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iOS底层原理 - 探寻Category本质(一)

iOS底层原理 - 探寻Category本质(一)

作者: hazydream | 来源:发表于2017-11-08 15:37 被阅读50次

面试题引发的思考:

Q: Category的作用是什么?

  • 在不修改原来类的基础上,为一个类扩展方法。

Q: Category的实现原理?

  • Category编译之后的底层结构是struct category_t,里面存储着分类的对象方法、类方法、属性、协议信息;
  • 在程序运行的时候,runtime会将Category的数据,合并到类信息中(类对象、元类对象中)。

Q: Category和Class Extension的区别是什么?

  • Class Extension在编译的时候,它的数据就已经包含在类信息中;
  • Category是在运行时,才会将数据合并到类信息中。

1. 解析:

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)study;
+ (void)exam;
@end

@implementation Person
- (void)study {
    NSLog(@"Person - study");
}
+ (void)exam {
    NSLog(@"Person - exam");
}
@end

// TODO: -----------------  Person (Student)类  -----------------
@interface Person (Student) <NSCopying, NSCoding>
- (void)study;
+ (void)exam;
- (void)study1;
+ (void)exam1;
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;
@end

@implementation Person (Student)
- (void)study {
    NSLog(@"Person (Student) - study");
}
+ (void)exam {
    NSLog(@"Person (Student) - exam");
}
- (void)study1 {
    NSLog(@"Person (Student) - study1");
}
+ (void)exam1 {
    NSLog(@"Person (Student) - exam1");
}
@end

// TODO: -----------------  Person (Teacher)类  -----------------
@interface Person (Teacher)
- (void)study;
@end

@implementation Person (Teacher)
- (void)study {
    NSLog(@"Person (Teacher) - study");
}
@end

// TODO: ----------------- ViewController类  -----------------
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    Person *person = [[Person alloc] init];
    [person study];
    [person study1];
    [Person exam];
    [Person exam1];
}

根据iOS底层原理 - OC对象的本质(二)可知:
Person的instance对象调用对象方法study时,通过instance对象的isa找到class对象,最后找到对象方法的实现进行调用。

Q: 那又是怎样调用Person分类的对象方法study1呢?
是通过instance对象的isa找到一个category-class对象,然后找到对象方法的实现进行调用吗?

实际上是:

  • 一个instance对象,只有一个class对象。
  • class对象会把本身以及分类的对象方法放到class对象中,即study方法、study1方法都在Person的class对象中。
    即当instance调用对象方法studystudy1时,通过instance的isa找到class,最后找到对象方法的实现进行调用。
  • 同理meta-class对象会把本身以及分类的类方法放到meta-class对象中。即exam方法、exam1方法都在Person的meta-class对象中。
    即当Person调用类方法examexam1时,通过class的isa找到meta-class,最后找到类方法的实现进行调用。

2. Category底层结构:

OC源码objc-runtime-new.h文件可知:

category_t结构体

OC源码可知:

  • Category本质是category_t结构体;
  • category_t结构体存储着对象方法、类方法、协议、属性;
  • category_t结构体没有成员变量的定义,说明分类是不允许添加成员变量;
  • 分类中添加的属性不会生成成员变量,只会生成get方法、set方法的声明,需要我们自己去实现。

对以上结论进行实例分析:

  • 通过命令行语句xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Preson+Student.m将获得C++文件,文件中可以找到category_t结构体:
category_t结构体

category_t结构体与OC源码中一样。

通过category_t可以找到_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Student

_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Student

_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Student结构体中的参数与category_t结构体中的参数一一对应,分别对应类名、_class_t结构体、对象方法、类方法、协议、属性。

接着通过_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_Student找到instance_methods实现:

instance_methods实现

里面有两个方法studystudy1,这是我们在分类中定义的对象方法。

接着通过_OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_Person_$_Student找到class_methods实现:

class_methods实现

里面有两个方法examexam1,这是我们在分类中定义的类方法。

接着通过_OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_Person_$_Student找到protocols实现:

protocols实现

里面有两个协议NSCopyingNSCoding,这是我们在分类中遵守的协议。

接着通过_OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_Student找到properties实现:

properties实现

里面有两个参数nameage,这是我们在分类中定义的属性。

由以上分析可知:

分类源码中将我们定义的对象方法、类方法、协议、属性等都存放在catagory_t结构体中。

2. catagory_t存储方式:

现在通过runtime源码查看catagory_t存储的对象方法、类方法、属性、协议等是如何存储在类对象中的。

首先找到runtime初始化函数_objc_init

runtime初始化函数

然后通过&map_images读取模块找到map_images函数:

map_images函数

然后通过map_images_nolock找到_read_images函数:

map_images_nolock函数

然后通过_read_images找到Discover categories分类相关代码:

Discover categories

Discover categories分类相关代码可知:
搜索分类信息,也就是说这段代码的功能是用来查找是否有分类。
通过_getObjc2CategoryList函数获取到分类列表以后,再进行遍历,获得其中的方法、协议、属性等;
然后通过remethodizeClass函数重新组织类方法,我们进入remethodizeClass函数内部:

remethodizeClass函数

remethodizeClass函数相关代码可知:
attachCategories函数传入了对象cls和分类数组cats,对两者进行相关操作。我们进入attachCategories函数内部:

attachCategories函数

由前文分析可知:
分类信息存储在category_t结构体中,而一个类可以有多个分类,则多个分类就保存在categroy_list中。

根据以上源码对对象方法的操作进行分析:

  • 首先通过malloc分配内存空间来存储方法数组;
  • 然后通过遍历取出分类中对象的方法列表;
  • 得到class_rw_t结构体rw,并通过attachList函数将所有分类的对象方法附加到类对象的方法列表中。

由以上代码可知:
attachCategories函数对类方法、属性、协议的处理与对象方法同理。

接下来进入attachList函数内部:

attachList函数

其中有两个函数:

  • memmove内存移动:
    void *memmove(void *__dst, const void *__src, size_t __len);
    __src的内存移动__len块内存到__dst
  • memcpy内存拷贝:
    void *memcpy(void *__dst, const void *__src, size_t __n);
    __src的内存拷贝__n块内存到__dst

根据以上代码分析:

  • addedLists是所有分类的方法列表、属性列表、协议列表,addedCount是分类的个数;
  • array()->lists是类的方法列表、属性列表、协议列表,array()->count是原来的个数;
  • memmove函数:将array()->lists的内存移动oldCount * sizeof(array()->lists[0])块内存到array()->lists + addedCount中;
  • memcpy函数:将addedLists的内存复制addedCount * sizeof(array()->lists[0])块内存到array()->lists中。

根据最初的代码分析:

代码包括:Person类,分类Person+Teacher和分类Person+Student,
array()->lists是类的方法列表,array()->count1,结构显示如下:

方法列表初始结构

通过realloc函数重新分配内存,addedLists包括分类Person+Teacher和分类Person+Student的方法列表,addedCount2,结构显示如下:

重新分配内存之后的结构
  • 通过memmove函数将array()->lists的内存移动oldCount * sizeof(array()->lists[0])块内存到array()->lists + addedCount
    即将类的方法列表的内存移动1块内存到原地址+2的内存中。

  • 通过memcpy函数将addedLists的内存复制addedCount * sizeof(array()->lists[0])块内存到array()->lists
    即将两个分类的方法列表的内存移动2块内存到原地址的内存中。
    结构显示如下:

memmove、memcpy之后的结构

由以上分析可知:

  • 分类的方法列表追加到类的方法列表前面,保证了分类方法的优先调用
  • 分类重写类的方法,不是覆盖,而是优先调用,类的方法存在最后的内存中
  • 多个分类和类有同样的方法时,调用方法是按照分类的编译顺序逆序排列,示例如下:
方法调用顺序

同理可知:
分类的属性、协议的处理与分类的方法同理。

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