本文探索一下方法的本质,而在探索之前,我们先简单了解 Runtime
的知识点。
Runtime 简介
runtime称为运行时,它区别于编译时
-
编译时
是源代码翻译成机器能识别的代码
的过程,主要是对语言进行最基本的检查,即词法分析、语法分析等,是静态类型检查。 -
运行时
是代码跑起来,被装载到内存中的过程
,如果此时出错,则程序会崩溃,是静态类型检查。
runtime 交互的三种方式
-
Objective-C Code
直接调用 比如直接调用方法[person eat]、#selector()等。 -
Framework&Serivce
比如isKindeofClass、isMemberOfClass等方法。 -
RuntimeAPI
比如class_getInstanceSize等底层方法。
探索方法的本质
Clang编译
在isa底层原理探索上文章中,通过clang
编译的源码,理解了OC对象的本质
,同样我们在main中调用方法,查看clang编译main.cpp文件。
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
Person *p = [Person alloc];
[p eat];
[p say];
}
return 0;
}
clang编译后的底层实现
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
Person *p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("eat"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("say"));
}
return 0;
}
通过clang编译后代码可以看出,方法的本质
就是objc_msgSend消息发送
。
使用objc_msgSend调用方法
注: 1、直接调用
objc_msgSend
,需要导入头文件#import <objc/message.h>
2、需要将target --> Build Setting -->搜索msg -- 将
enable strict checking of obc_msgSend
calls由YES 改为NO,将严厉的检查机制关掉,否则objc_msgSend的参数会报错。
- 方法调用
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
Person *p = [Person alloc];
[p eat];
objc_msgSend(p,sel_registerName("eat"));
}
return 0;
}
- 调用父类方法
定义一个Person类
@interface Person : NSObject{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic,copy) NSString *name;
- (void)eat;
- (void)say;
+ (void)run;
@end
定义一个Teacher类集成Person类
@interface Teacher : Person
-(void)teach;
@end
main函数
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
Person *p = [Person alloc];
Teacher *t = [Teacher alloc];
[p say];
struct objc_super lsuper;
lsuper.receiver = t;
lsuper.super_class = [Teacher class];
objc_msgSendSuper(&lsuper, sel_registerName("say"));
}
return 0;
}
- objc_msgSendSuper源码
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
- objc_super源码
- 打印结果
总结
方法的本质
就是objc_msgSend消息发送
- OC
调用方法
等价于runtime中objc_msgSend
和objc_msgSendSuper
消息发送。
探索objc_msgSend
-
在objc4-781源码中,搜索
objc_msgSend
,我们日常开发用的是arm64架构,所以在arm64.s后缀的文件中查找objc_msgSend源码实现,发现是汇编代码实现的。 -
objc_msgSend
之所以采用汇编来实现,有以下两种主要因素:• 汇编更容易能被机器识别 • 参数未知、类型未知对于 C 和 C++ 来说不如汇编更得心应手
objc_msgSend 汇编源码
//---- 消息发送 -- 汇编入口--objc_msgSend主要是拿到接收者的isa信息
ENTRY _objc_msgSend
//---- 无窗口
UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
//---- p0 和空对比,即判断接收者是否存在,其中p0是objc_msgSend的第一个参数-消息接收者receiver
cmp p0, #0 // nil check and tagged pointer check
//---- le小于 --支持taggedpointer(小对象类型)的流程
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
b.le LNilOrTagged // (MSB tagged pointer looks negative)
#else
//---- p0 等于 0 时,直接返回 空
b.eq LReturnZero
#endif
//---- p0即receiver 肯定存在的流程
//---- 根据对象拿出isa ,即从x0寄存器指向的地址 取出 isa,存入 p13寄存器
ldr p13, [x0] // p13 = isa
//---- 在64位架构下通过 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
_objc_msgSend 入口函数流程图
CacheLookup 缓存查找汇编源码
//!!!!!!!!!重点!!!!!!!!!!!!
.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(即isa)中平移16字节,取出cache 存入p11寄存器 -- isa距离cache 正好16字节:isa(8字节)-superClass(8字节)-cache(mask高16位 + buckets低48位)
ldr p11, [x16, #CACHE]
//---- 64位真机
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//--- p11(cache) & 0x0000ffffffffffff ,mask高16位抹零,得到buckets 存入p10寄存器-- 即去掉mask,留下buckets
and p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = buckets
//--- p11(cache)右移48位,得到mask(即p11 存储mask),mask & p1(msgSend的第二个参数 cmd-sel) ,得到sel-imp的下标index(即搜索下标) 存入p12(cache insert写入时的哈希下标计算是 通过 sel & mask,读取时也需要通过这种方式)
and p12, p1, p11, LSR #48 // x12 = _cmd & mask
//--- 非64位真机
#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
//--- p12是下标 p10是buckets数组首地址,下标 * 1<<4(即16) 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)) -- PTRSHIFT是3
//--- 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(传入的参数cmd)
1: cmp p9, p1 // if (bucket->sel != _cmd)
//--- 如果不相等,即没有找到,请跳转至 2f
b.ne 2f // scan more
//--- 如果相等 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,),如果等于,则跳转至第3步
cmp p12, p10 // wrap if bucket == buckets
//--- 定位到最后一个元素(即第一个bucket)
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,即走到第二步
b.ne 2f // scan more
//--- 如果相等 即命中,直接返回imp
CacheHit $0 // call or return imp
2: // not hit: p12 = not-hit bucket
//--- 如果一直找不到,则CheckMiss
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
b.eq 3f //如果等于,跳转至第3步
//--- 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
CacheHit源码实现
.macro CacheHit
.if $0 == NORMAL
TailCallCachedImp x17, x12, x1, x16 // authenticate and call imp
.elseif $0 == GETIMP
mov p0, p17
cbz p0, 9f // don't ptrauth a nil imp
AuthAndResignAsIMP x0, x12, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMP
9: ret // return IMP
.elseif $0 == LOOKUP
// No nil check for ptrauth: the caller would crash anyway when they
// jump to a nil IMP. We don't care if that jump also fails ptrauth.
AuthAndResignAsIMP x17, x12, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMP
ret // return imp via x17
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
CheckMiss源码实现
.macro CheckMiss
// miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP
//--- 如果为GETIMP ,则跳转至 LGetImpMiss
cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
//--- 如果为NORMAL ,则跳转至 __objc_msgSend_uncached
cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
//--- 如果为LOOKUP ,则跳转至 __objc_msgLookup_uncached
cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
.macro JumpMiss
.if $0 == GETIMP
b LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
b __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
b __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro