iOS底层探索 --- 类的加载（下）

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在前两篇文章中，我们分析了类的加载。但是在类的加载过程中，不仅仅是类本身的加载，还有分类，类的扩展等的加载。下面我们就来分析以下，分类和类的扩展是怎么加载的。

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一、CPP文件分析分类

首先我们将.m文件转换成CPP文件，以此来观察以下分类在底层是什么样子的。这里我们再来回忆一下，生成CPP文件的两种终端指令：

• clang: (这里也可以不要后面的-o xxx.cpp)

$ clang -rewrite-objc xxx.m -o xxx.cpp

• xcrun

$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc xxx.m -o xxx.cpp

1. 这里我们定义一个Person类，并创建它的分类：

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2. 利用终端，将Person-Jax.m文件转换成CPP文件：

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3. 查看Person+Jax.cpp文件，探索分类的底层结构：

在该文件中，我们看到了_category_t的底层结构如下：

struct _category_t {
    const char *name;
    struct _class_t *cls;
    const struct _method_list_t *instance_methods;
    const struct _method_list_t *class_methods;
    const struct _protocol_list_t *protocols;
    const struct _prop_list_t *properties;
};

• 通过下面的代码，我们可以推断出Person-Jax在底层的结构：
  

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  其中我们通过_category_t可以了解到一下信息:

• 这里还有一条信息，那就是_category_t中的name，是Jax。（这里大家可能会有疑问，既然是Jax，那Person-Jax里面为什么是Person呢？因为现在是静态编译，编译器不知道赋什么值。所以随机给的是Person）

• 通过_category_t可以看到，有两个_method_list_t：

  • instanceMethods：实例方法列表。
  • classMethods：类方法列表。

• _protocol_list_t：协议列表。

• _prop_list_t：属性列表。（在分类中，可以定义属性，但是不会自动生成getter和setter方法）

• 通过文件中最下方代码，我们还可以得出一条结论：分类是存放在__DATA段的__objc_catlist中。
  

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我们通过CPP文件知道了分类在底层是_category_t结构，这个时候我们也可以在源码中搜索一下，来对比一下：

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二、分类的加载

我们回想一下，我们在iOS底层探索 --- 类的加载（中）的时候，遇到的methodizeClass吗？这里有一条官方注释是这样写的：Attaches any outstanding categories。也就是说，我们的分类是在这里被附加的。那我们就再次探索一下这个函数。

我们会发现，方法列表、属性列表、协议列表等等，它们的附加都与rwe有关系：

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也就是说，附加的时候，必然要有rwe的存在。那我们就去找rwe：

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在我们进入ext()函数之后，对于源码有点迷茫。但是下面的extAllocIfNeeded()结合ext()就有点意思了（根据字面意思：“需要的情况下，alloc ext�”）。整体来看，也就是说，如果有ext，那就必然能执行get，获得ext。（有点绕，大家好好捋一下思路）

这里可以将ext理解为一个标识符。我们都知道:

• ro是clean memory(ro 是只读的，不需要的时候可以清除，需要的时候再从磁盘中读取。复制到rw)，
• rw是dirty memory(rw是动态分配的，比如我们的分类里面的数据，是昂贵的)
• 这里就有一个问题了，不是所有的类都需要rw，也就是说ro的数据已经能够满足需求了，这个时候就有了rwe的出现。（当需要动态加载的时候，就有一个标识符ext；如果没有，就普通的从ro里面去获取。Extention）

2.1 extAllocIfNeeded()

我们来搜索一下，extAllocIfNeeded()看一下其在什么地方调用（截取其中一个）：

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(rwe是在动态运行时才会被创建，这一点可以根据官方的注释得到。有兴趣的可以看一下``extAllocIfNeeded()`的调用函数的注释或者分析以下。)

2.2 attachCategories

extAllocIfNeeded()在attachCategories中也被调用了，由于我们现在分析的是分类，所以我们关注的重点就是attachCategories。

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这里面的auto rwe = cls->data()->extAllocIfNeeded();同时也可以证明，rwe是通过extAllocIfNeeded()来获取的。

这里大家对比一下，extAllocIfNeeded()的调用对象是不同的，上面是rw，这里是cls->data()；这里大家不要误解，cls->data()的返回值是class_rw_t *类型的。

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看到bits不知道大家有没有熟悉的感觉，没错，我们在iOS底层探索 --- 类的结构探索（上）里面探索过：
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• attachCategories
  这里我们全局搜索一下，看一下，分类的加载在哪里被调用。
  搜索下来，有两处调用：

  • attachToClass -> attachCategories
  • load_categories_nolock -> attachCategories
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既然有两个地方调用了attachCategories，那我们就通过断点调试，一个一个的分析。

2.2.1 attachToClass

同样的我们全局搜所attachToClass，发现其只在methodizeClass中有调用：

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虽然有三处调用，但是其中两处的调用，受previously(函数中的一个判断条件) 影响。

• 这里的previously来自于realizeClassWithoutSwift(static Class realizeClassWithoutSwift(Class cls, Class previously));
• realizeClassWithoutSwift是我们探索过的，在_read_images中被调用，而previously传入的是nil。因此在methodizeClass中，只有一次会被调用。（这里大家会有疑问，既然传入的是nil，为什么还要多此一举；其实这是一个备用参数，方便调节用的。）

也就是说我们只需要研究：

objc::unattachedCategories.attachToClass(cls, cls,
                                             isMeta ? ATTACH_METACLASS : ATTACH_CLASS);

三、分类加载的几种情况

在上面我们分析了分类的底层结构，我们得知分类在底层是以结构体的形式存在。那么我们接下来探索一下分类的加载。

在这之前，我们补充一个之前没有明确说明的知识点：懒加载类 和 非懒加载类。

在iOS中，为了提高对类的处理效率和性能，会对类进行识别。当类需要使用的时候，系统才会对类进行实现；如果没有使用就不会实现。

像这种需要实现才进行加载的类，被称为懒加载类；反之，无论是否需要实现都进行加载的类，被称为非懒加载类。（我们日常开发中，通过XCode创建的类，默认都是懒加载类）

一般情况下，我们可以通过+load方法，来调整我们自己实现的类。自定义类实现+load方法，就可以变为非懒加载类。因为+load方法的调用是在main之前的。

那么此时关于分类的加载我们就有四种情况：

• 1、主类 和 分类 都实现+load方法。
• 2、主类实现+load方法，分类不实现。
• 3、主类不实现+load方法，分类实现。
• 4、主类 和 分类 都不实现+load方法。

在下面的探索中，我们会在源码中添加下面这样的代码，来辅助我们做探索。添加到我们需要探索的函数中，部分内容根据各自需求可做改动：

bool isMeta = cls->isMetaClass();
const char *mangledName = cls->nonlazyMangledName();
if (strcmp(mangledName, "Person") == 0) {
       if (!isMeta) {
           printf("%s -Person....\n",__func__);
       }
}

断点调试，在main函数里面调用Person

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对于测试类和分类，我们使用下面的：

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3.1、主类 和 分类 都实现+load方法

我们在attachCategories中打上断点(在我们上面添加的代码中，规避系统方法)。

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这样我们通过追踪断点，得到了如下的函数调用栈：
load_images -> loadAllCategories -> load_categories_nolock -> attachCategories

在这个之前还有 _read_image -> realizeClassWithoutSwift这样的一个流程。
因为在_read_image中有这样一段注释：

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也就是说，这里的调用会被推迟到第一次load_images调用之后。

• didInitialAttachCategories
  这里还是要说一下这个变量的，didInitialAttachCategories初始化为false:
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  在load_images里面，有这样一个判断语句：
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  相信看到这里，大家都会明白，为什么是第一次load_images之后才会执行（那段官方注释）。

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3.2 主类实现+load方法，分类不实现

同样的我们通过断点调试，得到如下的函数调用栈：

_read_image -> realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass

并没有走attachCategories

这个情况与下面的情况类似，看下面的分析。

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3.3 主类不实现+load方法，分类实现

_read_image -> realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass

并没有走attachCategories

这里有一个细节，当前我们的主类并没有实现+load，但是我们在_read_image函数里面，还是走的非懒加载，这说明，分类实现+load之后，主类被迫营业了。（这里大家好好理解一下，分类是针对主类实现的。）

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• 这里就有疑问了，既然没有执行attachCategories；那么分类里面的信息怎么加载的呢？此时分类是非懒加载类，按理说是要执行attachCategories的呀。

这里我们通过断点调试来探索一下：

• 首先我们在realizeClassWithoutSwift函数里面添加如下代码，并添加断点：
  

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• 然后运行工程，断点调试，控制台操作如下（这里的操作，在iOS底层探索 --- 类的结构探索（上）里面我们做过探索，这里就不再赘述）：
  

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注意！！！

通过控制台的打印，我们可以看到，此时ro里面已经有了分类信息（注意看methodList中，count = 13）。

我们再回一下，ro是怎么来的：auto ro = (const class_ro_t *)cls->data();。
上面讲过，cls->data()返回的是bits.data()

这也就是说，ro中分类的数据，来自于data。
上面3.2的情况也是一样的。

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3.4 主类 和 分类 都不实现+load方法

这种情况下，前面这些函数都没有调用。

推迟到第一次消息发送的时候，初始化。

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四、load_categories_nolock

上面我们知道，在我们没有实现+load(懒加载)的情况下，分类依然能都从data里面加载，那这个时候分类的数据从哪里来的呢？这个时候我们就要去探索一下load_categories_nolock。

• count从哪里来的呢？
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  大家注意看，count的初始值是0；那么count是在哪里变化的呢？(函数内部没有count的赋值操作)

其实我们将这个代码块折叠一下，就清晰了：

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这就相当于一个block的调用，先执行下面的代码，才会进入上面的代码块。

• catlist
  既然count的值跟catlist有关系，那我们就进去看一下：
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可以看到，我们的catlist是从MachO文件中获取的。

也就是说分类也是从MachO中加载进来的。这也就验证了上面，我们为什么能够从data中获取分类的数据。也就是说MachO会直接的去加载整个的数据结构。

注意：不要随便的去实现load方法，这样会打乱MachO的数据加载，当我们自己去实现+load方法之后，就有了上面一大堆的流程(包括其中的一些算法)，这是非常耗时的。像分类中实现+load方法，就是非常不可取的。

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五、多个分类

如果有多个分类，但是分类不完全实现+load方法，主类实现+load方法。这个时候，会跟3.2的情况一样吗？

这里我们可以在load_categories_nolock中打一个断点，看一下count的数值就知道了。（这样做的理由是，因为有分类实现了+load，那么就一定会走load_categories_nolock；那么我们在这个函数里面，看一下在非懒加载类的流程中，有几个分类会走这里，就可以得到我们想知道的答案了。）

• 首先多添加几个分类，其中一个不实现+load
  

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• 断点调试
  

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  可以看到，count的数量是3；说明此时的情况和3.1的情况是一样的。