iOS 底层探索：黑魔法 Method-Swizzling

作者: 欧德尔丶胡 | 来源:发表于2020-12-07 16:22 被阅读0次

iOS 底层探索：学习大纲 OC篇

前言

在Objective-C中调用一个方法，其实是向一个对象发送消息，查找消息的唯一依据是selector的名字。利用Objective-C的动态特性，可以实现在运行时偷换selector对应的方法实现，即：iOS黑魔法Method-Swizzling
参考：iOS-底层原理 21：Method-Swizzling 方法交换

一、Method-swizzling 的定义

method-swizzling 简单的说就是 方法交换，其主要作用是在运行时将一个方法的实现替换成另一个方法的实现，这就是我们常说的iOS黑魔法；
每个类都维护着一个方法列表，即methodList，methodList中有不同的方法即Method，每个方法中包含了方法的sel和IMP，方法交换就是将sel和imp原本的对应断开，并将sel和新的IMP生成对应关系，如下图：

二、Method-swizzling 相关API

通过sel获取方法Method
- class_getInstanceMethod：获取实例方法
- class_getClassMethod：获取类方法
method_getImplementation：获取一个方法的实现
method_setImplementation：设置一个方法的实现
method_getTypeEncoding：获取方法实现的编码类型
class_addMethod：添加方法实现
class_replaceMethod：用一个方法的实现，替换另一个方法的实现，即aIMP 指向 bIMP，但是bIMP不一定指向aIMP
method_exchangeImplementations：交换两个方法的实现，即 aIMP -> bIMP, bIMP -> aIMP

三、Method-swizzling 使用举例：

method-swizzling最常用的应用是防止数组、字典等越界崩溃

在iOS中NSNumber、NSArray、NSDictionary等这些类都是类簇，一个NSArray的实现可能由多个类组成。所以如果想对NSArray进行Swizzling，必须获取到其“真身”进行Swizzling，直接对NSArray进行操作是无效的。

下面列举了NSArray和NSDictionary本类的类名，可以通过Runtime函数取出本类。

类名	真身
NSArray	__NSArrayI
NSMutableArray	__NSArrayM
NSDictionary	__NSDictionaryI
NSMutableDictionary	__NSDictionaryM

以 NSArray 为例 :创建NSArray的一个分类CJLArray

@implementation NSArray (CJLArray)
//如果下面代码不起作用，造成这个问题的原因大多都是其调用了super load方法。在下面的load方法中，不应该调用父类的load方法。这样会导致方法交换无效
+ (void)load{
    Method fromMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(objectAtIndex:));
    Method toMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(cjl_objectAtIndex:));
    
    method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
}

//如果下面代码不起作用，造成这个问题的原因大多都是其调用了super load方法。在下面的load方法中，不应该调用父类的load方法。这样会导致方法交换无效
- (id)cjl_objectAtIndex:(NSUInteger)index{
    //判断下标是否越界，如果越界就进入异常拦截
    if (self.count-1 < index) {
        // 这里做一下异常处理，不然都不知道出错了。
#ifdef DEBUG  // 调试阶段
        return [self cjl_objectAtIndex:index];
#else // 发布阶段
        @try {
            return [self cjl_objectAtIndex:index];
        } @catch (NSException *exception) {
            // 在崩溃后会打印崩溃信息，方便我们调试。
            NSLog(@"---------- %s Crash Because Method %s  ----------\n", class_getName(self.class), __func__);
            NSLog(@"%@", [exception callStackSymbols]);
            return nil;
        } @finally {
            
        }
#endif
    }else{ // 如果没有问题，则正常进行方法调用
        return [self cjl_objectAtIndex:index];
    }
}

@end

测试：

 NSArray *array = @[@"1", @"2", @"3"];
[array objectAtIndex:3];

打印结果如下，会输出崩溃的日志，但是实际并不会崩溃

image.png

四、Method-swizzling 使用注意点

坑点1： method-swizzling使用过程中的一次性问题

问题：所谓的一次性就是：mehod-swizzling写在load方法中，而load方法会主动调用多次，这样会导致方法的重复交换，使方法sel的指向又恢复成原来的imp的问题

解决办法：可以通过单例设计原则，使方法交换只执行一次，在OC中可以通过dispatch_once实现单例

+ (void)load{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        [LGRuntimeTool lg_bestMethodSwizzlingWithClass:self oriSEL:@selector(helloword) swizzledSEL:@selector(lg_studentInstanceMethod)];
    });
}

坑点2：子类没有实现，父类实现了

在下面这段代码中，LGPerson中实现了personInstanceMethod，而LGStudent继承自LGPerson，没有实现personInstanceMethod，运行下面这段代码会出现什么问题？

//*********LGPerson类*********
@interface LGPerson : NSObject
- (void)personInstanceMethod;
@end

@implementation LGPerson
- (void)personInstanceMethod{
    NSLog(@"person对象方法:%s",__func__);  
}
@end

//*********LGStudent类*********
@interface LGStudent : LGPerson
- (void)helloword;
+ (void)sayHello;
@end

@implementation LGStudent
@end

//*********调用*********
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 黑魔法坑点二: 子类没有实现 - 父类实现
    LGStudent *s = [[LGStudent alloc] init];
    [s personInstanceMethod];

    LGPerson *p = [[LGPerson alloc] init];
    [p personInstanceMethod];
}

其中，方法交换代码如下，是通过LGStudent的分类LG实现

@implementation LGStudent (LG)

+ (void)load{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        [LGRuntimeTool lg_methodSwizzlingWithClass:self oriSEL:@selector(personInstanceMethod) swizzledSEL:@selector(lg_studentInstanceMethod)];
    });
}

// personInstanceMethod 我需要父类的这个方法的一些东西
// 给你加一个personInstanceMethod 方法
// imp

- (void)lg_studentInstanceMethod{
    ////是否会产生递归？--不会产生递归，原因是lg_studentInstanceMethod 会走 oriIMP，即personInstanceMethod的实现中去
    [self lg_studentInstanceMethod];
    NSLog(@"LGStudent分类添加的lg对象方法:%s",__func__);
}

@end

下面是封装好的method-swizzling方法

@implementation LGRuntimeTool
+ (void)lg_methodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL{

    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");

    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);
    method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
}

通过实际代码的调试，发现会在p调用personInstanceMethod方法时崩溃，下面来进行详细说明

image

[s personInstanceMethod];中不报错是因为 student中的imp交换成了lg_studentInstanceMethod，而LGStudent中有这个方法（在LG分类中），所以不会报错
崩溃的点在于[p personInstanceMethod];，其本质原因：LGStudent的分类LG中进行了方法交换，将person中imp 交换成了 LGStudent中的lg_studentInstanceMethod，然后需要去 LGPerson中的找lg_studentInstanceMethod，但是LGPerson中没有lg_studentInstanceMethod方法，即相关的imp找不到，所以就崩溃了

优化：避免imp找不到

通过class_addMethod尝试添加你要交换的方法

如果添加成功，即类中没有这个方法，则通过class_replaceMethod进行替换，其内部会调用class_addMethod进行添加
如果添加不成功，即类中有这个方法，则通过method_exchangeImplementations进行交换

+ (void)lg_betterMethodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL{

    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");

    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);

    // 一般交换方法: 交换自己有的方法 -- 走下面 因为自己有意味添加方法失败
    // 交换自己没有实现的方法:
    //   首先第一步:会先尝试给自己添加要交换的方法 :personInstanceMethod (SEL) -> swiMethod(IMP)
    //   然后再将父类的IMP给swizzle  personInstanceMethod(imp) -> swizzledSEL 

    BOOL success = class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));

    if (success) {// 自己没有 - 交换 - 没有父类进行处理 (重写一个)
        class_replaceMethod(cls, swizzledSEL, method_getImplementation(oriMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    }else{ // 自己有
        method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
    }   
}

下面是class_replaceMethod、class_addMethod和method_exchangeImplementations的源码实现

image

其中class_replaceMethod和class_addMethod中都调用了addMethod方法，区别在于bool值的判断，下面是addMethod的源码实现

image

坑点3：子类没有实现，父类也没有实现，下面的调用有什么问题？

在调用personInstanceMethod方法时，父类LGPerson中只有声明，没有实现，子类LGStudent中既没有声明，也没有实现

//*********LGPerson类*********
@interface LGPerson : NSObject
- (void)personInstanceMethod;
@end

@implementation LGPerson
@end

//*********LGStudent类*********
@interface LGStudent : LGPerson
- (void)helloword;
+ (void)sayHello;
@end

@implementation LGStudent
@end

//*********调用*********
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 黑魔法坑点二: 子类没有实现 - 父类实现
    LGStudent *s = [[LGStudent alloc] init];
    [s personInstanceMethod];

    LGPerson *p = [[LGPerson alloc] init];
    [p personInstanceMethod];
}

经过调试，发现运行代码会崩溃，报错结果如下所示

image

原因是 栈溢出，递归死循环了，那么为什么会发生递归呢？----主要是因为 personInstanceMethod没有实现，然后在方法交换时，始终都找不到oriMethod，然后交换了寂寞，即交换失败，当我们调用personInstanceMethod（oriMethod）时，也就是oriMethod会进入LG中lg_studentInstanceMethod方法，然后这个方法中又调用了lg_studentInstanceMethod，此时的lg_studentInstanceMethod并没有指向oriMethod ，然后导致了自己调自己，即递归死循环

优化：避免递归死循环

如果oriMethod为空，为了避免方法交换没有意义，而被废弃，需要做一些事情
- 通过class_addMethod给oriSEL添加swiMethod方法
- 通过method_setImplementation将swiMethod的IMP指向不做任何事的空实现

+ (void)lg_bestMethodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL{

    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");

    Method oriMethod = class_getInstanceMethod(cls, oriSEL);
    Method swiMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSEL);

    if (!oriMethod) {
        // 在oriMethod为nil时，替换后将swizzledSEL复制一个不做任何事的空实现,代码如下:
        class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(swiMethod));
        method_setImplementation(swiMethod, imp_implementationWithBlock(^(id self, SEL _cmd){ }));
    }

    // 一般交换方法: 交换自己有的方法 -- 走下面 因为自己有意味添加方法失败
    // 交换自己没有实现的方法:
    //   首先第一步:会先尝试给自己添加要交换的方法 :personInstanceMethod (SEL) -> swiMethod(IMP)
    //   然后再将父类的IMP给swizzle  personInstanceMethod(imp) -> swizzledSEL
    //oriSEL:personInstanceMethod

    BOOL didAddMethod = class_addMethod(cls, oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(swiMethod));
    if (didAddMethod) {
        class_replaceMethod(cls, swizzledSEL, method_getImplementation(oriMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    }else{
        method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
    }

}

三、 method-swizzling - 类方法

类方法和实例方法的method-swizzling的原理是类似的，唯一的区别是类方法存在元类中，所以可以做如下操作

LGStudent中只有类方法sayHello的声明，没有实现

@interface LGStudent : LGPerson
- (void)helloword;
+ (void)sayHello;
@end

@implementation LGStudent

@end

在LGStudent的分类的load方法中实现类方法的方法交换

+ (void)load{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
         [LGRuntimeTool lg_bestClassMethodSwizzlingWithClass:self oriSEL:@selector(sayHello) swizzledSEL:@selector(lg_studentClassMethod)];
    });
}
+ (void)lg_studentClassMethod{
    NSLog(@"LGStudent分类添加的lg类方法:%s",__func__);
   [[self class] lg_studentClassMethod];
}

封装的类方法的方法交换如下
- 需要通过class_getClassMethod方法获取类方法
- 在调用class_addMethod和class_replaceMethod方法添加和替换时，需要传入的类是元类，元类可以通过object_getClass方法获取类的元类

//封装的method-swizzling方法
+ (void)lg_bestClassMethodSwizzlingWithClass:(Class)cls oriSEL:(SEL)oriSEL swizzledSEL:(SEL)swizzledSEL{

    if (!cls) NSLog(@"传入的交换类不能为空");

    Method oriMethod = class_getClassMethod([cls class], oriSEL);
    Method swiMethod = class_getClassMethod([cls class], swizzledSEL);

    if (!oriMethod) { // 避免动作没有意义
        // 在oriMethod为nil时，替换后将swizzledSEL复制一个不做任何事的空实现,代码如下:
        class_addMethod(object_getClass(cls), oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(swiMethod));
        method_setImplementation(swiMethod, imp_implementationWithBlock(^(id self, SEL _cmd){
            NSLog(@"来了一个空的 imp");
        }));
    }

    // 一般交换方法: 交换自己有的方法 -- 走下面 因为自己有意味添加方法失败
    // 交换自己没有实现的方法:
    //   首先第一步:会先尝试给自己添加要交换的方法 :personInstanceMethod (SEL) -> swiMethod(IMP)
    //   然后再将父类的IMP给swizzle  personInstanceMethod(imp) -> swizzledSEL
    //oriSEL:personInstanceMethod

    BOOL didAddMethod = class_addMethod(object_getClass(cls), oriSEL, method_getImplementation(swiMethod), method_getTypeEncoding(swiMethod));

    if (didAddMethod) {
        class_replaceMethod(object_getClass(cls), swizzledSEL, method_getImplementation(oriMethod), method_getTypeEncoding(oriMethod));
    }else{
        method_exchangeImplementations(oriMethod, swiMethod);
    }

}

调用如下

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [LGStudent sayHello];
}

运行结果如下，由于符合方法没有实现，所以会走到空的imp中
image

iOS 底层探索：黑魔法 Method-Swizzling

前言

一、Method-swizzling 的定义

二、Method-swizzling 相关API

三、Method-swizzling 使用举例：

四、Method-swizzling 使用注意点

坑点1： method-swizzling使用过程中的一次性问题

坑点2：子类没有实现，父类实现了

坑点3：子类没有实现，父类也没有实现，下面的调用有什么问题？

三、 method-swizzling - 类方法

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