iOS底层原理21：Method-Swizzling方法交换

2021-08-12 本文已影响0人黑白森林无间道

method-swizzling是什么？

method-swizzling的含义是方法交换，其主要作用是在运行时将一个方法的实现替换成另一个方法的实现，这就是我们常说的iOS黑魔法
在OC中就是利用method-swizzling实现AOP，其中AOP(Aspect Oriented Programming，面向切面编程)是一种编程的思想，区别于OOP（面向对象编程）
- OOP和AOP都是一种编程的思想
- OOP编程思想更加倾向于对业务模块的封装，划分出更加清晰的逻辑单元
- AOP是面向切面进行提取封装，提取各个模块中的公共部分，提高模块的复用率，降低业务之间的耦合性
每个类都维护着一个方法列表，即methodList，methodList中有不同的方法（Method），每个方法中包含了方法的sel和IMP，方法交换就是将sel和imp原本的对应断开，并将sel和新的imp生成对应关系

如下图所示，交换前后的sel和imp的对应关系

image

method-swizzling涉及的相关API

通过sel获取方法Method
- class_getInstanceMethod：获取实例方法
- class_getClassMethod：获取类方法
method_getImplementation：获取一个方法的实现
method_setImplementation：设置一个方法的实现
method_getTypeEncoding：获取方法实现的编码类型
class_addMethod：添加方法实现
class_replaceMethod：用一个方法的实现，替换另一个方法的实现，即aIMP 指向 bIMP，但是bIMP不一定指向aIMP
method_exchangeImplementations：交换两个方法的实现，即 aIMP -> bIMP, bIMP -> aIMP

method-swizzling使用过程中的问题分析

坑点1：method-swizzling使用过程中的一次性问题

所谓的一次性就是：mehod-swizzling写在load方法中，而load方法会主动调用多次，这样会导致方法的重复交换，使方法sel的指向又恢复成原来的imp的问题

解决方案

可以通过单例设计原则，使方法交换只执行一次，在OC中可以通过dispatch_once实现单例

+ (void)load{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        [HTRuntimeTool ht_bestMethodSwizzlingWithClass:self oriSEL:@selector(helloword) swizzledSEL:@selector(ht_studentInstanceMethod)];
    });
}

坑点2：子类没有实现，父类实现了

创建HTPerson类，并且实现personInstanceMethod方法

@interface HTPerson : NSObject

- (void)personInstanceMethod;

@end

@implementation HTPerson

- (void)personInstanceMethod {
    NSLog(@"person对象方法:%s", __func__);
}

@end

创建HTTeacher类，继承子HTPerson，没有实现personInstanceMethod，代码如下

@interface HTTeacher : HTPerson

@end

/** HTTeacher.m 文件*/
#import "HTTeacher.h"
#import "HTRuntimeTool.h"

@implementation HTTeacher

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        [HTRuntimeTool ht_methodSwizzlingWithClass:self oriSEL:@selector(personInstanceMethod) swizzledSEL:@selector(teacherInstanceMethod)];
    });
}

- (void)teacherInstanceMethod {
        // 是否会产生递归？--不会产生递归，原因是teacherInstanceMethod 会走 oriIMP，即personInstanceMethod的实现中去
    [self teacherInstanceMethod];
    NSLog(@"teacher对象方法:%s", __func__);
}

@end

HTRuntimeTool.m中的方法如下

+ (void)ht_methodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL {
    
    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");

    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);
    method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
}

ViewController.m中调用如下

#import "ViewController.h"
#import "HTTeacher.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    HTTeacher *t = [HTTeacher alloc];
    [t personInstanceMethod];
    
    HTPerson *p = [HTPerson alloc];
    [p personInstanceMethod];
}

@end

通过实际代码的调试，发现会在p调用personInstanceMethod方法时崩溃，下面来进行详细说明

image

[t personInstanceMethod];中不报错是因为 HTTeacher类在+ (void)load方法中将personInstanceMethod交换成了teacherInstanceMethod，对于HTTeacher的对象来说，这两个方法都是可以找到的，所以不会报错
崩溃的点在于[p personInstanceMethod];，其本质原因：
- HTTeacher类在+ (void)load方法中将personInstanceMethod交换成了teacherInstanceMethod，
- [p personInstanceMethod];相当于调用的是HTTeacher的teacherInstanceMethod方法，然后需要取HTPerson类中查找teacherInstanceMethod方法，但是HTPerson中没有方法实现，即相关的imp找不到，所以就崩溃了

image

优化：避免imp找不到

通过class_addMethod尝试添加你要交换的方法

如果添加成功，即类中没有这个方法，则通过class_replaceMethod进行替换，其内部会调用class_addMethod进行添加
如果添加不成功，即类中有这个方法，则通过method_exchangeImplementations进行交换

+ (void)ht_betterMethodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL {
    
    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");
    
    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);
   
    // 一般交换方法: 交换自己有的方法 -- 走下面 因为自己有意味添加方法失败
    // 交换自己没有实现的方法:
    //   首先第一步:会先尝试给自己添加要交换的方法 :personInstanceMethod (SEL) -> swiMethod(IMP)
    //   然后再将父类的IMP给swizzle  personInstanceMethod(imp) -> swizzledSEL

    BOOL success = class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));

    if (success) {// 自己没有 - 交换 - 没有父类进行处理 (重写一个)
        class_replaceMethod(cls, swizzledSEL, method_getImplementation(oriMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    } else { // 自己有
        method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
    }
}

运行程序，发现不会报错了

image

下面是class_replaceMethod、class_addMethod和method_exchangeImplementations的源码实现

image

其中class_replaceMethod和class_addMethod中都调用了addMethod方法，区别在于bool值的判断，下面是addMethod的源码实现

/**********************************************************************
* addMethod
* fixme
* Locking: runtimeLock must be held by the caller
**********************************************************************/
static IMP 
addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types, bool replace)
{
    IMP result = nil;

    runtimeLock.assertLocked();

    checkIsKnownClass(cls); // 检查是否是已知类
    
    ASSERT(types);
    ASSERT(cls->isRealized());

    method_t *m;
    if ((m = getMethodNoSuper_nolock(cls, name))) {
        // already exists 已经存在
        if (!replace) {
            // 添加方法：直接返回要添加的方法实现
            result = m->imp(false);
        } else {
            // 替换方法：返回替换之前的方法实现
            result = _method_setImplementation(cls, m, imp);
        }
    } else { // 不存在
        // fixme optimize
        // 新建一个method_list，添加方法
        method_list_t *newlist;
        newlist = (method_list_t *)calloc(method_list_t::byteSize(method_t::bigSize, 1), 1);
        newlist->entsizeAndFlags = 
            (uint32_t)sizeof(struct method_t::big) | fixed_up_method_list;
        newlist->count = 1;
        auto &first = newlist->begin()->big();
        first.name = name;
        first.types = strdupIfMutable(types);
        first.imp = imp;
        // 对rwe进行处理，将增的newlist加进去
        addMethods_finish(cls, newlist);
        result = nil;
    }

    return result;
}

坑点3：子类没有实现，父类也没有实现，下面的调用有什么问题？

在调用personInstanceMethod方法时，父类HTPerson中只有声明，没有实现，子类HTTeacher中既没有声明，也没有实现

运行代码，报错结果如下所示

image

原因是 栈溢出，递归死循环了，那么为什么会发生递归呢？----主要是因为

personInstanceMethod没有实现，即oriMethod空，调用class_addMethod方法后，oriSEL和swizzledSEL的方法实现都是swiMethod，然后在方法替class_replaceMethod时，替换失败
当我们调用personInstanceMethod（oriSEL）时，也就是swiMethod，会进入HTTeacher中的teacherInstanceMethod方法，然后这个方法中又调用了teacherInstanceMethod，此时的teacherInstanceMethod并没有指向oriMethod，然后导致了自己调自己，即递归死循环

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优化：避免递归死循环

如果oriMethod为空，为了避免方法交换没有意义，而被废弃，需要做一些事情

通过class_addMethod给oriSEL添加swiMethod方法
通过method_setImplementation将swiMethod的IMP指向不做任何事的空实现

+ (void)ht_bestMethodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL {
    
    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");
    
    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);
    
    if (!oriMethod) {
        // 在oriMethod为nil时，替换后将swizzledSEL复制一个不做任何事的空实现,代码如下:
        class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(swiMethod));
        method_setImplementation(swiMethod, imp_implementationWithBlock(^(id self, SEL _cmd){ }));
    }
    
    // 一般交换方法: 交换自己有的方法 -- 走下面 因为自己有意味添加方法失败
    // 交换自己没有实现的方法:
    //   首先第一步:会先尝试给自己添加要交换的方法 :personInstanceMethod (SEL) -> swiMethod(IMP)
    //   然后再将父类的IMP给swizzle  personInstanceMethod(imp) -> swizzledSEL
    //oriSEL:personInstanceMethod

    BOOL didAddMethod = class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(swiMethod));
    if (didAddMethod) {
        class_replaceMethod(cls, swizzledSEL, method_getImplementation(oriMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    } else {
        method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
    }
    
}

method-swizzling的应用

method-swizzling最常用的应用是防止数组、字典等越界崩溃

在iOS中NSNumber、NSArray、NSDictionary等这些类都是类簇，一个NSArray的实现可能由多个类组成。所以如果想对NSArray进行Swizzling，必须获取到其“真身”进行Swizzling，直接对NSArray进行操作是无效的。

下面列举了NSArray和NSDictionary本类的类名，可以通过Runtime函数取出本类。

类名	真身
NSArray	__NSArrayI
NSMutableArray	__NSArrayM
NSDictionary	__NSDictionaryI
NSMutableDictionary	__NSDictionaryM

NSArray防崩溃处理

创建NSArray的一个分类HT

#import "NSArray+HT.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation NSArray (HT)

//如果下面代码不起作用，造成这个问题的原因大多都是其调用了super load方法。在下面的load方法中，不应该调用父类的load方法。这样会导致方法交换无效
+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Method fromMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(objectAtIndex:));
        Method toMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(ht_objectAtIndex:));
        method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
    });
   
}

- (id)ht_objectAtIndex:(NSUInteger)index{
    //判断下标是否越界，如果越界就进入异常拦截
    if (self.count-1 < index) {
        // 这里做一下异常处理，不然都不知道出错了。
#ifdef DEBUG  // 调试阶段
        return [self ht_objectAtIndex:index];
#else // 发布阶段
        @try {
            return [self ht_objectAtIndex:index];
        } @catch (NSException *exception) {
            // 在崩溃后会打印崩溃信息，方便我们调试。
            NSLog(@"---------- %s Crash Because Method %s  ----------\n", class_getName(self.class), __func__);
            NSLog(@"%@", [exception callStackSymbols]);
            return nil;
        } @finally {
            
        }
#endif
    } else { // 如果没有问题，则正常进行方法调用
        return [self ht_objectAtIndex:index];
    }
}

@end

测试代码如下

NSArray *array = @[@"1", @"2", @"3"];
[array objectAtIndex:3];

打印结果如下，会输出崩溃的日志，但是实际并不会崩溃

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iOS底层原理21：Method-Swizzling方法交换

method-swizzling是什么？

method-swizzling涉及的相关API

method-swizzling使用过程中的问题分析

坑点1：method-swizzling使用过程中的一次性问题

解决方案

坑点2：子类没有实现，父类实现了

优化：避免imp找不到

坑点3：子类没有实现，父类也没有实现，下面的调用有什么问题？

优化：避免递归死循环

method-swizzling的应用

NSArray防崩溃处理

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