iOS底层系列13 -- 消息流程的慢速查找

• 在上一篇 iOS底层系列12 -- 消息流程的快速查找详细阐述了方法快速查找的逻辑过程，如果在class的cache_t中没有找到对应sel的imp就会执行CheckMiss $0或者JumpMiss $0，其中$0 = NORMAL；

• CheckMiss $0汇编代码如下：

.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

• JumpMiss $0汇编代码如下：

.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

• 两者最终都会执行 __objc_msgSend_uncached函数 其汇编实现如下：

STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
    UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves

    // THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
    // Out-of-band p16 is the class to search
    
    MethodTableLookup
    TailCallFunctionPointer x17

    END_ENTRY __objc_msgSend_uncached

• 其内部调用了MethodTableLookup其汇编实现如下：

.macro MethodTableLookup
    // push frame
    SignLR
    stp fp, lr, [sp, #-16]!
    mov fp, sp

    // save parameter registers: x0..x8, q0..q7
    sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
    stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    str x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    mov x2, x16
    mov x3, #3
    bl  _lookUpImpOrForward

    // IMP in x0
    mov x17, x0
    
    // restore registers and return
    ldp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    ldp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    ldp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    ldp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    ldp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    ldp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    ldp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    ldp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    ldr x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    mov sp, fp
    ldp fp, lr, [sp], #16
    AuthenticateLR

.endmacro

• 看到其内部调用了_lookUpImpOrForward函数，在objc源码工程中全局搜索lookUpImpOrForward，发现在objc-runtime-new.mm文件中有lookUpImpOrForward的函数实现，用C/C++实现的，代码如下：

IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    //1>定义的消息转发
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
    IMP imp = nil;
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    //2>优先从当前类的缓存中查找
    if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) {
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        //若在缓存中找到，直接返回imp去执行
        if (imp) goto done_nolock;
    }

    runtimeLock.lock();
    //3>判断是否是一个已知的类：判断当前类是否是已经被认可的类，即已经加载的类
    checkIsKnownClass(cls);
   //4>判断类是否实现，如果没有，需要先实现，此时的目的是为了确定父类链，方法后续的循环
    if (slowpath(!cls->isRealized())) {
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }
    //5>判断类是否初始化，如果没有，需要先初始化
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) {
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

    runtimeLock.assertLocked();
    curClass = cls;

    //6>查找类的方法列表
    // unreasonableClassCount -- 表示类的迭代的上限
    //（猜测这里递归的原因是attempts在第一次循环时作了减一操作，然后再次循环时,仍在上限的范围内，所以可以继续递归）
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) {
        //6.1>使用二分法在当前类中寻找
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            //在当前类中找到，直接返回imp，然后去执行
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
       //6.2>在类的继承链或者元类的继承链上，一直递归到父类nil都没有找到目标imp
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //使用消息转发，直接返回forward_imp
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        //如果父类链中存在循环，则停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

       //此时的curClass=当前类的父类
       //6.3>从父类的缓存中查找目标imp
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
      //如果在父类中找到了forward，则停止查找，且不缓存，首先调用此类的方法解析器
        if (slowpath(imp == forward_imp)) {
           //直接返回imp == forward_imp
            break;
        }
       //6.4>如果在父类中，找到了此方法，将其存储到当前类cache中 注意不是父类的 
        if (fastpath(imp)) {
            goto done;
        }
    }

    //6.5>没有找到方法实现，尝试一次方法解析
    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER;
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

 done:
    //将目标imp存储到缓存
    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
    runtimeLock.unlock();
 done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;
}

• 具体的实现逻辑，在代码中都添加了详细的注释；

慢查找的逻辑总结：

• 优先查找当前类的cache，命中直接返回，且缓存；
• 当前类的cache未命中，在当前类的继承链上/元类的继承链上进行查找，是一个递归的查找过程，查找之前会对类Class进行一些判断检测；
  • 判断当前类是否是一个已知的类即判断当前类是否是已经被认可的类；
  • 判断当前类是否实现，如果没有实现，需要先实现类，会依次调用realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked-->realizeClassMaybeSwiftMaybeRelock-->realizeClassWithoutSwift函数；
  • 判断当前类是否初始化，如果没有，需要先初始化，会依次调用initializeAndLeaveLocked-->initializeAndMaybeRelock-->initializeNonMetaClass函数；
  • 当前类使用二分法进行查找即执行getMethodNoSuper_nolock()，找到直接返回，且缓存到类Class的cache_t中，即执行log_and_fill_cache()
  • 当前类中未找到，去当前类的父类中查找且会一直递归到nil，找到直接返回且将其存储到当前类cache中 注意不是父类的cache，若在父类中找到了forward，返回forward，不会缓存；
• 没有找到方法实现，尝试一次方法解析，即执行resolveMethod_locked()；