iOS底层原理探索— Runtime之消息机制
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今天继续带领大家探索iOS之Runtime的本质。
前言
OC是一门动态性比较强的编程语言，它的动态性是基于Runtime的API。Runtime在我们的实际开发中占据着重要的地位，在面试过程中也经常遇到Runtime相关的面试题，我们在之前几期的探索分析时也经常会到Runtime的底层源码中查看相关实现。Runtime对于iOS开发者的重要性不言而喻，想要学习和掌握Runtime的相关技术，就要从Runtime底层的一些常用数据结构入手。掌握了它的底层结构，我们学习起来也能达到事半功倍的效果。今天研究OC的消息机制。
消息机制
OC语言中方法调用通过消息机制来实现，方法调用其实都是转换为 objc_msgSend函数调用。
objc_msgSend函数.png
OC的消息机制可以分为一下三个阶段：
1、消息发送阶段：从类及父类的方法缓存列表及方法列表查找方法；
2、动态解析阶段：如果消息发送阶段没有找到方法，则会进入动态解析阶段，负责动态的添加方法实现；
3、消息转发阶段：如果也没有实现动态解析方法，则会进行消息转发阶段，将消息转发给可以处理消息的接受者来处理；
如果消息转发也没有实现，就会报出经典的错误：unrecognzied selector sent to instance，方法找不到的错误，无法识别消息。
接下来我们通过源码分析消息机制的三个阶段分别是如何实现的。
1、消息发送
在项目中方法调用的频率很高，所以为了能够提升效率，在底层代码中objc_msgSend函数的实现是通过汇编语言编写的，我们在源码中找到objc-msg-arm64.s汇编文件，来具体分析一下objc_msgSend函数的实现。
objc_msgSend内部实现.png
objc_msgSend函数中首先判断消息接收者receiver是否为空。如果传入的消息接受者为nil则会执行LNilOrTagged，LNilOrTagged内部会执行LReturnZero，而LReturnZero内部则直接return 0。
如果传入的消息接收者receiver不为空则通过消息接收者receiver的isa指针找到消息接收者的class，执行CacheLookup从方法缓存中取查找。如果在方法缓存列表找到则执行CacheHit，调用方法或者返回函数地址；如果找到就执行CheckMiss。CheckMiss内调用__objc_msgSend_uncached，方法没有被缓存。
__objc_msgSend_uncached内会执行MethodTableLookup，去方法列表中查找。MethodTableLookup内部的核心代码__class_lookupMethodAndLoadCache3也就是c语言函数_class_lookupMethodAndLoadCache3(双下划线开头变成单下划线)。
以上分析我们用简单的流程图来总结：
消息发送阶段流程.png
接下来我们进入
_class_lookupMethodAndLoadCache3函数，分析是如何从方法列表中查找方法。
_class_lookupMethodAndLoadCache3函数
IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{
return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj,
YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/);
}
函数内部调用lookUpImpOrForward方法，传入三个BOOL类型的参数。
lookUpImpOrForward 函数
IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst,
bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
//接收传入的参数， initialize = YES , cache = NO , resolver = YES
IMP imp = nil;
bool triedResolver = NO;
runtimeLock.assertUnlocked();
// 缓存查找, 因为cache传入的为NO, 这里不会进行缓存查找, 因为在汇编语言中CacheLookup已经查找过
if (cache) {
imp = cache_getImp(cls, sel);
if (imp) return imp;
}
runtimeLock.read();
if (!cls->isRealized()) {
runtimeLock.unlockRead();
runtimeLock.write();
realizeClass(cls);
runtimeLock.unlockWrite();
runtimeLock.read();
}
if (initialize && !cls->isInitialized()) {
runtimeLock.unlockRead();
_class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
runtimeLock.read();
}
retry:
runtimeLock.assertReading();
// 防止动态添加方法，缓存会变化，再次查找缓存。
imp = cache_getImp(cls, sel);
// 如果找到imp方法地址, 直接调用done, 返回方法地址
if (imp) goto done;
// 查找方法列表, 传入类对象和方法名
{
// 根据sel去类对象里面查找方法
Method meth = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel);
if (meth) {
// 如果方法存在，则缓存方法，
// 内部调用的就是 cache_fill。
log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, cls);
// 方法缓存之后, 取出函数地址imp并返回
imp = meth->imp;
goto done;
}
}
// 如果类方法列表中没有找到, 则去父类的缓存中或方法列表中查找方法
{
unsigned attempts = unreasonableClassCount();
// 如果父类缓存列表及方法列表均找不到方法，则去父类的父类去查找。
for (Class curClass = cls->superclass;
curClass != nil;
curClass = curClass->superclass)
{
// Halt if there is a cycle in the superclass chain.
if (--attempts == 0) {
_objc_fatal("Memory corruption in class list.");
}
// 查找父类的缓存
imp = cache_getImp(curClass, sel);
if (imp) {
if (imp != (IMP)_objc_msgForward_impcache) {
// 在父类中找到方法, 在本类中缓存方法, 注意这里传入的是cls, 将方法缓存在本类缓存列表中, 而非父类中
log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
// 执行done, 返回imp
goto done;
}
else {
// 跳出循环, 停止搜索
break;
}
}
// 查找父类的方法列表
Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
if (meth) {
// 同样拿到方法, 在本类进行缓存
log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, curClass);
imp = meth->imp;
// 执行done, 返回imp
goto done;
}
}
}
// ---------------- 消息发送阶段完成,没有找到方法实现，进入动态解析阶段 ---------------------
//首先检查是否已经被标记为动态方法解析，如果没有才会进入动态方法解析
if (resolver && !triedResolver) {
runtimeLock.unlockRead();
_class_resolveMethod(cls, sel, inst);
runtimeLock.read();
//将triedResolver标记为YES，下次就不会再进入动态方法解析
triedResolver = YES;
goto retry;
}
// ---------------- 动态解析阶段完成,进入消息转发阶段 ---------------------
imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
cache_fill(cls, sel, imp, inst);
done:
runtimeLock.unlockRead();
// 返回方法地址
return imp;
}
getMethodNoSuper_nolock 函数
方法列表中查找方法
getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel)
{
runtimeLock.assertLocked();
assert(cls->isRealized());
// cls->data() 得到的是 class_rw_t
// class_rw_t->methods 得到的是methods二维数组
for (auto mlists = cls->data()->methods.beginLists(),
end = cls->data()->methods.endLists();
mlists != end;
++mlists)
{
// mlists 为 method_list_t
method_t *m = search_method_list(*mlists, sel);
if (m) return m;
}
return nil;
}
getMethodNoSuper_nolock函数中通过遍历方法列表拿到method_list_t最终通过search_method_list函数查找方法
search_method_list函数
static method_t *search_method_list(const method_list_t *mlist, SEL sel)
{
int methodListIsFixedUp = mlist->isFixedUp();
int methodListHasExpectedSize = mlist->entsize() == sizeof(method_t);
// 如果方法列表已经排序好了，则通过二分查找法查找方法，以节省时间
if (__builtin_expect(methodListIsFixedUp && methodListHasExpectedSize, 1)) {
return findMethodInSortedMethodList(sel, mlist);
} else {
// 如果方法列表没有排序好就遍历查找
for (auto& meth : *mlist) {
if (meth.name == sel) return &meth;
}
}
return nil;
}
findMethodInSortedMethodList函数内二分查找实现原理
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;
uint32_t count;
// >>1 表示将变量n的各个二进制位顺序右移1位，最高位补二进制0。
// count >>= 1 如果count为偶数则值变为(count / 2)。如果count为奇数则值变为(count-1) / 2
for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
// probe 指向数组中间的值
probe = base + (count >> 1);
// 取出中间method_t的name，也就是SEL
uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name;
if (keyValue == probeValue) {
// 取出 probe
while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) {
probe--;
}
// 返回方法
return (method_t *)probe;
}
// 如果keyValue > probeValue 则折半向后查询
if (keyValue > probeValue) {
base = probe + 1;
count--;
}
}
return nil;
}
通过以上分析，我们了解了消息机制中的第一阶段消息发送阶段，下面我们用一张图来总结一下整体流程：
消息发送.png
2、动态方法解析
当在类和父类的方法缓存列表、方法列表中都找不到方法时，就会进入动态方法解析阶段。我们在消息发送阶段源码中看到，进入动态方法解析阶段是通过函数_class_resolveMethod。
_class_resolveMethod函数
_class_resolveMethod函数.png
函数内部会根据是元类还是类，并且类方法和对象方法的动态方法解析是调用不同的函数：
动态解析对象方法时，会调用
+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel方法。动态解析类方法时，会调用
+(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel方法。
动态解析方法之后，会将triedResolver = YES;那么下次就不会在进行动态解析阶段了，之后会回到消息发送阶段，重新执行retry，重新对方法查找一遍。
动态方法解析流程图.png
我们可以利用动态方法解析来动态的添加方法。我们将
MPerson类中的test方法实现注释掉，用other方法的实现来替代test方法实现：
动态添加方法.png
从图中的可以看到，我们注释掉
test方法实现后系统已经报出了警告，下面我们测试一下代码：
测试动态添加方法.png
当调用
MPerson的test方法时，打印了[MPerson other]。动态添加方法成功。
这里需要注意class_addMethod函数用来向具有给定名称和实现的类添加新方法，class_addMethod将添加一个方法实现的覆盖，但是不会替换已有的实现。也就是说如果上述代码中已经实现了-(void)test方法，则不会再动态添加方法。
3、消息转发阶段
如果上面两个阶段都失败的话，就会来到第三阶段：消息转发阶段。
由于OC中消息机制并不是开源的，这里就直接将消息转发的原理告诉给大家了。
进入消息转发阶段后，就会判断是否指定了其它对象来执行方法。具体查看当前类是否实现了forwardingTargetForSelector函数，如果返回值不为空，那么说明指定了转发目标，那么就会让转发目标处理消息。
如果forwardingTargetForSelector函数返回为nil，没有指定转发目标，就会调用methodSignatureForSelector方法，用来返回一个方法签名，这也是跳转方法的最后机会。
如果methodSignatureForSelector方法返回正确的方法签名就会调用forwardInvocation方法，forwardInvocation方法内提供一个NSInvocation类型的参数，NSInvocation封装了一个方法的调用，包括方法的调用者，方法名，以及方法的参数。在forwardInvocation函数内修改方法调用对象即可。
如果methodSignatureForSelector返回的为nil，就会来到doseNotRecognizeSelector:方法内部，程序crash报出经典的错误unrecognized selector sent to instance。
消息转发.png
至此，OC的消息机制的分析就告一段落，OC中的方法调用其实都是转成了objc_msgSend函数的调用，给方法调用者(receiver)发送一条消息(selector方法名)。方法调用过程包括三个阶段：消息发送、动态方法解析、消息转发。
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