Runtime加载过程

作者: 刘小壮 | 来源:发表于2018-05-19 18:26 被阅读1677次

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博客配图

程序加载过程

在iOS程序中会用到很多系统的动态库，这些动态库都是动态加载的。所有iOS程序共用一套系统动态库，在程序开始运行时才会开始链接动态库。

the dynamic link editor

除了在项目设置里显式出现的动态库外，还会有一些隐式存在的动态库。例如objc和Runtime所属的libobjc.dyld和libSystem.dyld，在libSystem中包含常用的libdispatch(GCD)、libsystem_c(C语言基础库)、libsystem_blocks(Block)等。

使用动态库的优点：

防止重复。iOS系统中所有App公用一套系统动态库，防止重复的内存占用。
减少包体积。因为系统动态库被内置到iOS系统中，所以打包时不需要把这部分代码打进去，可以减小包体积。
动态性。因为系统动态库是动态加载的，所以可以在更新系统后，将动态库换成新的动态库。

加载过程

在应用程序启动后，由dyld(the dynamic link editor)进行程序的初始化操作。大概流程就像下面列出的步骤，其中第3、4、5步会执行多次，在ImageLoader加载新的image进内存后就会执行一次。

在引用程序启动后，由dyld将应用程序加载到二进制中，并完成一些文件的初始化操作。
Runtime向dyld中注册回调函数。
通过ImageLoader将所有image加载到内存中。
dyld在image发生改变时，主动调用回调函数。
Runtime接收到dyld的函数回调，开始执行map_images、load_images等操作，并回调+load方法。
调用main()函数，开始执行业务代码。

ImageLoader是image的加载器，image可以理解为编译后的二进制。

下面是在Runtime的map_images函数打断点，观察回调情况的汇编代码。可以看出，调用是由dyld发起的，由ImageLoader通知dyld进行调用。

汇编调用

关于dyld我并没有深入研究，有兴趣的同学可以到Github上下载源码研究一下。

动态加载

一个OC程序可以在运行过程中动态加载和链接新类或Category，新类或Category会加载到程序中，其处理方式和其他类是相同的。动态加载还可以做许多不同的事，动态加载允许应用程序进行自定义处理。

OC提供了objc_loadModules运行时函数，执行Mach-O中模块的动态加载，在上层NSBundle对象提供了更简单的访问API。

map images

在Runtime加载时，会调用_objc_init函数，并在内部注册三个函数指针。其中map_images函数是初始化的关键，内部完成了大量Runtime环境的初始化操作。

在map_images函数中，内部也是做了一个调用中转。然后调用到map_images_nolock函数，内部核心就是_read_images函数。

void _objc_init(void)
{
    // .... 各种init
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}

void map_images(unsigned count, const char * const paths[],
           const struct mach_header * const mhdrs[])
{
    rwlock_writer_t lock(runtimeLock);
    return map_images_nolock(count, paths, mhdrs);
}

void map_images_nolock(unsigned mhCount, const char * const mhPaths[],
                  const struct mach_header * const mhdrs[])
{
    if (hCount > 0) {
        _read_images(hList, hCount, totalClasses, unoptimizedTotalClasses);
    }
}

在_read_images函数中完成了大量的初始化操作，函数内部代码量比较大，下面是精简版带注释的源代码。

先整体梳理一遍_read_images函数内部的逻辑：

加载所有类到类的gdb_objc_realized_classes表中。
对所有类做重映射。
将所有SEL都注册到namedSelectors表中。
修复函数指针遗留。
将所有Protocol都添加到protocol_map表中。
对所有Protocol做重映射。
初始化所有非懒加载的类，进行rw、ro等操作。
遍历已标记的懒加载的类，并做初始化操作。
处理所有Category，包括Class和Meta Class。
初始化所有未初始化的类。

void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount, int totalClasses, int unoptimizedTotalClasses)
{
    header_info *hi;
    uint32_t hIndex;
    size_t count;
    size_t i;
    Class *resolvedFutureClasses = nil;
    size_t resolvedFutureClassCount = 0;
    static bool doneOnce;
    TimeLogger ts(PrintImageTimes);

#define EACH_HEADER \
    hIndex = 0;         \
    hIndex < hCount && (hi = hList[hIndex]); \
    hIndex++

    if (!doneOnce) {
        doneOnce = YES;
        // 实例化存储类的哈希表，并且根据当前类数量做动态扩容
        int namedClassesSize = 
            (isPreoptimized() ? unoptimizedTotalClasses : totalClasses) * 4 / 3;
        gdb_objc_realized_classes =
            NXCreateMapTable(NXStrValueMapPrototype, namedClassesSize);
    }

    // 由编译器读取类列表，并将所有类添加到类的哈希表中，并且标记懒加载的类并初始化内存空间
    for (EACH_HEADER) {
        if (! mustReadClasses(hi)) {
            continue;
        }

        bool headerIsBundle = hi->isBundle();
        bool headerIsPreoptimized = hi->isPreoptimized();

        /** 将新类添加到哈希表中 */
        
        // 从编译后的类列表中取出所有类，获取到的是一个classref_t类型的指针
        classref_t *classlist = _getObjc2ClassList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            // 数组中会取出OS_dispatch_queue_concurrent、OS_xpc_object、NSRunloop等系统类，例如CF、Fundation、libdispatch中的类。以及自己创建的类
            Class cls = (Class)classlist[i];
            // 通过readClass函数获取处理后的新类，内部主要操作ro和rw结构体
            Class newCls = readClass(cls, headerIsBundle, headerIsPreoptimized);

            // 初始化所有懒加载的类需要的内存空间
            if (newCls != cls  &&  newCls) {
                // 将懒加载的类添加到数组中
                resolvedFutureClasses = (Class *)
                    realloc(resolvedFutureClasses, 
                            (resolvedFutureClassCount+1) * sizeof(Class));
                resolvedFutureClasses[resolvedFutureClassCount++] = newCls;
            }
        }
    }
    
    // 将未映射Class和Super Class重映射，被remap的类都是非懒加载的类
    if (!noClassesRemapped()) {
        for (EACH_HEADER) {
            // 重映射Class，注意是从_getObjc2ClassRefs函数中取出类的引用
            Class *classrefs = _getObjc2ClassRefs(hi, &count);
            for (i = 0; i < count; i++) {
                remapClassRef(&classrefs[i]);
            }
            // 重映射父类
            classrefs = _getObjc2SuperRefs(hi, &count);
            for (i = 0; i < count; i++) {
                remapClassRef(&classrefs[i]);
            }
        }
    }

    // 将所有SEL都注册到哈希表中，是另外一张哈希表
    static size_t UnfixedSelectors;
    sel_lock();
    for (EACH_HEADER) {
        if (hi->isPreoptimized()) continue;

        bool isBundle = hi->isBundle();
        SEL *sels = _getObjc2SelectorRefs(hi, &count);
        UnfixedSelectors += count;
        for (i = 0; i < count; i++) {
            const char *name = sel_cname(sels[i]);
            // 注册SEL的操作
            sels[i] = sel_registerNameNoLock(name, isBundle);
        }
    }

    // 修复旧的函数指针调用遗留
    for (EACH_HEADER) {
        message_ref_t *refs = _getObjc2MessageRefs(hi, &count);
        if (count == 0) continue;
        for (i = 0; i < count; i++) {
            // 内部将常用的alloc、objc_msgSend等函数指针进行注册，并fix为新的函数指针
            fixupMessageRef(refs+i);
        }
    }

    // 遍历所有协议列表，并且将协议列表加载到Protocol的哈希表中
    for (EACH_HEADER) {
        extern objc_class OBJC_CLASS_$_Protocol;
        // cls = Protocol类，所有协议和对象的结构体都类似，isa都对应Protocol类
        Class cls = (Class)&OBJC_CLASS_$_Protocol;
        assert(cls);
        // 获取protocol哈希表
        NXMapTable *protocol_map = protocols();
        bool isPreoptimized = hi->isPreoptimized();
        bool isBundle = hi->isBundle();

        // 从编译器中读取并初始化Protocol
        protocol_t **protolist = _getObjc2ProtocolList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            readProtocol(protolist[i], cls, protocol_map, 
                         isPreoptimized, isBundle);
        }
    }
    
    // 修复协议列表引用，优化后的images可能是正确的，但是并不确定
    for (EACH_HEADER) {
        // 需要注意到是，下面的函数是_getObjc2ProtocolRefs，和上面的_getObjc2ProtocolList不一样
        protocol_t **protolist = _getObjc2ProtocolRefs(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            remapProtocolRef(&protolist[i]);
        }
    }

    // 实现非懒加载的类，对于load方法和静态实例变量
    for (EACH_HEADER) {
        classref_t *classlist = 
            _getObjc2NonlazyClassList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            Class cls = remapClass(classlist[i]);
            if (!cls) continue;
            // 实现所有非懒加载的类(实例化类对象的一些信息，例如rw)
            realizeClass(cls);
        }
    }

    // 遍历resolvedFutureClasses数组，实现所有懒加载的类
    if (resolvedFutureClasses) {
        for (i = 0; i < resolvedFutureClassCount; i++) {
            // 实现懒加载的类
            realizeClass(resolvedFutureClasses[i]);
            resolvedFutureClasses[i]->setInstancesRequireRawIsa(false/*inherited*/);
        }
        free(resolvedFutureClasses);
    }

    // 发现和处理所有Category
    for (EACH_HEADER) {
        // 外部循环遍历找到当前类，查找类对应的Category数组
        category_t **catlist = 
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();

        // 内部循环遍历当前类的所有Category
        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[i];
            Class cls = remapClass(cat->cls);

            // 首先，通过其所属的类注册Category。如果这个类已经被实现，则重新构造类的方法列表。
            bool classExists = NO;
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
                ||  cat->instanceProperties) 
            {
                // 将Category添加到对应Class的value中，value是Class对应的所有category数组
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                // 将Category的method、protocol、property添加到Class
                if (cls->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
            }

            // 这块和上面逻辑一样，区别在于这块是对Meta Class做操作，而上面则是对Class做操作
            // 根据下面的逻辑，从代码的角度来说，是可以对原类添加Category的
            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
                ||  (hasClassProperties && cat->_classProperties)) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
                if (cls->ISA()->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls->ISA());
                }
            }
        }
    }

    // 初始化从磁盘中加载的所有类，发现Category必须是最后执行的
    // 从runtime objc4-532版本源码来看，DebugNonFragileIvars字段一直是-1，所以不会进入这个方法中
    if (DebugNonFragileIvars) {
        realizeAllClasses();
    }
#undef EACH_HEADER
}

其内部还调用了很多其他函数，后面会详细介绍函数内部实现。

load images

在项目中经常用到load类方法，load类方法的调用时机比main函数还要靠前。load方法是由系统来调用的，并且在整个程序运行期间，只会调用一次，所以可以在load方法中执行一些只执行一次的操作。

一般Method Swizzling都会放在load方法中执行，这样在执行main函数前，就可以对类方法进行交换。可以确保正式执行代码时，方法肯定是被交换过的。

如果对一个类添加Category后，并且重写其原有方法，这样会导致Category中的方法覆盖原类的方法。但是load方法却是例外，所有Category和原类的load方法都会被执行。

源码分析

load方法由Runtime进行调用，下面我们分析一下load方法的实现，load的实现源码都在objc-loadmethod.mm中。

在一个新的工程中，我们创建一个TestObject类，并在其load方法中打一个断点，看一下系统的调用堆栈。

调用堆栈

从调用栈可以看出，是通过系统的动态链接器dyld开始的调用，然后调到Runtime的load_images函数中。load_images函数是通过_dyld_objc_notify_register函数，将自己的函数指针注册给dyld的。

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    lock_init();
    exception_init();

    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}

在load_images函数中主要做了两件事，首先通过prepare_load_methods函数准备Class load list和Category load list，然后通过call_load_methods函数调用已经准备好的两个方法列表。

void
load_images(const char *path __unused, const struct mach_header *mh)
{
    if (!hasLoadMethods((const headerType *)mh)) return;
    prepare_load_methods((const headerType *)mh);
    call_load_methods();
}

首先我们看一下prepare_load_methods函数的实现，看一下其内部是怎么查找load方法的。可以看到，其内部主要分为两部分，查找Class的load方法列表和查找Category方法列表。

准备类的方法列表时，首先通过_getObjc2NonlazyClassList函数获取所有非懒加载类的列表，这时候获取到的是一个classref_t类型的数组，然后遍历数组添加load方法列表。

Category过程也是类似，通过_getObjc2NonlazyCategoryList函数获取所有非懒加载Category的列表，得到一个category_t类型的数组，需要注意的是这是一个指向指针的指针。然后对其进行遍历并添加到load方法列表，Class和Category的load方法列表是两个列表。

void prepare_load_methods(const headerType *mhdr)
{
    size_t count, i;

    // 获取到非懒加载的类的列表
    classref_t *classlist = 
        _getObjc2NonlazyClassList(mhdr, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        // 设置Class的调用列表
        schedule_class_load(remapClass(classlist[i]));
    }
    
    // 获取到非懒加载的Category列表
    category_t **categorylist = _getObjc2NonlazyCategoryList(mhdr, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        category_t *cat = categorylist[i];
        Class cls = remapClass(cat->cls);
        // 忽略弱链接的类别
        if (!cls) continue;
        // 实例化所属的类
        realizeClass(cls);
        // 设置Category的调用列表
        add_category_to_loadable_list(cat);
    }
}

在添加类的load方法列表时，内部会递归遍历把所有父类的load方法都添加进去，顺着继承者链的顺序添加，会先把父类添加在前面。然后会调用add_class_to_loadable_list函数，将自己的load方法添加到对应的数组中。

static void schedule_class_load(Class cls)
{
    if (!cls) return;
    // 已经添加Class的load方法到调用列表中
    if (cls->data()->flags & RW_LOADED) return;

    // 确保super已经被添加到load列表中，默认是整个继承者链的顺序
    schedule_class_load(cls->superclass);
    
    // 将IMP和Class添加到调用列表
    add_class_to_loadable_list(cls);
    // 设置Class的flags，表示已经添加Class到调用列表中
    cls->setInfo(RW_LOADED); 
}

而Category则不需要考虑父类的问题，所以直接在prepare_load_methods函数中遍历Category数组，然后调用add_category_to_loadable_list函数即可。

在add_category_to_loadable_list函数中，会判断当前Category有没有实现load方法，如果没有则直接return，如果实现了则添加到loadable_categories数组中。

类的add_class_to_loadable_list函数内部实现也是类似，区别在于类的数组叫做loadable_classes。

void add_category_to_loadable_list(Category cat)
{
    IMP method;

    // 获取Category的load方法的IMP
    method = _category_getLoadMethod(cat);

    // 如果Category没有load方法则return
    if (!method) return;
    // 如果已使用大小等于数组大小，对数组进行动态扩容
    if (loadable_categories_used == loadable_categories_allocated) {
        loadable_categories_allocated = loadable_categories_allocated*2 + 16;
        loadable_categories = (struct loadable_category *)
            realloc(loadable_categories,
                              loadable_categories_allocated *
                              sizeof(struct loadable_category));
    }

    loadable_categories[loadable_categories_used].cat = cat;
    loadable_categories[loadable_categories_used].method = method;
    loadable_categories_used++;
}

到此为止，loadable_classes和loadable_categories两个数组已经准备好了，load_images会调用call_load_methods函数执行这些load方法。在这个方法中，call_class_loads函数是负责调用类方法列表的，call_category_loads负责调用Category的方法列表。

void call_load_methods(void)
{
    bool more_categories;
    void *pool = objc_autoreleasePoolPush();

    do {
        // 反复执行call_class_loads函数，直到数组中没有可执行的load方法
        while (loadable_classes_used > 0) {
            call_class_loads();
        }
        more_categories = call_category_loads();
    } while (loadable_classes_used > 0  ||  more_categories);

    objc_autoreleasePoolPop(pool);
    loading = NO;
}

下面是调用类方法列表的代码，内部主要是通过对loadable_classes数组进行遍历，并获取到loadable_class的结构体，结构体中存在Class和IMP，然后直接调用即可。

Category的调用方式和类的一样，就不在下面贴代码了。需要注意的是，load方法都是直接调用的，并没有走运行时的objc_msgSend函数。

static void call_class_loads(void)
{
    int i;
    struct loadable_class *classes = loadable_classes;
    int used = loadable_classes_used;
    loadable_classes = nil;
    loadable_classes_allocated = 0;
    loadable_classes_used = 0;
    
    for (i = 0; i < used; i++) {
        Class cls = classes[i].cls;
        load_method_t load_method = (load_method_t)classes[i].method;
        if (!cls) continue; 
        (*load_method)(cls, SEL_load);
    }
    
    if (classes) free(classes);
}

struct loadable_class {
    Class cls;  // may be nil
    IMP method;
};

根据上面的源码分析，我们可以看出load方法的调用顺序应该是“父类 -> 子类 -> 分类”的顺序。因为执行加载Class的时机是在Category之前的，而且load子类之前会先load父类，所以是这种顺序。

initialize

和load方法类似的也有initialize方法，initialize方法也是由Runtime进行调用的，自己不可以直接调用。与load方法不同的是，initialize方法是在第一次调用类所属的方法时，才会调用initialize方法，而load方法是在main函数之前就全部调用了。所以理论上来说initialize可能永远都不会执行，如果当前类的方法永远不被调用的话。

下面我们研究一下initialize在Runtime中的源码。

在向对象发送消息时，lookUpImpOrForward函数中会判断当前类是否被初始化，如果没有被初始化，则先进行初始化再调用类的方法。

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, bool initialize, bool cache, bool resolver);

// ....省略好多代码

// 第一次调用当前类的话，执行initialize的代码
if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
    _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
}

// ....省略好多代码

在进行初始化的时候，和load方法的调用顺序一样，会按照继承者链先初始化父类。_class_initialize函数中关键的两行代码是callInitialize和lockAndFinishInitializing的调用。

// 第一次调用类的方法，初始化类对象
void _class_initialize(Class cls)
{
    Class supercls;
    bool reallyInitialize = NO;

    // 递归初始化父类。initizlize不用显式的调用super，因为runtime已经在内部调用了
    supercls = cls->superclass;
    if (supercls  &&  !supercls->isInitialized()) {
        _class_initialize(supercls);
    }
    
    {
        monitor_locker_t lock(classInitLock);
        if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) {
            cls->setInitializing();
            reallyInitialize = YES;
        }
    }
    
    if (reallyInitialize) {
        _setThisThreadIsInitializingClass(cls);

        if (MultithreadedForkChild) {
            performForkChildInitialize(cls, supercls);
            return;
        }
        @try {
            // 通过objc_msgSend()函数调用initialize方法
            callInitialize(cls);
        }
        @catch (...) {
            @throw;
        }
        @finally {
            // 执行initialize方法后，进行系统的initialize过程
            lockAndFinishInitializing(cls, supercls);
        }
        return;
    }
    
    else if (cls->isInitializing()) {
        if (_thisThreadIsInitializingClass(cls)) {
            return;
        } else if (!MultithreadedForkChild) {
            waitForInitializeToComplete(cls);
            return;
        } else {
            _setThisThreadIsInitializingClass(cls);
            performForkChildInitialize(cls, supercls);
        }
    }
}

通过objc_msgSend函数调用initialize方法。

void callInitialize(Class cls)
{
    ((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);
    asm("");
}

lockAndFinishInitializing函数中会完成一些初始化操作，其内部会调用_finishInitializing函数，在函数内部会调用class的setInitialized函数，核心工作都由setInitialized函数完成。

static void lockAndFinishInitializing(Class cls, Class supercls)
{
    monitor_locker_t lock(classInitLock);
    if (!supercls  ||  supercls->isInitialized()) {
        _finishInitializing(cls, supercls);
    } else {
        _finishInitializingAfter(cls, supercls);
    }
}

负责初始化类和元类，函数内部主要是查找当前类和元类中是否定义了某些方法，然后根据查找结果设置类和元类的一些标志位。

void 
objc_class::setInitialized()
{
    Class metacls;
    Class cls;

    // 获取类和元类对象
    cls = (Class)this;
    metacls = cls->ISA();

    bool inherited;
    bool metaCustomAWZ = NO;
    if (MetaclassNSObjectAWZSwizzled) {
        metaCustomAWZ = YES;
        inherited = NO;
    }
    else if (metacls == classNSObject()->ISA()) {
        // 查找是否实现了alloc和allocWithZone方法
        auto& methods = metacls->data()->methods;
        for (auto mlists = methods.beginCategoryMethodLists(), 
                  end = methods.endCategoryMethodLists(metacls); 
             mlists != end;
             ++mlists)
        {
            if (methodListImplementsAWZ(*mlists)) {
                metaCustomAWZ = YES;
                inherited = NO;
                break;
            }
        }
    }
    else if (metacls->superclass->hasCustomAWZ()) {
        metaCustomAWZ = YES;
        inherited = YES;
    } 
    else {
        auto& methods = metacls->data()->methods;
        for (auto mlists = methods.beginLists(),
                  end = methods.endLists(); 
             mlists != end;
             ++mlists)
        {
            if (methodListImplementsAWZ(*mlists)) {
                metaCustomAWZ = YES;
                inherited = NO;
                break;
            }
        }
    }
    if (!metaCustomAWZ) metacls->setHasDefaultAWZ();
    if (PrintCustomAWZ  &&  metaCustomAWZ) metacls->printCustomAWZ(inherited);

    bool clsCustomRR = NO;
    if (ClassNSObjectRRSwizzled) {
        clsCustomRR = YES;
        inherited = NO;
    }
    // 查找元类是否实现MRC方法，如果是则进入if语句中
    if (cls == classNSObject()) {
        auto& methods = cls->data()->methods;
        for (auto mlists = methods.beginCategoryMethodLists(), 
                  end = methods.endCategoryMethodLists(cls); 
             mlists != end;
             ++mlists)
        {
            if (methodListImplementsRR(*mlists)) {
                clsCustomRR = YES;
                inherited = NO;
                break;
            }
        }
    }
    else if (!cls->superclass) {
        clsCustomRR = YES;
        inherited = NO;
    } 
    else if (cls->superclass->hasCustomRR()) {
        clsCustomRR = YES;
        inherited = YES;
    } 
    else {
        // 查找类是否实现MRC方法，如果是则进入if语句中
        auto& methods = cls->data()->methods;
        for (auto mlists = methods.beginLists(), 
                  end = methods.endLists(); 
             mlists != end;
             ++mlists)
        {
            if (methodListImplementsRR(*mlists)) {
                clsCustomRR = YES;
                inherited = NO;
                break;
            }
        }
    }
    if (!clsCustomRR) cls->setHasDefaultRR();
    if (PrintCustomRR  &&  clsCustomRR) cls->printCustomRR(inherited);
    metacls->changeInfo(RW_INITIALIZED, RW_INITIALIZING);
}

需要注意的是，initialize方法和load方法不太一样，Category中定义的initialize方法会覆盖原方法而不是像load方法一样都可以调用。

简书由于排版的问题，阅读体验并不好，布局、图片显示、代码等很多问题。所以建议到我Github上，下载Runtime PDF合集。把所有Runtime文章总计九篇，都写在这个PDF中，而且左侧有目录，方便阅读。

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