iOS底层探索之类的加载(四):类的关联对象Associated

作者: 俊而不逊 | 来源:发表于2021-07-28 11:38 被阅读0次

iOS底层探索之类的加载(四):类的关联对象Associated
iOS 应用加载`dyld`篇
iOS底层探索之类的结构(上)
iOS底层原理总结 - 关联对象实现原理
iOS底层-关联对象探索
iOS Associated Objects
Associated Object(关联对象)使用及原理
iOS 底层探索 - 类的加载
iOS底层探索之类的加载(三): attachCategorie
iOS底层探索之类的加载(二): realizeClassWit

1. 回顾

在前面的几篇博客中，主要讲了类的加载、包括分类的加载底层探索，本次就类的扩展和关联对象进行分析。

iOS底层探索之类的加载(三): attachCategories分析

核心主题

2. 扩展

2.1 什么是分类和扩展

首先我们来看看什么是分类和扩展

category: 类别/分类

专门用来给类添加新的方法

不能给类添加成员属性，添加了成员变量，也无法取到

注意:其实可以通过runtime给分类添加属性

分类中用@property定义变量，只会生成变量的 getter,setter方法的声明，不能生成方法实现和带下划线的成员变量。

extension:类扩展

可以说成是特殊的分类，也称作匿名分类

可以给类添加成员属性，但是是私有变量

可以给类添加方法，也是私有方法

分类我们已经很熟悉了，这里就不必过多赘述了，下面介绍下扩展 extension

2.2 扩展

类扩展，我们平时用的是非常多的，如下

匿名扩展

what ? 什么，这就是扩展吗？天天用居然不知道！
是的，这就是扩展，平时用的是非常之多，但是很多人都不知道。

震惊

注意：类扩展要放在声明之后，实现之前，否则会报错。

给扩展加点属性、方法，下面我们看看底层C++是什么样子的。

cpp代码结构

从底层C++代码可以发现，类的扩展属性会添加到成员变量列表，方法也会放在方法列表里面。

思考：那么扩展是否也会像分类一样，影响主类的加载呢？

建立一个单独的扩展文件
扩展
LGPerson.m 导入#import "LGPerson+Ext.h"头文件，实现扩展里面的方法

- (void)ext_sayHello {
    NSLog(@"%s",__func__);
}
+ (void)ext_classMehod{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

在objc 源码里面，把断点断在realizeClassWithoutSwift处
lldb打印ro方法列表

(lldb) p ro.baseMethods()
(method_list_t *) $0 = 0x0000000100004190
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    ro->baseMethods()
(lldb) p *$0
(method_list_t) $1 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 4294901763, method_t::pointer_modifier> = (entsizeAndFlags = 24, count = 8)
}
(lldb) p $1.get(0).big()
(method_t::big) $2 = {
  name = "saySomething"
  types = 0x0000000100003e09 "v16@0:8"
  imp = 0x00000001000039f0 (ObjcBuild`-[LGPerson(LGA) saySomething])
}
(lldb) p $1.get(1).big()
(method_t::big) $3 = {
  name = "cateA_instanceMethod1"
  types = 0x0000000100003e09 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100003a20 (ObjcBuild`-[LGPerson(LGA) cateA_instanceMethod1])
}
(lldb) p $1.get(2).big()
(method_t::big) $4 = {
  name = "cateA_instanceMethod2"
  types = 0x0000000100003e09 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100003a50 (ObjcBuild`-[LGPerson(LGA) cateA_instanceMethod2])
}
(lldb) p $1.get(3).big()
(method_t::big) $5 = {
  name = "saySomething"
  types = 0x0000000100003e09 "v16@0:8"
  imp = 0x00000001000038a0 (ObjcBuild`-[LGPerson saySomething])
}
(lldb) p $1.get(4).big()
(method_t::big) $6 = {
  name = "sayHello1"
  types = 0x0000000100003e09 "v16@0:8"
  imp = 0x00000001000038d0 (ObjcBuild`-[LGPerson sayHello1])
}
(lldb) p $1.get(5).big()
(method_t::big) $7 = {
  name = "ext_sayHello"
  types = 0x0000000100003e09 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100003900 (ObjcBuild`-[LGPerson ext_sayHello])
}
(lldb) p $1.get(6).big()
(method_t::big) $8 = {
  name = "name"
  types = 0x0000000100003de3 "@16@0:8"
  imp = 0x0000000100003930 (ObjcBuild`-[LGPerson name])
}
(lldb)

从调式信息可以看到，在$1.get(5).big()打印了扩展的ext_sayHello方法，这也就证明了，类的扩展信息，也会作为类一部分加载到类里面。

3. 关联对象

在分类里面是不可以直接添加成员变量的，但是我们可以间接的添加，这就涉及到关联对象的知识了。

// 获取关联对象
id
objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
{
    return _object_get_associative_reference(object, key);
}

// 设置关联对象
void
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
{
    _object_set_associative_reference(object, key, value, policy);
}

// 移除关联对象
void objc_removeAssociatedObjects(id object) 
{
    if (object && object->hasAssociatedObjects()) {
        _object_remove_assocations(object, /*deallocating*/false);
    }
}

objc_getAssociatedObject 获取关联对象
objc_setAssociatedObject 设置关联对象
objc_removeAssociatedObjects 移除关联对象

3.1 设值流程

我们来看看下objc_setAssociatedObject设置关联对象方法的里面调用了_object_set_associative_reference方法

_object_set_associative_reference

void
_object_set_associative_reference(id object, const void *key, id value, uintptr_t policy)
{
    // This code used to work when nil was passed for object and key. Some code
    // probably relies on that to not crash. Check and handle it explicitly.
    // rdar://problem/44094390
    if (!object && !value) return;

    if (object->getIsa()->forbidsAssociatedObjects())
        _objc_fatal("objc_setAssociatedObject called on instance (%p) of class %s which does not allow associated objects", object, object_getClassName(object));

    DisguisedPtr<objc_object> disguised{(objc_object *)object};
    ObjcAssociation association{policy, value};

    // retain the new value (if any) outside the lock.
    association.acquireValue();

    bool isFirstAssociation = false;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());

        if (value) {
            auto refs_result = associations.try_emplace(disguised, ObjectAssociationMap{});
            if (refs_result.second) {
                /* it's the first association we make */
                isFirstAssociation = true;
            }

            /* establish or replace the association */
            auto &refs = refs_result.first->second;
            auto result = refs.try_emplace(key, std::move(association));
            if (!result.second) {
                association.swap(result.first->second);
            }
        } else {
            auto refs_it = associations.find(disguised);
            if (refs_it != associations.end()) {
                auto &refs = refs_it->second;
                auto it = refs.find(key);
                if (it != refs.end()) {
                    association.swap(it->second);
                    refs.erase(it);
                    if (refs.size() == 0) {
                        associations.erase(refs_it);

                    }
                }
            }
        }
    }

    // Call setHasAssociatedObjects outside the lock, since this
    // will call the object's _noteAssociatedObjects method if it
    // has one, and this may trigger +initialize which might do
    // arbitrary stuff, including setting more associated objects.
    if (isFirstAssociation)
        object->setHasAssociatedObjects();

    // release the old value (outside of the lock).
    association.releaseHeldValue();
}

四个主要的参数是：

objc: 要关联的对象，即给谁添加关联属性
key: 标识符，方便下次查找
value: 要存的值
policy: 关联策略

DisguisedPtr方法是一种包装策略，就像快递一样，打包成一个个包裹，方便存储和查找

class DisguisedPtr {
    uintptr_t value;

    static uintptr_t disguise(T* ptr) {
        return -(uintptr_t)ptr;
    }

    static T* undisguise(uintptr_t val) {
        return (T*)-val;
    }

对ptr进行了处理，也就是value的处理，也就是对object包装了一下，包装成统一的数据结构。

AssociationsManager

class AssociationsManager {
    using Storage = ExplicitInitDenseMap<DisguisedPtr<objc_object>, ObjectAssociationMap>;
    static Storage _mapStorage;

public:
    AssociationsManager()   { AssociationsManagerLock.lock(); }
    ~AssociationsManager()  { AssociationsManagerLock.unlock(); }

    AssociationsHashMap &get() {
        return _mapStorage.get();
    }

    static void init() {
        _mapStorage.init();
    }
};

AssociationsManager::Storage AssociationsManager::_mapStorage;

}

很多人第一次看到AssociationsManager肯定以为是单例，但是这并不是一个单例，而是通过构造函数加锁、析构函数解锁，以此来达到线程安全。
AssociationsManager只是用来调用AssociationsHashMap方法的作用，但是AssociationsHashMap是一个单例，因为它通过_mapStorage.get()获取，_mapStorage是一个全局静态变量，放在任何地方都是唯一的。

新建一个分类，里面写几个属性和方法进行验证

@interface LGPerson (LGA)

@property (nonatomic, copy) NSString *cate_name;
@property (nonatomic, copy) NSString *cate_age;

- (void)saySomething;

- (void)cateA_instanceMethod1;
- (void)cateA_instanceMethod2;

+ (void)cateA_classMethod1;
+ (void)cateA_classMethod2;

@end


- (void)setCate_name:(NSString *)cate_name{

    objc_setAssociatedObject(self, "cate_name", cate_name, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}

- (NSString *)cate_name{
    return  objc_getAssociatedObject(self, "cate_name");
}


- (void)setCate_age:(NSString *)cate_age{
    objc_setAssociatedObject(self, "cate_age", cate_age, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}

- (NSString *)cate_age{
    return objc_getAssociatedObject(self, "cate_age");
}

然后再属性赋值，断点提示

LGPerson * person = [LGPerson alloc];
 person.cate_name  = @"jp";
 person.cate_age   = @"20";
 [person saySomething];

源码查看

可以看到associations的结构和refs_result结构，这样看可能不太清楚，那么再lldb看看

associations和refs_result结构

纳尼？什么鬼啊！refs_result这是个什么玩意啊！

什么鬼啊！

靓仔，不用慌，淡定，请看看下面这个取值

if (refs_result.second) {
                /* it's the first association we make */
  isFirstAssociation = true;
}

虽然refs_result很长，很变态，前面那么长只是类型，相当于NSObject、LGPerson这种，但是真正的内容只是后面几个，而这里只是用到了second，其他的压根就不用关心，这一波是不是就很舒服了，哈哈😁

refs_result是从associations.try_emplace(disguised, ObjectAssociationMap{})来的

 auto refs_result = associations.try_emplace(disguised, ObjectAssociationMap{});

*try_emplace

template <typename... Ts>
  std::pair<iterator, bool> try_emplace(const KeyT &Key, Ts &&... Args) {
    BucketT *TheBucket;
    if (LookupBucketFor(Key, TheBucket))
      return std::make_pair(
               makeIterator(TheBucket, getBucketsEnd(), true),
               false); // Already in map.

    // Otherwise, insert the new element.
    TheBucket = InsertIntoBucket(TheBucket, Key, std::forward<Ts>(Args)...);
    return std::make_pair(
             makeIterator(TheBucket, getBucketsEnd(), true),
             true);
  }

这里会创建新的桶子BucketT，这里的key是LGPerson的地址。
首先会进入LookupBucketFor去查找是有已经有了桶子，看到两个实现，因为在try_emplace中是BucketT没有const，所以走的是下面的实现。下面的实现会调用上面的实现。

LookupBucketFor

上面这里是两个同名的方法，其中一个参数不一样，下面的调用上面的方法，传入一个地址，说白了就是一个指针的传递。图中我也标记了。

在这里插入图片描述

获取哈希下标
开始死循环找bucket
匹配处理
没找到就再哈希

当第一次进来的时候，LookupBucketFor(Key, TheBucket)是找不到的，所以走到了下面。

插入bucket

这里就插入一个空的桶子进去，并且还进行了3/4扩容2倍的操作。

插入bucket操作

第一次是个空的桶子里面还没有值，如下：

空桶子没有值

第二次进来插入值了，如下

属性赋值

第二次桶子有值

设值流程小结：

创建⼀个 AssociationsManager 管理类
获取唯⼀的全局静态哈希Map
判断是否插⼊的关联值是否存在:
3.1: 存在⾛第4步
3.2: 不存在就⾛ : 关联对象插⼊空流程
创建⼀个空的 ObjectAssociationMap 去取查询的键值对
如果发现没有这个 key 就插⼊⼀个空的 BucketT进去返回
标记对象存在关联对象
⽤当前修饰策略和值组成了⼀个 ObjcAssociation 替换原来BucketT 中的
标记⼀下 ObjectAssociationMap的第⼀次为 false

3.2 插入空值流程

当value没有值的时候会走到if判断的else里面

当value没有值的时

在associations表中查找disguised，如果没有找到进行erase清空操作。

关联对象插⼊空流程

根据 DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap 中的 iterator 迭代查询器
清理迭代器
其实如果插⼊空值，就是相当于清除的操作

3.3 取值流程

objc_getAssociatedObject

id
objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
{
    return _object_get_associative_reference(object, key);
}

_object_get_associative_reference

id
_object_get_associative_reference(id object, const void *key)
{
    ObjcAssociation association{};

    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find((objc_object *)object);
        if (i != associations.end()) {
            ObjectAssociationMap &refs = i->second;
            ObjectAssociationMap::iterator j = refs.find(key);
            if (j != refs.end()) {
                association = j->second;
                association.retainReturnedValue();
            }
        }
    }

    return association.autoreleaseReturnedValue();
}

查找桶子

  iterator find(const_arg_type_t<KeyT> Val) {
    BucketT *TheBucket;
    if (LookupBucketFor(Val, TheBucket))
      return makeIterator(TheBucket, getBucketsEnd(), true);
    return end();
  }
  const_iterator find(const_arg_type_t<KeyT> Val) const {
    const BucketT *TheBucket;
    if (LookupBucketFor(Val, TheBucket))
      return makeConstIterator(TheBucket, getBucketsEnd(), true);
    return end();
  }

autoreleaseReturnedValue 返回_value

inline id autoreleaseReturnedValue() {
        if (slowpath(_value && (_policy & OBJC_ASSOCIATION_GETTER_AUTORELEASE))) {
            return objc_autorelease(_value);
        }
        return _value;
    }

创建⼀个AssociationsManager 管理类
获取唯⼀的全局静态哈希Map
根据 DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap 中的 iterator 迭代查询器
如果这个迭代查询器不是最后⼀个获取 : ObjectAssociationMap (这⾥有策略和value)
找到ObjectAssociationMap的迭代查询器获取⼀个经过属性修饰符修饰的value
返回_value

总结: 其实就是两层哈希map , 存取的时候两层处理(类似⼆位数组)

4. 总结

category不能给类添加成员属性，添加了成员变量，也无法取到
可以通过runtime给分类添加属性
objc_setAssociatedObject设置
objc_getAssociatedObject取值
extension是特殊的分类，也称作匿名分类
为了便于理解，画了如下结构图

关联对象

AssociationsHashMap

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