漫谈 objc_msgSend

你肯定听过 oc 的本质就是发消息这句话, 这篇文章就来介绍一下 objc_msgSend 是什么以及它是如何工作的。

OC 发消息机制

Objective-C 的底层实现是 C, C 语言使用的是静态绑定, 也就是说, 当程序在编译期就知道了程序在运行期所调用的函数, 而 OC 则是动态绑定, 也就是当程序在运行期的时候才能知道具体调用什么方法。
　　我们常常会写到[object messageName:parameter], 其中 object 叫做"接收者", messageName 叫做"选择子", parameter 为参数, 选择子和参数结合起来成为"消息"。
　　编译期看到此消息后, 会将其转换为 objc_msgSend 来调用, 这个函数会根据接受者和选择子的类型来寻找并调用合适的方法, 在每个对象所属的类中, 有一个"方法列表(objc_method_list)", 里面存了该类所有的"方法(objc_method)", 每个"方法"里包含 "方法名称(SEL)" 和 "函数指针(IMP)", "函数指针"指向该方法的地址, 在每个对象所属的类里面还有一个"快速映射表(objc_cache)", 当 object 发消息并且该消息没有在"快速映射表"里时候, 会先判断本类是否有与选择子名称相同的方法, 如果有会将该方法缓存起来并执行, 当后续还使用该类调用了同样的方法时, 会先去快速映射表里寻找

什么是 objc_msgSend?

objc_msgSend 的原型为:

void objc_msgSend(id self, SEL cmd, ...)

这是个"参数个数可变的函数", 可以接收两个或两个以上的参数。第一个参数为接收者, 第二个参数为选择子, 后续参数为消息中的一些参数。
　　编译期会把刚刚上述的[object messageName:parameter]转换为下面这样的函数:

objc_msgSend(object, @selector(messageName:), parameter);

然后 objc_msgSend 函数会根据接收者和选择子的类型来调用适当的方法。

下面为上述objc_method_list和objc_cache的结构
具体代码在苹果官方开源网站上: objc-runtime.h

struct objc_method_list {
#if defined(Release3CompatibilityBuild)
        struct objc_method_list *method_next;
#else
    struct objc_method_list *obsolete;
#endif

    int method_count;
#ifdef __alpha__
    int space;
#endif
    struct objc_method {
        SEL method_name;
        char *method_types;
        IMP method_imp;
    } method_list[1];       /* variable length structure */
};

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_cache {
    unsigned int mask;            /* total = mask + 1 */
    unsigned int occupied;        
    Method buckets[1];
};

objc_method_list 是用于储存 objc_method 的数组列表
objc_cache 是用于缓存调用过的 method
Method 是 objc_method 结构体的指针

消息派发(消息传递)

上述说到 objc_msgSend 函数会根据接收者和选择子的类型来调用适当的方法, 操作流程如下:

• 该方法会先在接收者所属的类 objc_method_list 中搜索, 如果能找到选择子与方法名称相同的方法则执行
• 如果找不到, 就会沿着继承体系向上寻找, 如果找到则执行
• 如果最终还是没有找到与之对应的方法, 那么将会触发"消息转发"的机制

消息转发

当接收者所属的类与向上的继承体系都没有找到该方法的时候, 会出发消息转发, 我们一定遇到过这样的问题

-[__NSCFConstantString setTitle:forState:]: unrecognized selector sent to instance 0x100fb0200

*** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', 

reason: '-[__NSCFConstantString setTitle:forState:]: unrecognized selector sent to instance 0x100fb0200'

这段异常信息是有 NSObject 的 doesNotRecognizeSelector 所抛出的, 就是 __NSCFConstantString 无法处理 setTitle:forState: 这个方法, 在经过了一系列的消息转发后由 NSInvocation把这条消息所有的信息封装起来, 调用了 NSObject 类的方法 doesNotRecognizeSelector 抛出异常。

消息转发分为三步:

• 动态方法解析

  对象在收到无法处理的消息时, 会先调用所属类的 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 方法, 这个方法会判断这个类能否新增一个实例方法来处理这个选择子, 如果是收到的是类方法, 那么会调用 + (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel 来判断。
  　　上述方法执行的条件必须开发者已经写好了具体实现代码, 只是让系统在运行期动态新增方法

• 备援接收者

  如果第一步无法处理这条消息, 那么在备援接收者这一步, 会调用 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 来寻找接收者是否有备援接收者, 如果有则返回该对象, 然后由这个对象去处理这条消息, 没有的话则返回 nil, 返回 nil 说明这条消息没有备援接收者, 然后会启用完整的消息转发。

• 完整的消息转发

  如果转发算法已经到了这里, 那么就要启用完整的消息转发机制了。首先系统会创建 NSInvocation 对象, 把那条消息有关的全部信息封装到这个对象中, 然后"消息派发系统"会调用
  - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
  把消息指派给目标对象。
  　　实现此方法时, 会先判断本类是否可以处理此方法, 如果不可以, 则会向上调用父类的方法, 直到 NSObject。 如果最后调到了NSObject 类的方法时, 仍未处理这条消息, 那么会调用 doesNotRecognizeSelector 方法来抛出异常。

总结

• [object messageName:parameter] 会先在编译期转为 objc_msgSend(object, @selector(messageName:), parameter)
• 在运行期根据对象所在类下的 objc_method_list 或 objc_cache 寻找可执行的方法并执行
• 如果找不到会沿继承体系向上查找可执行方法来执行
• 如果仍然找不到会触发消息转发机制, 判断这个类能否新增一个实例方法来处理这个选择子
• 无法处理则寻找接收者是否有备援接收者, 并由备援接收者处理消息
• 创建并封装 NSInvocation 对象, "消息派发系统"把消息指派给目标对象, 一直向上调用父类方法, 到 NSObject 后仍未处理, 则抛出异常