本文主要是对objc_msgSend的分析理解, 在分析cache_t的流程时, 我们只分析了写入流程, 其实还有一个cache读取流程, 有objc_msgSend和cache_getImp.
先来了解一下runtime
- runtime : 简称运行时。OC就是运行时机制，也就是在运行时候的一些机制，其中最主要的是消息机制。
- 对于C语言，函数的调用在编译的时候会决定调用哪个函数(在编译阶段，C语言调用未实现的函数就会报错)。
- 对于OC的函数，属于动态调用过程，在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用( 在编译阶段，OC可以调用任何函数，即使这个函数并未实现，只要声明过就不会报错)。
runtime的使用有以下三种方式, 其三种实现方法与编译层和底层的关系如下:
- 通过OC代码, 例如:
[person sayHello]. - 通过NSObject方法, 例如:
isKindOfClass. - 通过runtime API, 例如:
class_getInstanceSize.
runtime三种方式以及底层的关系
其中Compiler就是我们了解的编译器, 即LLVM, 例如alloc对应的底层库objc_alloc, runtime system libarary就是底层库.
探索方法的本质
用clang将代码编译成C++, 我们来查看方法的实现:
//main.m中方法的调用
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
[person sayNB];
[person sayHello];
//👇clang编译后的底层实现
LGPerson *person = ((LGPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayNB"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));
//我们查看编译后的代码, 发现方法的本质就是消息发送objc_msgSeng, 我们也可以用objc_msgSeng来完成方法的调用, 如下:
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
objc_msgSend(person,sel_registerName("sayNB"));
[person sayNB];
最后发现都可以打印出来LGPerson 的 sayNB方法 输入 666
以上使用objc_msgSend直接来调用方法需要注意:
- 直接调用objc_msgSend，需要导入头文件
#import <objc/message.h>. - 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.
objc_msgSengSuper探索
我们通过一下方法代码来进行调试:
@interface LGTeacher : NSObject
- (void)sayHello;
@end
@implementation LGTeacher
- (void)sayHello{
NSLog(@"666");
}
@end
@interface LGPerson : LGTeacher
- (void)sayHello;
- (void)sayNB;
@end
@implementation LGPerson
- (void)sayNB{
NSLog(@"666");
}
@end
//如上LGPerson类并没有实现sayHello, 而在其父类中却实现了该方法, 我们通过以下代码来测试
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
LGTeacher *teacher = [LGTeacher alloc];
[person sayHello];
struct objc_super lgsuper;
lgsuper.receiver = person; //消息的接收者还是person
lgsuper.super_class = [LGTeacher class]; //告诉父类是谁
//消息的接受者还是自己 - 父类 - 请你直接找我的父亲
objc_msgSendSuper(&lgsuper, sel_registerName("sayHello"));
//打印结果为输出两次: LGTeacher 666
通过以上代码的调试, 我们发现不论是 [person sayHello]还是objc_msgSendSuper都执行的是父类中sayHello的实现，所以这里，我们可以作一个猜测：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.
objc_msgSend快速查找流程分析
先来一张总结图片, 图片来源Cooci 你要问我Cooci是谁, 不告诉你
objc_msgSend流程分析.png
在objc40-781代码中, 全局搜索objc_msgSend, 这里我们只看真机环境arm64, 发现代码是汇编实现, 具体代码如下:
//---- 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
//通过关键字GetClassFromIsa_p16在arm64中找到实现方法对应如下代码:
.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
tbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f // done if not non-pointer isa -- 判断是否是 nonapointer 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:
//--用于64位系统
#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 ---- 用于32位系统
mov p16, $0
#endif
.endmacro
//通过CacheLookup NORMAL 来找到缓存查找汇编源码:
//！！！！！！！！！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
//以下是最后跳转的汇编函数
.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
.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
最后附上伪代码流程分析(注伪代码逻辑没有那么严谨, 但是有大致的流程分析)
[person sayHello] -> imp ( cache -> bucket (sel imp))
// 获取当前的对象
id person = 0x10000
// 获取isa
isa_t isa = 0x000000
// isa -> class -> cache
cache_t cache = isa + 16字节
// arm64
// mask|buckets 在一起的
buckets = cache & 0x0000ffffffffffff
// 获取mask
mask = cache LSR #48
// 下标 = mask & sel
index = mask & p1
// bucket 从 buckets 遍历的开始 (起始查询的bucket)
bucket = buckets + index * 16 (sel imp = 16)
int count = 0
// CheckMiss $0
do{
if ((bucket == buckets) && (count == 0)){ // 进入第二层判断
// bucket == 第一个元素
// bucket人为设置到最后一个元素
bucket = buckets + mask * 16
count++;
}else if (count == 1) goto CheckMiss
// {imp, sel} = *--bucket
// 缓存的查找的顺序是: 向前查找
bucket--;
imp = bucket.imp;
sel = bucket.sel;
}while (bucket.sel != _cmd) // // bucket里面的sel 是否匹配_cmd
// CacheHit $0
return imp
CheckMiss:
CheckMiss(normal)
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