Aspects深度解析-iOS面向切面编程
背景简述
在日常开发过程中是否有过这样的需求：不修改原来的函数，但是又想在函数的执行前后插入一些代码。这个方式就是面向切面（AOP），在iOS开发中比较知名的框架就是Aspects，而饿了么新出的Stinger框架先不讨论，Aspects的源码精炼巧妙，很值得学习深究，本文主要从源码和应用层面来介绍下
源码解析
先提出几个问题
带着问题去阅读更容易理解
Aspects实现的核心原理是什么
哪些方法不能被hook
hook的操作是否可以只对某个实例生效，对同一个类的其他实例不生效？
block是如何被存储和调用的
基本原理
正常来讲想实现AOP，可以利用runtime的特性进行method swizzle，但Aspects就是造好的轮子，而且更好用，下面简述下Aspects的基本原理
runtime的消息转发机制
在OC中，所有的消息调用最后都会通过objc_msgSend()方法进行访问
通过objc_msgSend()进行消息调用，为了加快执行速度，这个方法在runtime源码中是用汇编实现的
然后调用lookUpImpOrForward()方法，返回值是个IMP指针，如果查找到了调用函数的IMP，则进行方法的访问
如果没有查到对于方法的IMP指针，则进行消息转发机制
第一层转发：会调用resolveInstanceMethod:、resolveClassMethod:，这次转发是方法级别的，开发者可以动态添加方法进行补救
第二层转发：如果第一层转发仍然没有找到SEL，则会进行第二层转发，调用forwardingTargetForSelector:，可以把调用转发到另一个对象，这是类级别的转发，调用另一个类的相同的方法
第三层转发：如果第二层转发返回nil，则会进入这一层处理，这层会调用methodSignatureForSelector:、forwardInvocation:，这次是完整的消息转发，因为你可以返回方法签名、动态指定调用方法的Target
如果转发都失败，就会crash
Aspects的基本原理
对外暴露的核心API
/**
作用域：针对所有对象生效
selector: 需要hook的方法
options：是个枚举，主要定义了切面的时机（调用前、替换、调用后）
block: 需要在selector前后插入执行的代码块
error: 错误信息
*/+ (id)aspect_hookSelector:(SEL)selector withOptions:(AspectOptions)options usingBlock:(id)block error:(NSError**)error;/**
作用域：针对当前对象生效
*/- (id)aspect_hookSelector:(SEL)selector withOptions:(AspectOptions)options usingBlock:(id)block error:(NSError**)error;
上面介绍了消息的转发机制，而Aspects就是利用了消息转发机制，通过hook第三层的转发方法forwardInvocation:，然后根据切面的时机来动态调用block。接下来详细分析巧妙的设计
类A的方法m被添加切面方法
创建一个类A的子类B，并hook子类B的forwardInvocation:方法拦截消息转发，使forwardInvocation:的IMP指向事先准备好的__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__函数（后面简称ABC函数），block方法的执行就在ABC函数中
把类A的对象的isa指针指向B，这样就把消息的处理转发到类B上，类似KVO的机制，同时会更改class方法的IMP，把它指向类A的class方法，当外界调用class时获取的还是类A，并不知道中间类B的存在
对于方法m，类B会直接把方法m的IMP指向_objc_msgForward()方法，这样当调用方法m时就会走消息转发流程，触发ABC函数
详细分析
执行入口
- (id)aspect_hookSelector:(SEL)selector withOptions:(AspectOptions)options usingBlock:(id)block error:(NSError**)error {returnaspect_add(self, selector, options, block, error);}staticidaspect_add(idself, SEL selector, AspectOptions options,idblock,NSError**error) { __block AspectIdentifier *identifier =nil;// 添加自旋锁，block内容的执行时互斥的aspect_performLocked(^{if(aspect_isSelectorAllowedAndTrack(self, selector, options, error)) {// 获取容器，容器的对象以关联对象的方式添加到了当前对象上，key值为`前缀+selector`AspectsContainer *aspectContainer = aspect_getContainerForObject(self, selector);// 创建标识符，用来存储SEL、block、切面时机（调用前、调用后）等信息identifier = [AspectIdentifier identifierWithSelector:selector object:selfoptions:options block:block error:error];if(identifier) { [aspectContainer addAspect:identifier withOptions:options];// Modify the class to allow message interception.aspect_prepareClassAndHookSelector(self, selector, error); } } });returnidentifier;}
执行入口调用了aspect_add(self, selector, options, block, error)方法，这个方法时线程安全的，接下来一步步解析具体做了什么
过滤拦截：aspect_isSelectorAllowedAndTrack()
精简版的源码，已经添加了注释
staticBOOLaspect_isSelectorAllowedAndTrack(NSObject*self, SEL selector, AspectOptions options,NSError**error) {staticNSSet*disallowedSelectorList;staticdispatch_once_tpred;dispatch_once(&pred, ^{// 初始化黑名单列表，有些方法时禁止hook的disallowedSelectorList = [NSSetsetWithObjects:@"retain",@"release",@"autorelease",@"forwardInvocation:",nil]; });// 第一步：检查是否在黑名单内NSString*selectorName =NSStringFromSelector(selector);if([disallowedSelectorList containsObject:selectorName]) { ...returnNO; }// 第二步： dealloc方法只能在调用前插入AspectOptions position = options&AspectPositionFilter;if([selectorName isEqualToString:@"dealloc"] && position != AspectPositionBefore) { ...returnNO; }// 第三步：检查类是否存在这个方法if(![selfrespondsToSelector:selector] && ![self.class instancesRespondToSelector:selector]) { ...returnNO; }// 第四步：如果是类而非实例(这个是类，不是类方法，是指hook的作用域对所有对象都生效)，则在整个类即继承链中，同一个方法只能被hook一次，即对于所有实例对象都生效的操作，整个继承链中只能被hook一次if(class_isMetaClass(object_getClass(self))) { ... }else{returnYES; }returnYES;}
不允许hookretain、release、autorelease、forwardInvocation:，这些不多解释
允许hookdealloc，但是只能在dealloc执行前，这都是为了程序的安全性设置的
检查这个方法是否存在，不存在则不能hook
Aspects对于hook的生效作用域做了区分：所有实例对象&某个具体实例对象。对于所有实例对象在整个继承链中，同一个方法只能被hook一次，这么做的目的是为了规避循环调用的问题（详情可以了解下supper关键字）
关键类结构
AspectOptions
是个枚举，用来定义切面的时机，即原有方法调用前、调用后、替换原有方法、只执行一次（调用完就删除切面逻辑）
typedefNS_OPTIONS(NSUInteger, AspectOptions) { AspectPositionAfter =0,/// 原有方法调用前执行 (default)AspectPositionInstead =1,/// 替换原有方法AspectPositionBefore =2,/// 原有方法调用后执行AspectOptionAutomaticRemoval =1<<3/// 执行完之后就恢复切面操作，即撤销hook};
AspectIdentifier类
简单理解话就是一个存储model，主要用来存储hook方法的相关信息，如原有方法、切面block、切面时机等
@interfaceAspectIdentifier:NSObject...其他省略@property(nonatomic,assign) SEL selector;// 原来方法的SEL@property(nonatomic,strong)idblock;// 保存要执行的切面block，即原方法执行前后要调用的方法@property(nonatomic,strong)NSMethodSignature*blockSignature;// block的方法签名@property(nonatomic,weak)idobject;// target，即保存当前对象@property(nonatomic,assign) AspectOptions options;// 是个枚举，表示切面执行时机，上面已经有介绍@end
AspectsContainer类
容器类，以关联对象的形式存储在当前类或对象中，主要用来存储当前类或对象所有的切面信息
@interface AspectsContainer : NSObject...其他省略@property (atomic, copy) NSArray *beforeAspects; // 存储原方法调用前要执行的操作@property (atomic, copy) NSArray *insteadAspects;// 存储替换原方法的操作@property (atomic, copy) NSArray *afterAspects;// 存储原方法调用后要执行的操作@end
存储切面信息
存储切面信息主要用到了上面介绍的AspectsContainer、AspectIdentifier这两个类，主要操作如下（注释写的已经很详细）
获取当前类的容器对象aspectContainer，如果没有则创建一个
创建一个标识符对象identifier，用来存储原方法信息、block、切面时机等信息
把标识符对象identifier添加到容器中
staticidaspect_add(idself, SEL selector, AspectOptions options,idblock,NSError**error) { ...// 获取容器对象，主要用来存储当前类或对象所有的切面信息，容器的对象以关联对象的方式添加到了当前对象上，key值为`前缀+selector`AspectsContainer *aspectContainer = aspect_getContainerForObject(self, selector);// 创建标识符，用来存储SEL、block、切面时机（调用前、调用后）等信息identifier = [AspectIdentifier identifierWithSelector:selector object:selfoptions:options block:block error:error];if(identifier) {// 把identifier添加到容器中[aspectContainer addAspect:identifier withOptions:options]; ... }returnidentifier;}
创建中间类
这一步的操作类似kvo的机制，隐式的创建一个中间类，一：可以做到hook只对单一对象有效，二：避免了对原有类的侵入
这一步主要做了几个操作
如果已经存在中间类，则直接返回
如果是类对象，则不用创建中间类，并把这个类存储在swizzledClasses集合中，标记这个类已经被hook了
如果存在kvo的情况，那么系统已经帮我们创建好了中间类，那就直接使用
对于不存在kvo且是实例对象的，则单独创建一个继承当前类的中间类midcls，并hook它的forwardInvocation:方法，并把当前对象的isa指针指向midcls，这样就做到了hook操作只针对当前对象有效，因为其他对象的isa指针指向的还是原有类
staticClass aspect_hookClass(NSObject*self,NSError**error) {Class statedClass =self.class;Class baseClass = object_getClass(self);NSString*className =NSStringFromClass(baseClass);// Already subclassedif([className hasSuffix:AspectsSubclassSuffix]) {returnbaseClass;// We swizzle a class object, not a single object.}elseif(class_isMetaClass(baseClass)) {returnaspect_swizzleClassInPlace((Class)self); }elseif(statedClass != baseClass) {// Probably a KVO class. Swizzle in place. Also swizzle meta classes in place.returnaspect_swizzleClassInPlace(baseClass); }// Default case. Create dynamic subclass.constchar*subclassName = [className stringByAppendingString:AspectsSubclassSuffix].UTF8String;Class subclass = objc_getClass(subclassName);if(subclass ==nil) { subclass = objc_allocateClassPair(baseClass, subclassName,0);// hook forwardInvocation方法aspect_swizzleForwardInvocation(subclass);// hook class方法，把子类的class方法的IMP指向父类，这样外界并不知道内部创建了子类aspect_hookedGetClass(subclass, statedClass); aspect_hookedGetClass(object_getClass(subclass), statedClass); objc_registerClassPair(subclass);}// 把当前对象的isa指向子类，类似kvo的用法object_setClass(self, subclass);returnsubclass;}
替换forwardInvocation：方法
从下面的代码可以看到，主要功能就是把当前类的forwardInvocation:替换成__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__，这样当触发消息转发的时候，就会调用__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法
对于__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法是Aspects的核心操作，主要就是做消息的调用和分发，控制方法的调用的时机，下面会详细介绍
// hook forwardInvocation方法，用来拦截消息的发送staticvoidaspect_swizzleForwardInvocation(Class klass) {// If there is no method, replace will act like class_addMethod.IMP originalImplementation = class_replaceMethod(klass,@selector(forwardInvocation:), (IMP)__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__,"v@:@");if(originalImplementation) { class_addMethod(klass,NSSelectorFromString(AspectsForwardInvocationSelectorName), originalImplementation,"v@:@"); } AspectLog(@"Aspects: %@ is now aspect aware.",NSStringFromClass(klass));}
自动触发消息转发机制
Aspects的核心原理是消息转发，那么必要出的就是怎么自动触发消息转发机制
runtime中有个方法_objc_msgForward，直接调用可以触发消息转发机制，著名的JSPatch框架也是利用了这个机制
假如要hook的方法叫m1，那么把m1的IMP指向_objc_msgForward，这样当调用方法m1时就自动触发消息转发机制了，详细实现如下
staticvoidaspect_prepareClassAndHookSelector(NSObject*self, SEL selector,NSError**error) { Method targetMethod = class_getInstanceMethod(klass, selector); IMP targetMethodIMP = method_getImplementation(targetMethod);if(!aspect_isMsgForwardIMP(targetMethodIMP)) { ...// We use forwardInvocation to hook in. 把函数的调用直接触发转发函数，转发函数已经被hook，所以在转发函数时进行block的调用class_replaceMethod(klass, selector, aspect_getMsgForwardIMP(self, selector), typeEncoding); }}
核心转发函数处理
上面一切准备就绪，那么怎么触发之前添加的切面block呢，首先我们梳理下整个流程
方法m1的IMP指向了_objc_msgForward，调用m1则会自动触发消息转发机制
替换forwardInvocation:，把它的IMP指向__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法，消息转发时触发的就是__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__
上面操作可以直接看出调用方法m1则会直接触发__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法，而__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法就是处理切面block用和原有函数的调用时机，详细看下面实现步骤
根据调用的selector，获取容器对象AspectsContainer，这里面存储了这个类或对象的所有切面信息
AspectInfo会存储当前的参数信息，用于传递
首先触发函数调用前的block，存储在容器的beforeAspects对象中
接下来如果存在替换原有函数的block，即insteadAspects不为空，则触发它，如果不存在则调用原来的函数
触发函数调用后的block，存在在容器的afterAspects对象中
staticvoid__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__(__unsafe_unretainedNSObject*self, SEL selector,NSInvocation*invocation) { AspectsContainer *objectContainer = objc_getAssociatedObject(self, aliasSelector); AspectsContainer *classContainer = aspect_getContainerForClass(object_getClass(self), aliasSelector); AspectInfo *info = [[AspectInfo alloc] initWithInstance:selfinvocation:invocation];// Before hooks. 方法执行之前调用aspect_invoke(classContainer.beforeAspects, info); aspect_invoke(objectContainer.beforeAspects, info);// Instead hooks. 替换原方法或者调用原方法BOOLrespondsToAlias =YES;if(objectContainer.insteadAspects.count || classContainer.insteadAspects.count) { aspect_invoke(classContainer.insteadAspects, info); aspect_invoke(objectContainer.insteadAspects, info); }else{ Class klass = object_getClass(invocation.target);do{if((respondsToAlias = [klass instancesRespondToSelector:aliasSelector])) { [invocation invoke];break; } }while(!respondsToAlias && (klass = class_getSuperclass(klass))); }// After hooks. 方法执行之后调用aspect_invoke(classContainer.afterAspects, info); aspect_invoke(objectContainer.afterAspects, info); ...// Remove any hooks that are queued for deregistration.[aspectsToRemove makeObjectsPerformSelector:@selector(remove)];}
总结
Aspects的核心原理是利用了消息转发机制，通过替换消息转发方法来实现切面的分发调用，这个思想很巧妙而且应用很广泛，很多三方库都利用了这个原理，值得学习
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