OC底层原理08 - objc_msgSend流程之快速查找

作者: H雷610 | 来源:发表于2020-12-16 19:02 被阅读0次

OC runtime运行时

在探索objc_msgSend时，我们需要先了解OC的runtime机制

runtime简介

runtime称为运行时，它区别于编译时

编译时：是把源代码翻译成机器能识别的代码的过程，主要是对语言进行最基本的检查报错，即词法分析、语法分析等，是一个静态的阶段
运行时：是代码跑起来，被装载到内存中的过程，如果此时出错，则程序会崩溃，是一个动态阶段
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图所示
通过Objective-C Code代码，例如[person sayHello]
通过Framework&Serivce方法，例如isKindOfClass、isMemberOfClass、NSSelectorFromString
通过Runtime API，例如class_getInstanceSize
image.png
其中的compiler就是我们了解的编译器，即LLVM；runtime system library就是底层库

探索方法的本质

新建一个HLPerson类并声明两个实例方法

@interface HLPerson : NSObject

- (void)sayHello;
- (void)sayGoodbye;

@end

@implementation HLPerson

- (void)sayHello {
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (void)sayGoodbye {
    NSLog(@"%s",__func__);
}
@end

在main函数中初始化HLPerson并调用两个实例方法

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        HLPerson *person = [HLPerson alloc];
        [person sayHello];
        [person sayGoodbye];                
    }
    return 0;
}

通过clang将main.m文件编译成main.cpp文件，并找到main函数

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 


        HLPerson *person = ((HLPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("HLPerson"), sel_registerName("alloc"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayGoodbye"));

    }
    return 0;
}

通过上述代码可以看出，方法的本质就是objc_msgSend消息发送

验证`方法的本质`就是`objc_msgSend`消息发送

导入头文件#import <objc/message.h>
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
添加代码

HLPerson *person = [HLPerson alloc];       
[person sayHello];
objc_msgSend(person, sel_registerName(@"sayHello"));

运行项目，查看打印 image.png 打印结果相同，说明[person sayHello]等价于objc_msgSend(person, sel_registerName(@"sayHello"))

调用父类方法

新建一个HLTeacher类继承于HLPerson类，重写sayGoodbye方法

@interface HLTeacher : HLPerson
@end

@implementation HLTeacher
- (void)sayGoodbye {
    NSLog(@" teacher -- %s",__func__);
}
@end

在main.m文件中，创建一个teacher对象，并调用sayGoodbye方法；使用objc_msgSendSuper调用sayGoodbye方法

        HLTeahcer *teacher = [HLTeahcer alloc];
        [teacher sayGoodbye];
        
        struct objc_super hlSuper;
        hlSuper.receiver = teacher;             // 消息的接收者
        hlSuper.super_class = [HLPerson 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(&hlSuper, sel_registerName("sayGoodbye"));

运行项目，查看打印 image.png objc_msgSendSuper(person, sel_registerName(@"sayGoodbye"))直接调用了父类的sayGoodbye方法

总结

方法的本质：发送消息
OC调用方法等价于runtime中objc_msgSend和objc_msgSendSuper消息发送

问题
objc_msgSend是怎样找到对应的方法呢？即sel如何找到对应imp

探索objc_msgSend

在objc4源码中我们会发现objc_msgSend是使用汇编实现的，汇编主要的特性是：

速度快：汇编更容易被机器识别。
方法参数的动态性：汇编调用函数时传递的参数是不确定的，那么发送消息时，直接调用一个函数就可以发送所有的消息。

objc_msgSend分析

bjc4-781源码中，搜索objc_msgSend，由于我们日常开发的都是架构是arm64，所以需要在arm64.s后缀的文件中查找objc_msgSend源码实现

    // 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 即消息接收者 receiver
    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    // 小对象流程
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)
#else
    // 消息接收者为空，返回空
    b.eq    LReturnZero
#endif
    // 消息接收者不为空
    // 取出 isa，存入 p13
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa
    // p16 根据isa p13获取到 Class
    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:
    // 空值校验，为空则返回空
    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

主要流程如下：

image.png

CacheLookup 缓存查找汇编源码

在objc-msg-arm64.s文件中找到.macro CacheLookup

.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
    // isa 平移16字节得到 cache_t，cache首地址是mask_buckets
    ldr p11, [x16, #CACHE]              // p11 = mask|buckets
// 64位真机
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    // 获取 buckets： p11 & 0x0000ffffffffffff 得到后48位 即 buckets
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets
    // 获取 hash 搜索下标：逻辑右移48位 得到 mask；然后p1 & mask给p12 得到hash存储的key
    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是获取到的下标，然后逻辑左移4位，再由p10(buckets)平移，得到对应的bucket保存到p12中
    add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))
    // 将p12属性 imp 和 sel 分别赋值为 p17 和 p9
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket
    // 判断当前 bucket 的 sel 和传入的 sel 是否相等
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
    // 如果不相同，则跳入2f
    b.ne    2f          //     scan more
    // 如果相同直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp

    // 没有找到 进入2f
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
    // 如果p12 == p10，说明 p12 指针已经到了 buckets的 首地址了。
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
    // 如果相等 跳入3f 
    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 1b，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
    // 将p12的指针指到buckets的最后一个元素
    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.
    // 然后在继续查找，直到找到或者再次 bucket 与 buckets再次相等，跳出循环。
    // 拿到x12（即p12）bucket中的 imp-sel 分别存入 p17-p9
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket
    // 判断当前 bucket 的 sel 和传入的 sel 是否相等
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
    // 如果不相同，则跳入2f
    b.ne    2f          //     scan more
    // 如果相同，则直接返回 imp
    CacheHit $0         // call or return imp
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
    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
    // 如果等于，跳转至第3步
    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

LLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3:  // double wrap
    // 结束循环
    JumpMiss $0

.endmacro

方法解析
主要流程可以分为以下几步

通过isa首地址平移16字节（在objc_class中，首地址距离cache正好16字节，即isa占8字节，superClass占8字节），获取cache，cache中高16位存mask，低48位存buckets，即p11 = cache

ldr p11, [x16, #CACHE]

从cache中分别取出buckets和mask，并由mask根据哈希算法计算出哈希下标(只看64位真机)

#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16

2.1. 通过cache和掩码（即0x0000ffffffffffff）的&运算，将高16位 mask抹零，得到buckets指针地址，即p10 = buckets

and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets

2.2. 将cache右移48位，得到mask，即p11 = mask，将objc_msgSend的参数p1（即第二个参数_cmd）& mask，通过哈希算法，得到需要查找存储sel-imp的bucket下标index，即p12 = index = _cmd & mask

and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask

因为在存储sel-imp时，也是通过同样哈希算法计算哈希下标进行存储，所以读取也需要通过相同的方式读取，如下所示

image.png

根据所得的哈希下标index和buckets首地址，取出哈希下标对应的bucket

add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))

其中PTRSHIFT等于3，左移4位（即2^4 = 16字节）的目的是计算出一个 bucket 实际占用的大小，结构体bucket_t中sel占8字节，imp占8字节
根据计算的哈希下标index乘以单个bucket占用的内存大小，得到目标bucket首地址在实际内存中的偏移量
通过首地址 + 实际偏移量，获取哈希下标index对应的bucket

根据获取的bucket，取出其中的imp存入p17，即p17 = imp，取出sel存入p9，即p9 = sel

ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket

第一次递归循环

比较获取的bucket中sel与objc_msgSend的第二个参数的_cmd(即p1)是否相等

1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)

5.1 如果相等，则直接跳转至CacheHit，即缓存命中，返回imp

    CacheHit $0         // call or return imp

5.2.1 如果不相等，跳转至2f

b.ne    2f          //     scan more

5.2.2 由于汇编中的查找是向上查找，所以p12-1获取到上一个bucket指针。如果当前p12 bucket与buckets的首地址(第一个元素) 相等，那么就直接跳入3f；如果当前bucket 不等于 buckets的第一个元素，则继续向前查找，进入第一次递归循环；如果一直都找不到，直接跳转至CheckMiss，因为$0是normal，会跳转至__objc_msgSend_uncached，即进入慢速查找流程

2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
    b.eq    3f
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket
    b   1b          // loop

第二次递归循环：重复第五步的操作，与第五步中唯一区别是，如果当前的bucket还是等于 buckets的第一个元素，则直接跳转至JumpMiss，此时的$0是normal，也是直接跳转至__objc_msgSend_uncached，即进入慢速查找流程

objc_msgSend 流程图

未命名文件(1).png

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探索方法的本质

验证`方法的本质`就是`objc_msgSend`消息发送

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