objc_msgSend 流程分析（快速查找）
2020-09-23 本文已影响0人
远方竹叶
在上一篇 cache_t 原理分析 分析了 cache 的写入流程，在写入之前还有 cache 的读取流程
runtime
runtime 即我们常说的 运行时，是 OC 底层的一套 C/C++ 的 API，编译器最终都会将 OC 代码转化为运行时代码，我们通过 clang -rewrite-objc xxx.m可以看到编译后的 .cpp 文件。
运行时 是相对于 编译时 而言
-
运行时：代码跑起来，被装载到内存中的过程，如果代码有问题，会崩溃，是一个动态阶段
-
编译时：是将源代码编译成计算机能识别的代码的过程，主要是检查语法、词法分析，是一个静态的阶段
交互方式
-
Objective-C 代码：例如 [person say666];
-
NSObject 方法： 例如
isKindOfClass、isMemberOfClass -
Runtime API：例如
class_getInstanceSize
compiler 就是我们熟知的编译器，即 LLVM，runtime system libarary 就是底层库
方法的本质
准备环境
- 创建一个
LCPerson类继承自NSObject，添加一个实例方法
@interface LCPerson : NSObject
-(void)say666;
@end
@implementation LCPerson
-(void)say666 {
NSLog(@"say666");
}
@end
- 在
main函数中创建LCPerson的实例，并调用实例方法
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
LCPerson *person = [LCPerson alloc];
[person say666];
}
return 0;
}
- 通过
Clang命令，将main.m文件编译成main.cpp文件，找到main函数的实现代码
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
LCPerson *person = ((LCPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LCPerson"), sel_registerName("alloc"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("say666"));
}
return 0;
}
可以看到，LCPerson 类调用 alloc 类方法以及对象调用 say666 实例方法，最终都会转化为 objc_msgSend 消息发送，由此，我们可以判断方法的本质就是消息发送。
验证
- 我们可以通过调用
objc_msgSend方式调用，查看与对象直接调用结果是否一致
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
LCPerson *person = [LCPerson alloc];
[person say666];
objc_msgSend(person, sel_registerName("say666"));
}
return 0;
}
- 打印结果
可以看到 [person say666] 与 objc_msgSend(person, sel_registerName("say666")) 是一致的
注意：
直接调用objc_msgSend的方法会报错，需要导入头文件#import <objc/message.h>，此时编译还是会报错，需要将严厉检查机制设置为NO
调用父类方法
我们再创建一个 LCSon 类，继承自 LCPerson 类，并声明 -(void)say666 实例方法，不实现
@interface LCSon : LCPerson
-(void)say666;
@end
@implementation LCSon
@end
- 通过调用
objc_msgSendSuper方式调用，查看与子类对象直接调用结果
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
LCSon *son = [LCSon alloc];
[son say666];
struct objc_super lcsuper;
lcsuper.receiver = son;
lcsuper.super_class = [LCPerson class];
objc_msgSendSuper(&lcsuper, sel_registerName("say666"));
}
return 0;
}
- 打印结果
我们发现 [son say666] 和 objc_msgSendSuper 执行的都是父类中 say666 的实现，由此我们可以猜测，方法调用，首先是在类中查找，如果类中没有找到，会到类的父类中查找。
拓展-objc_msgSendSuper
上面我们用到了 objc_msgSendSuper 调用，我们看下它的源码定义
OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_msgSendSuper(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)
OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
#endif
有两个参数（objc_super 结构体，sel 方法名），其结构体类型是objc_super定义的结构体对象
struct objc_super {
/// Specifies an instance of a class.
__unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
/// Specifies the particular superclass of the instance to message.
#if !defined(__cplusplus) && !__OBJC2__
/* For compatibility with old objc-runtime.h header */
__unsafe_unretained _Nonnull Class class;
#else
__unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
#endif
/* super_class is the first class to search */
};
#endif
从源码我们可以知道 objc_super 有两个成员 receiver（消息接收者）以及 super_class （父类）。这个是告诉编译器，优先从父类中查找方法实现；直接调用方法是优先从子类中找方法实现。
objc_msgSend
在 objc-781 源码中查找 objc_msgSend，发现都是用汇编实现的，汇编的特性
- 快：更容易被机器识别
- 参数的动态性：汇编调用函数时传递的参数是不确定的
消息查找机制
- 快速查找：通过
cache缓存查找 - 慢速查找：methodList 中查找，查找不到会走消息转发流程
源码分析
在 objc4-781 源码中我们在 objc-msg-arm64.s 文件找到 ENTRY _objc_msgSend 入口部分
ENTRY _objc_msgSend
UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
//p0 是传入的第一个参数：消息的接收者。
//cmp（compare） p0与nil比较，如果p0为空，那么就直接返回
cmp p0, #0 // nil check and tagged pointer check
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
//小对象类型
b.le LNilOrTagged // (MSB tagged pointer looks negative)
#else
//消息接收者（p0）为空，返回空
b.eq LReturnZero
#endif
//从x0寄存器指向的地址 取出消息接收者的 isa，存入 p13寄存
ldr p13, [x0] // p13 = isa
//在 64 位架构下，p16 = isa（p13） & ISA_MASK，拿出shiftcls信息，得到class信息
GetClassFromIsa_p16 p13 // p16 = class
LGetIsaDone:
// calls imp or objc_msgSend_uncached
//如果有isa，走到CacheLookup 即缓存查找流程，也就是所谓的sel-imp快速查找流程
CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged:
//等于空，返回空
b.eq LReturnZero // nil check
// tagged
adrp x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
ubfx x11, x0, #60, #4
ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
adrp x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGE
add x10, x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEOFF
cmp x10, x16
b.ne LGetIsaDone
// ext tagged
adrp x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
ubfx x11, x0, #52, #8
ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
b LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endif
LReturnZero:
// x0 is already zero
mov x1, #0
movi d0, #0
movi d1, #0
movi d2, #0
movi d3, #0
ret
END_ENTRY _objc_msgSend
1. 消息接收者（receiver）是否为空
- 如果支持
tagged pointer，跳转至LNilOrTagged- 如果小对象为空，直接返回空（LReturnZero）
- 不为空，继续下面流程
- 如果不是小对象
- 消息接收者（p0）为空，返回空（LReturnZero）
- 从
receiver中取出isa存入p13寄存器 - 通过
GetClassFromIsa_p16得到class信息
GetClassFromIsa_p16 的汇编代码如下
.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */
//此处用于watchOS
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
// Indexed isa
//将isa的值存入p16寄存器
mov p16, $0 // optimistically set dst = src
//判断是否是 nonapointer isa
tbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f // done if not non-pointer isa
// isa in p16 is indexed
//将_objc_indexed_classes所在的页的基址 读入x10寄存器
adrp x10, _objc_indexed_classes@PAGE
//x10 = x10 + _objc_indexed_classes(page中的偏移量) x10基址 根据 偏移量 进行 内存偏移
add x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
//从p16的第ISA_INDEX_SHIFT位开始，提取 ISA_INDEX_BITS 位 到 p16寄存器，剩余的高位用0补充
ubfx p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS // extract index
ldr p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT] // load class from array
1:
#elif __LP64__
// 64-bit packed isa
//p16 = class = isa & ISA_MASK(位运算 & 即获取isa中的shiftcls信息)
and p16, $0, #ISA_MASK
#else
// 32-bit raw isa
mov p16, $0
#endif
.endmacro
2. CacheLookup 缓存查找
CacheLookup 的汇编源码
.macro CacheLookup
//
// Restart protocol:
//
// As soon as we're past the LLookupStart$1 label we may have loaded
// an invalid cache pointer or mask.
//
// When task_restartable_ranges_synchronize() is called,
// (or when a signal hits us) before we're past LLookupEnd$1,
// then our PC will be reset to LLookupRecover$1 which forcefully
// jumps to the cache-miss codepath which have the following
// requirements:
//
// GETIMP:
// The cache-miss is just returning NULL (setting x0 to 0)
//
// NORMAL and LOOKUP:
// - x0 contains the receiver
// - x1 contains the selector
// - x16 contains the isa
// - other registers are set as per calling conventions
//
LLookupStart$1:
// p1 = SEL, p16 = isa
//#define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__)，其中 __SIZEOF_POINTER__表示pointer的大小 ，即 2*8 = 16
//p11 = mask|buckets，从 x16（isa）中平移16字节，得到 cache，存入p11。objc_class 结构，偏移 isa（8字节）+ superClass（8字节）就是 cache（mask高16位 + buckets低48位）
ldr p11, [x16, #CACHE] // p11 = mask|buckets
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//p11(cache) & 0x0000ffffffffffff ，高16位抹零，得到 buckets，存入p10寄存器
and p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = buckets
//p11(cache)右移48位，得到 mask，mask&p1（sel，msgSend的第二个参数 cmd），就会得到 sel-imp的下标 index，存入p12
and p12, p1, p11, LSR #48 // x12 = _cmd & mask
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
and p10, p11, #~0xf // p10 = buckets
and p11, p11, #0xf // p11 = maskShift
mov p12, #0xffff
lsr p11, p12, p11 // p11 = mask = 0xffff >> p11
and p12, p1, p11 // x12 = _cmd & mask
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif
//define PTRSHIFT 3
//p12是下标，p10是 buckets 的首地址，下标左移16位（1<<4）得到实际内存的偏移量，通过buckets的首地址偏移，获取bucket存入p12寄存器
//LSL #(1+PTRSHIFT)-- 实际含义就是得到一个bucket占用的内存大小 -- 相当于mask = occupied -1-- _cmd & mask -- 取余数
add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
// p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))
//从x12（即p12）中取出 bucket 分别将imp和sel 存入 p17（存储imp） 和 p9（存储sel）
ldp p17, p9, [x12] // {imp, sel} = *bucket
//比较 sel 与 p1
1: cmp p9, p1 // if (bucket->sel != _cmd)
//不相等，跳转到2f
b.ne 2f // scan more
//相等，即 cacheHit 缓存命中，直接返回imp
CacheHit $0 // call or return imp
2: // not hit: p12 = not-hit bucket
//如果一直都找不到， 因为是normal ，跳转至__objc_msgSend_uncached
CheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0
//判断p12（下标对应的bucket） 是否 等于 p10（buckets数组第一个元素）
cmp p12, p10 // wrap if bucket == buckets
//如果等于，则跳转至第3f
b.eq 3f
//从x12（即p12 buckets首地址）- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二个bucket元素，imp-sel分别存入p17-p9，即向前查找
ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]! // {imp, sel} = *--bucket
//跳转至第1步，继续对比 sel 与 cmd
b 1b // loop
3: // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//人为设置到最后一个元素，p11（mask）右移44位 相当于mask左移4位，直接定位到buckets的最后一个元素，缓存查找顺序是向前查找
add p12, p12, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))
// p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
add p12, p12, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)
// p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif
// Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
// The slow path may detect any corruption and halt later.
//再查找一遍缓存，拿到x12（即p12）bucket中的 imp-sel 分别存入 p17-p9
ldp p17, p9, [x12] // {imp, sel} = *bucket
//比较 sel 与 p1（传入的参数cmd）
1: cmp p9, p1 // if (bucket->sel != _cmd)
//如果不相等，即走到2f
b.ne 2f // scan more
//如果相等 即 CacheHit，直接返回imp
CacheHit $0 // call or return imp
//如果一直找不到，即CheckMiss
2: // not hit: p12 = not-hit bucket
CheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0
//判断p12（下标对应的bucket） 是否 等于 p10（buckets数组第一个元素）表示前面已经没有了，但是还是没有找到
cmp p12, p10 // wrap if bucket == buckets
////如果等于，跳转至第3步
b.eq 3f
//从x12（即p12 buckets首地址）- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二个bucket元素，imp-sel分别存入p17-p9，即向前查找
ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]! // {imp, sel} = *--bucket
//跳转至第1步，继续对比 sel 与 cmd
b 1b // loop
LLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3: // double wrap
//跳转至JumpMiss 因为是normal ，跳转至__objc_msgSend_uncached
JumpMiss $0
.endmacro
源码解析
- 获取
cache
- 获取
通过 isa 首地址平移 16 字节（在 objc_class 结构中，isa 占8字节，superClass 占8字节） ，即 p11 = cache
-
- 计算下标
- 通过上一步获取的
cache&（与上）掩码（0x0000ffffffffffff）的到buckets，（cache 首地址存储的是 ‘高16位存mask，低48位存buckets’ ），
即 p10 = buckets - 将
cache右移48位，得到mask，即 p11 = mask - p1 是
objc_msgSend的第二个参数（_cmd），p1 & mask，通过哈希算法，得到需要查找存储 sel-imp 的 bucket 下标 index（在存储 sel-imp 时，也是通过同样哈希算法计算哈希下标进行存储，所以读取也需要通过同样的方式读取）
-
- 根据
下标和buckets去除对应的bucket
- 一个
bucket实际占用16字节（sel 占8字节，imp 占8字节），左移4位（2^4 = 16） - 通过 首地址 + 实际偏移量，获取哈希下标 index 对应的 bucket
- 根据
- 根据获取的
bucket，取出其中的imp存入p17，即 p17 = imp，取出sel存入 p9，即 p9 = sel
- 根据获取的
-
- 第一次递归循环
- 比较获取的
bucket中sel与objc_msgSend的第二个参数的_cmd(即p1)是否相等 - 相等，直接跳转至
CacheHit，即缓存命中，返回 imp - 不相等，分两种情况
- 一直都找不到，直接跳转至 CheckMiss，进入慢速查找流程
- 如果根据 index 获取的
bucket等于buckets的第一个元素，则人为的将当前bucket设置为buckets的最后一个元素（通过buckets首地址+mask右移44位（等同于左移4位）直接定位到bucker的最后一个元素），然后继续进行递归循环（第一个递归循环嵌套第二个递归循环） - 如果当前
bucket不等于buckets的第一个元素，则继续向前查找，进入第一次递归循环
-
- 第二次递归循环
- 重复
5的操作，与第一次递归唯一区别是，如果当前的bucket还是等于buckets的第一个元素，则直接跳转至JumpMiss，进入慢速查找流程
整体流程图
