isBundle);
            if (sels[i] != sel) {//当sel与sels[i]地址不一致时，需要调整为一致的
                sels[i] = sel;
            }
        }
    }
}

测试一下@selector的混乱问题

我们可以看到两个方法的名称相同，但是方法的地址却不相同

为什么会这样？

是因为，我们整个苹果系统中，会有很多库，比如 libobjc、 libsystem 等等，当不同库有相同方法时，比如上图的 class 方法的时候，我们就需要将方法平移到程序的最前面进行执行，例如 CoreFoundation 的 class 方法的 index = 0，而 CoreMedia 的 class 方法 index = 0 + CoreFoundation 的大小。所以我们要将方法进行平移操作。

3、错误混乱的类处理

主要是从Mach-O中取出所有类，在遍历进行处理

//3、错误混乱的类处理
// Discover classes. Fix up unresolved future classes. Mark bundle classes.
bool hasDyldRoots = dyld_shared_cache_some_image_overridden();
//读取类：readClass
for (EACH_HEADER) {
    if (! mustReadClasses(hi, hasDyldRoots)) {
        // Image is sufficiently optimized that we need not call readClass()
        continue;
    }
    //从编译后的类列表中取出所有类，即从Mach-O中获取静态段__objc_classlist，是一个classref_t类型的指针
    classref_t const *classlist = _getObjc2ClassList(hi, &count);

    bool headerIsBundle = hi->isBundle();
    bool headerIsPreoptimized = hi->hasPreoptimizedClasses();

    for (i = 0; i < count; i++) {
        Class cls = (Class)classlist[i];//此时获取的cls只是一个地址
        Class newCls = readClass(cls, headerIsBundle, headerIsPreoptimized); //读取类，经过这步后，cls获取的值才是一个名字
        //经过调试，并未执行if里面的流程
        //初始化所有懒加载的类需要的内存空间，但是懒加载类的数据现在是没有加载到的，连类都没有初始化
        if (newCls != cls  &&  newCls) {
            // Class was moved but not deleted. Currently this occurs 
            // only when the new class resolved a future class.
            // Non-lazily realize the class below.
            //将懒加载的类添加到数组中
            resolvedFutureClasses = (Class *)
                realloc(resolvedFutureClasses, 
                        (resolvedFutureClassCount+1) * sizeof(Class));
            resolvedFutureClasses[resolvedFutureClassCount++] = newCls;
        }
    }
}
ts.log("IMAGE TIMES: discover classes");

step1: 在readClass方法前打一个断点，等程序运行到此处，打印下cls信息

可以看到cls只是一个地址

step2: 继续执行

可以看到，readClass调用后，对 cls 进行了类名的赋值操作。此时类的信息目前仅存储了地址和名称。

readClass 的源码后面会摘出来分析

4、 修复重映射一些没有被镜像文件加载进来的类

//4、修复重映射一些没有被镜像文件加载进来的类
// Fix up remapped classes 修正重新映射的类
// Class list and nonlazy class list remain unremapped.类列表和非惰性类列表保持未映射
// Class refs and super refs are remapped for message dispatching.类引用和超级引用将重新映射以进行消息分发
//经过调试，并未执行if里面的流程
//将未映射的Class 和 Super Class重映射，被remap的类都是懒加载的类
if (!noClassesRemapped()) {
    for (EACH_HEADER) {
        Class *classrefs = _getObjc2ClassRefs(hi, &count);//Mach-O的静态段 __objc_classrefs
        for (i = 0; i < count; i++) {
            remapClassRef(&classrefs[i]);
        }
        // fixme why doesn't test future1 catch the absence of this?
        classrefs = _getObjc2SuperRefs(hi, &count);//Mach_O中的静态段 __objc_superrefs
        for (i = 0; i < count; i++) {
            remapClassRef(&classrefs[i]);
        }
    }
}

ts.log("IMAGE TIMES: remap classes");

主要是将未映射的Class 和Super Class进行重映射，其中:

• _getObjc2ClassRefs是获取Mach-O中的静态段__objc_classrefs即类的引用

• _getObjc2SuperRefs是获取Mach-O中的静态段__objc_superrefs即父类的引用

通过注释可以得知，被remapClassRef的类都是懒加载的类，所以最初经过调试时，这部分代码是没有执行的

5、 修复一些消息

#if SUPPORT_FIXUP
//5、修复一些消息
    // Fix up old objc_msgSend_fixup call sites
    for (EACH_HEADER) {
        // _getObjc2MessageRefs 获取Mach-O的静态段 __objc_msgrefs
        message_ref_t *refs = _getObjc2MessageRefs(hi, &count);
        if (count == 0) continue;

        if (PrintVtables) {
            _objc_inform("VTABLES: repairing %zu unsupported vtable dispatch "
                         "call sites in %s", count, hi->fname());
        }
        //经过调试，并未执行for里面的流程
        //遍历将函数指针进行注册，并fix为新的函数指针
        for (i = 0; i < count; i++) {
            fixupMessageRef(refs+i);
        }
    }

    ts.log("IMAGE TIMES: fix up objc_msgSend_fixup");
#endif

主要是通过_getObjc2MessageRefs 获取Mach-O的静态段__objc_msgrefs，并遍历通过fixupMessageRef将函数指针进行注册，并fix为新的函数指针

6、 当类里面有协议时：readProtocol 读取协议

//6、当类里面有协议时：readProtocol 读取协议
// Discover protocols. Fix up protocol refs. 发现协议。修正协议参考
//遍历所有协议列表，并且将协议列表加载到Protocol的哈希表中
for (EACH_HEADER) {
    extern objc_class OBJC_CLASS_$_Protocol;
    //cls = Protocol类，所有协议和对象的结构体都类似，isa都对应Protocol类
    Class cls = (Class)&OBJC_CLASS_$_Protocol;
    ASSERT(cls);
    //获取protocol哈希表 -- protocol_map
    NXMapTable *protocol_map = protocols();
    bool isPreoptimized = hi->hasPreoptimizedProtocols();

    // Skip reading protocols if this is an image from the shared cache
    // and we support roots
    // Note, after launch we do need to walk the protocol as the protocol
    // in the shared cache is marked with isCanonical() and that may not
    // be true if some non-shared cache binary was chosen as the canonical
    // definition
    if (launchTime && isPreoptimized && cacheSupportsProtocolRoots) {
        if (PrintProtocols) {
            _objc_inform("PROTOCOLS: Skipping reading protocols in image: %s",
                         hi->fname());
        }
        continue;
    }

    bool isBundle = hi->isBundle();
    //通过_getObjc2ProtocolList 获取到Mach-O中的静态段__objc_protolist协议列表，
    //即从编译器中读取并初始化protocol
    protocol_t * const *protolist = _getObjc2ProtocolList(hi, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        //通过添加protocol到protocol_map哈希表中
        readProtocol(protolist[i], cls, protocol_map, 
                     isPreoptimized, isBundle);
    }
}

ts.log("IMAGE TIMES: discover protocols");

通过_getObjc2ProtocolList 获取到Mach-O中的静态段__objc_protolist协议列表，即从编译器中读取并初始化protocol

7、 修复没有被加载的协议

//7、修复没有被加载的协议
// Fix up @protocol references
// Preoptimized images may have the right 
// answer already but we don't know for sure.
for (EACH_HEADER) {
    // At launch time, we know preoptimized image refs are pointing at the
    // shared cache definition of a protocol.  We can skip the check on
    // launch, but have to visit @protocol refs for shared cache images
    // loaded later.
    if (launchTime && cacheSupportsProtocolRoots && hi->isPreoptimized())
        continue;
    //_getObjc2ProtocolRefs 获取到Mach-O的静态段 __objc_protorefs
    protocol_t **protolist = _getObjc2ProtocolRefs(hi, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {//遍历
        //比较当前协议和协议列表中的同一个内存地址的协议是否相同，如果不同则替换
        remapProtocolRef(&protolist[i]);//经过代码调试，并未执行
    }
}

ts.log("IMAGE TIMES: fix up @protocol references");

主要是通过_getObjc2ProtocolRefs 获取到Mach-O的静态段__objc_protorefs（与6中的__objc_protolist并不是同一个东西），然后遍历需要修复的协议，通过remapProtocolRef比较当前协议和协议列表中的同一个内存地址的协议是否相同，如果不同则替换

8、 分类处理

//8、分类处理
// Discover categories. Only do this after the initial category 发现分类
// attachment has been done. For categories present at startup,
// discovery is deferred until the first load_images call after
// the call to _dyld_objc_notify_register completes. rdar://problem/53119145
if (didInitialAttachCategories) {
    for (EACH_HEADER) {
        load_categories_nolock(hi);
    }
}

ts.log("IMAGE TIMES: discover categories");

主要是处理分类，需要在分类初始化并将数据加载到类后才执行，对于运行时出现的分类，将分类的发现推迟到对_dyld_objc_notify_register的调用完成后的第一个load_images调用为止

9、 类的加载处理

// Realize non-lazy classes (for +load methods and static instances) 初始化非懒加载类，进行rw、ro等操作：realizeClassWithoutSwift
    //懒加载类 -- 别人不动我，我就不动
    //实现非懒加载的类，对于load方法和静态实例变量
    for (EACH_HEADER) {
        //通过_getObjc2NonlazyClassList获取Mach-O的静态段__objc_nlclslist非懒加载类表
        classref_t const *classlist = 
            _getObjc2NonlazyClassList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            Class cls = remapClass(classlist[i]);
            
            const char *mangledName  = cls->mangledName();
             const char *LGPersonName = "LGPerson";
            
             if (strcmp(mangledName, LGPersonName) == 0) {
                 auto kc_ro = (const class_ro_t *)cls->data();
                 printf("_getObjc2NonlazyClassList: 这个是我要研究的 %s \n",LGPersonName);
             }
            
            if (!cls) continue;

            addClassTableEntry(cls);//插入表，但是前面已经插入过了，所以不会重新插入

            if (cls->isSwiftStable()) {
                if (cls->swiftMetadataInitializer()) {
                    _objc_fatal("Swift class %s with a metadata initializer "
                                "is not allowed to be non-lazy",
                                cls->nameForLogging());
                }
                // fixme also disallow relocatable classes
                // We can't disallow all Swift classes because of
                // classes like Swift.__EmptyArrayStorage
            }
            //实现当前的类，因为前面readClass读取到内存的仅仅只有地址+名称，类的data数据并没有加载出来
            //实现所有非懒加载的类(实例化类对象的一些信息，例如rw)
            realizeClassWithoutSwift(cls, nil);
        }
    }

    ts.log("IMAGE TIMES: realize non-lazy classes");

主要是实现类的加载处理，实现非懒加载类

• 通过_getObjc2NonlazyClassList获取Mach-O的静态段__objc_nlclslist非懒加载类表

• 通过addClassTableEntry将非懒加载类插入类表，存储到内存，如果已经添加就不会载添加，需要确保整个结构都被添加

• 通过realizeClassWithoutSwift实现当前的类，因为前面3中的readClass读取到内存的仅仅只有地址+名称，类的data数据并没有加载出来

10、 没有被处理的类，优化那些被侵犯的类

// Realize newly-resolved future classes, in case CF manipulates them
    if (resolvedFutureClasses) {
        for (i = 0; i < resolvedFutureClassCount; i++) {
            Class cls = resolvedFutureClasses[i];
            if (cls->isSwiftStable()) {
                _objc_fatal("Swift class is not allowed to be future");
            }
            //实现类
            realizeClassWithoutSwift(cls, nil);
            cls->setInstancesRequireRawIsaRecursively(false/*inherited*/);
        }
        free(resolvedFutureClasses);
    }

    ts.log("IMAGE TIMES: realize future classes");

    if (DebugNonFragileIvars) {
        //实现所有类
        realizeAllClasses();
    }