iOS Category

作者: coder_my | 来源:发表于2019-10-11 22:27 被阅读0次

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Objective-C的本质（5）——Category原理
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iOS底层原理总结 - Category的本质
Objective-C 之category
探寻Category的本质

分类优点

声明私有方法
分解体积庞大的类文件
把Framework私有方法公开
模拟多继承（另外可以模拟多继承的还有protocol）

Category(objc_category)

/// An opaque type that represents a category.
typedef struct objc_category *Category;
struct objc_category {
    // 分类名
    char * _Nonnull category_name                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 分类所属的类名
    char * _Nonnull class_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 实例方法列表
    struct objc_method_list * _Nullable instance_methods     OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 类方法列表
    struct objc_method_list * _Nullable class_methods        OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 分类所实现的协议列表
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
}

分类特点

分类是用于给原有类添加方法的,因为分类的结构体指针中，没有属性列表，只有方法列表。原则上讲它只能添加方法, 不能添加属性(成员变量),实际上可以通过其它方式添加属性;
分类中的可以写@property, 但不会生成setter/getter方法, 也不会生成实现以及私有的成员变量，会编译通过，但是引用变量会报错;
如果分类中有和原有类同名的方法, 会优先调用分类中的方法, 就是说会忽略原有类的方法，同名方法调用的优先级为分类 > 本类 > 父类；
如果多个分类中都有和原有类中同名的方法, 那么调用该方法的时候执行谁由编译器决定；编译器会执行最后一个参与编译的分类中的方法。
运行时决议
同名分类方法生效取决于编译顺序
名字相同的分类会引起编译报错

Persion.h

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Person : NSObject

- (void)printName;

@end

@interface Person(Test)

@property(nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)printName;

@end

Persion.m

#import "Person.h"

@implementation Person

- (void)printName
{
    NSLog(@"%@", @"Person");
}

@end

@implementation Person(Test)

- (void)printName
{
    NSLog(@"%@", @"Person Test");
}

@end

输入命令：clang -rewrite-objc Person+A.m
得到：Person+A.cpp
在文件的最后有如下代码：

static struct /*_method_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
    unsigned int method_count;
    struct _objc_method method_list[1];
} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_objc_method),
    1,
    {{(struct objc_selector *)"printName", "v16@0:8", (void *)_I_Person_Test_printName}}
};

static struct /*_prop_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
    unsigned int count_of_properties;
    struct _prop_t prop_list[1];
} _OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_prop_t),
    1,
    {{"name","T@\"NSString\",C,N"}}
};

extern "C" __declspec(dllexport) struct _class_t OBJC_CLASS_$_Person;

static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = 
{
    "Person",
    0, // &OBJC_CLASS_$_Person,
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_Test,
    0,
    0,
    (const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_Test,
};
static void OBJC_CATEGORY_SETUP_$_Person_$_Test(void ) {
    _OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Test.cls = &OBJC_CLASS_$_Person;
}
#pragma section(".objc_inithooks$B", long, read, write)
__declspec(allocate(".objc_inithooks$B")) static void *OBJC_CATEGORY_SETUP[] = {
    (void *)&OBJC_CATEGORY_SETUP_$_Person_$_Test,
};
static struct _class_t *L_OBJC_LABEL_CLASS_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_classlist,regular,no_dead_strip")))= {
    &OBJC_CLASS_$_Person,
};
static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
    &_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Test,
};
static struct IMAGE_INFO { unsigned version; unsigned flag; } _OBJC_IMAGE_INFO = { 0, 2 };

我们可以看到，
1)、首先编译器生成了实例方法列表_OBJC__CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person__Test和属性列表_OBJC__PROP_LIST_Person__Test，两者的命名都遵循了公共前缀+类名+category名字的命名方式，而且实例方法列表里面填充的正是我们在Person这个category里面写的方法printName，而属性列表里面填充的也正是我们在Person里添加的name属性。还有一个需要注意到的事实就是category的名字用来给各种列表以及后面的category结构体本身命名，而且有static来修饰，所以在同一个编译单元里我们的category名不能重复，否则会出现编译错误。

2)、其次，编译器生成了category本身_OBJC__CATEGORY_Person__Test，并用前面生成的列表来初始化category本身。

3)、最后，编译器在DATA段下的_objc_catlist section里保存了一个大小为1的category_t的数组L_OBJC_LABEL_CATEGORY（当然，如果有多个category，会生成对应长度的数组），用于运行期category的加载。

到这里，编译器的工作就接近尾声了。

Category加载调用栈

加载调用栈.png

我们知道，Objective-C的运行是依赖OC的runtime的，而OC的runtime和其他系统库一样，是OS X和iOS通过dyld动态加载的。

想了解更多dyld地同学可以移步这里（3）。

对于OC运行时，入口方法如下（在objc-os.mm文件中）：

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();
    lock_init();
    exception_init();
       
    // Register for unmap first, in case some +load unmaps something
    _dyld_register_func_for_remove_image(&unmap_image);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound,
                                             1/*batch*/, &map_images);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0/*not batch*/, &load_images);
}

category被附加到类上面是在map_images的时候发生的，在new-ABI的标准下，_objc_init里面的调用的map_images最终会调用objc-runtime-new.mm里面的_read_images方法，而在_read_images方法的结尾，有以下的代码片段：

// Discover categories. 
    for (EACH_HEADER) {
        category_t **catlist =
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[i];
            class_t *cls = remapClass(cat->cls);

            if (!cls) {
                // Category's target class is missing (probably weak-linked).
                // Disavow any knowledge of this category.
                catlist[i] = NULL;
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
                                 "missing weak-linked target class",
                                 cat->name, cat);
                }
                continue;
            }

            // Process this category. 
            // First, register the category with its target class. 
            // Then, rebuild the class's method lists (etc) if 
            // the class is realized. 
            BOOL classExists = NO;
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols 
                ||  cat->instanceProperties)
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                if (isRealized(cls)) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s",
                                 getName(cls), cat->name,
                                 classExists ? "on existing class" : "");
                }
            }

            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols 
                /* ||  cat->classProperties */)
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->isa, hi);
                if (isRealized(cls->isa)) {
                    remethodizeClass(cls->isa);
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)",
                                 getName(cls), cat->name);
                }
            }
        }
    }

首先，我们拿到的catlist就是上节中讲到的编译器为我们准备的category_t数组，关于是如何加载catlist本身的，我们暂且不表，这和category本身的关系也不大，有兴趣的同学可以去研究以下Apple的二进制格式和load机制。

略去PrintConnecting这个用于log的东西，这段代码很容易理解：

1)、把category的实例方法、协议以及属性添加到类上
2)、把category的类方法和协议添加到类的metaclass上
值得注意的是，在代码中有一小段注释 /* || cat->classProperties */，看来苹果有过给类添加属性的计划啊。

我们接着往里看，category的各种列表是怎么最终添加到类上的，就拿实例方法列表来说吧：

在上述的代码片段里，addUnattachedCategoryForClass只是把类和category做一个关联映射，而remethodizeClass才是真正去处理添加事宜的功臣。

static void remethodizeClass(class_t *cls)
{
    category_list *cats;
    BOOL isMeta;

    rwlock_assert_writing(&runtimeLock);

    isMeta = isMetaClass(cls);

    // Re-methodizing: check for more categories
    if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls))) {
        chained_property_list *newproperties;
        const protocol_list_t **newprotos;
       
        if (PrintConnecting) {
            _objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s",
                         getName(cls), isMeta ? "(meta)" : "");
        }
       
        // Update methods, properties, protocols
       
        BOOL vtableAffected = NO;
        attachCategoryMethods(cls, cats, &vtableAffected);
       
        newproperties = buildPropertyList(NULL, cats, isMeta);
        if (newproperties) {
            newproperties->next = cls->data()->properties;
            cls->data()->properties = newproperties;
        }
       
        newprotos = buildProtocolList(cats, NULL, cls->data()->protocols);
        if (cls->data()->protocols  &&  cls->data()->protocols != newprotos) {
            _free_internal(cls->data()->protocols);
        }
        cls->data()->protocols = newprotos;
       
        _free_internal(cats);

        // Update method caches and vtables
        flushCaches(cls);
        if (vtableAffected) flushVtables(cls);
    }
}

而对于添加类的实例方法而言，又会去调用attachCategoryMethods这个方法，我们去看下attachCategoryMethods：

static void 
attachCategoryMethods(class_t *cls, category_list *cats,
                      BOOL *inoutVtablesAffected)
{
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

    BOOL isMeta = isMetaClass(cls);
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        _malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists));

    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int i = cats->count;
    BOOL fromBundle = NO;
    while (i--) {
        method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= cats->list[i].fromBundle;
        }
    }

    attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, inoutVtablesAffected);

    _free_internal(mlists);

}

attachCategoryMethods做的工作相对比较简单，它只是把所有category的实例方法列表拼成了一个大的实例方法列表，然后转交给了attachMethodLists方法（我发誓，这是本节我们看的最后一段代码了^_），这个方法有点长，我们只看一小段：

for (uint32_t m = 0;
             (scanForCustomRR || scanForCustomAWZ)  &&  m < mlist->count;
             m++)
        {
            SEL sel = method_list_nth(mlist, m)->name;
            if (scanForCustomRR  &&  isRRSelector(sel)) {
                cls->setHasCustomRR();
                scanForCustomRR = false;
            } else if (scanForCustomAWZ  &&  isAWZSelector(sel)) {
                cls->setHasCustomAWZ();
                scanForCustomAWZ = false;
            }
        }
       
        // Fill method list array
        newLists[newCount++] = mlist;
    .
    .
    .

    // Copy old methods to the method list array
    for (i = 0; i < oldCount; i++) {
        newLists[newCount++] = oldLists[i];
    }

需要注意的有两点：

1)、category的方法没有“完全替换掉”原来类已经有的方法，也就是说如果category和原来类都有methodA，那么category附加完成之后，类的方法列表里会有两个methodA

2)、category的方法被放到了新方法列表的前面，而原来类的方法被放到了新方法列表的后面，这也就是我们平常所说的category的方法会“覆盖”掉原来类的同名方法，这是因为运行时在查找方法的时候是顺着方法列表的顺序查找的，它只要一找到对应名字的方法，就会罢休^_，殊不知后面可能还有一样名字的方法。

方法覆盖

怎么调用到原来类中被category覆盖掉的方法？对于这个问题，我们已经知道category其实并不是完全替换掉原来类的同名方法，只是category在方法列表的前面而已，所以我们只要顺着方法列表找到最后一个对应名字的方法，就可以调用原来类的方法：

Class currentClass = [MyClass class];
MyClass *my = [[MyClass alloc] init];

if (currentClass) {
    unsigned int methodCount;
    Method *methodList = class_copyMethodList(currentClass, &methodCount);
    IMP lastImp = NULL;
    SEL lastSel = NULL;
    for (NSInteger i = 0; i < methodCount; i++) {
        Method method = methodList[i];
        NSString *methodName = [NSString stringWithCString:sel_getName(method_getName(method)) 
                                        encoding:NSUTF8StringEncoding];
        if ([@"printName" isEqualToString:methodName]) {
            lastImp = method_getImplementation(method);
            lastSel = method_getName(method);
        }
    }
    typedef void (*fn)(id,SEL);
    
    if (lastImp != NULL) {
        fn f = (fn)lastImp;
        f(my,lastSel);
    }
    free(methodList);
}

关联对象

Person+Category1.m

#import "Person+Category1.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation Person (Category1)

+ (void)load {
    NSLog(@"Person Category1 load");
}

- (void)printName
{
    NSLog(@"%@", @"Person Category1 printName");
}

- (void)setName:(NSString *)name
{
    objc_setAssociatedObject(self,
                             "name",
                             name,
                             OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}

- (NSString*)name
{
    NSString *nameObject = objc_getAssociatedObject(self, "name");
    return nameObject;
}

@end

但是关联对象又是存在什么地方呢？如何存储？对象销毁时候如何处理关联对象呢？

我们去翻一下runtime的源码，在objc-references.mm文件中有个方法_object_set_associative_reference：

void _object_set_associative_reference(id object, void *key, id value, uintptr_t policy) {
    // retain the new value (if any) outside the lock.
    ObjcAssociation old_association(0, nil);
    id new_value = value ? acquireValue(value, policy) : nil;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        if (new_value) {
            // break any existing association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i != associations.end()) {
                // secondary table exists
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    j->second = ObjcAssociation(policy, new_value);
                } else {
                    (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                }
            } else {
                // create the new association (first time).
                ObjectAssociationMap *refs = new ObjectAssociationMap;
                associations[disguised_object] = refs;
                (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                _class_setInstancesHaveAssociatedObjects(_object_getClass(object));
            }
        } else {
            // setting the association to nil breaks the association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i !=  associations.end()) {
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    refs->erase(j);
                }
            }
        }
    }
    // release the old value (outside of the lock).
    if (old_association.hasValue()) ReleaseValue()(old_association);
}

我们可以看到所有的关联对象都由AssociationsManager管理，而AssociationsManager定义如下：

class AssociationsManager {
    static OSSpinLock _lock;
    static AssociationsHashMap *_map;               // associative references:  object pointer -> PtrPtrHashMap.
public:
    AssociationsManager()   { OSSpinLockLock(&_lock); }
    ~AssociationsManager()  { OSSpinLockUnlock(&_lock); }
    
    AssociationsHashMap &associations() {
        if (_map == NULL)
            _map = new AssociationsHashMap();
        return *_map;
    }
};

AssociationsManager里面是由一个静态AssociationsHashMap来存储所有的关联对象的。这相当于把所有对象的关联对象都存在一个全局map里面。而map的的key是这个对象的指针地址（任意两个不同对象的指针地址一定是不同的），而这个map的value又是另外一个AssociationsHashMap，里面保存了关联对象的kv对。

而在对象的销毁逻辑里面，见objc-runtime-new.mm:

void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        Class isa_gen = _object_getClass(obj);
        class_t *isa = newcls(isa_gen);

        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = hasCxxStructors(isa);
        bool assoc = !UseGC && _class_instancesHaveAssociatedObjects(isa_gen);

        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
        
        if (!UseGC) objc_clear_deallocating(obj);
    }

    return obj;
}

嗯，runtime的销毁对象函数objc_destructInstance里面会判断这个对象有没有关联对象，如果有，会调用_object_remove_assocations做关联对象的清理工作。

Category和Extension比较

Extension看起来很像一个匿名的Category，但是Extension和有名字的Category几乎完全是两个东西，Extension编译期决议，它就是类的一部分，在编译期和头文件里的@interface以及和实现文件里的@implement一起形成一个完整的类，它随着类的产生而产生，亦随之一起消亡，Extension一般用来隐藏类的私有信息，你必须有一个类的源码才能为一个类添加Extension，所以你无法为系统的类添加Extension（详见2）
但是Category实在运行期决议的。
就category和extension的区别来看，我们可以推导出一个明显的事实，extension可以添加实例变量，而category是无法添加实例变量的（因为在运行期，对象的内存布局已经确定，如果添加实例变量就会破坏类的内部布局，这对编译型语言来说是灾难性的）。

+initialize和+load

+initialize是通过objc_msgSend进行调用的
如果子类没有实现+initialize，会调用父类的+initialize（所以父类的+initialize可能会被调用多次）
如果分类实现了+initialize，就覆盖类本身的+initialize调用
+load是通过函数指针指向函数，拿到函数地址，分开来直接调用的，直接通过内存地址查找调用的。
load是runtime加载类、分类的时候调用（只会调用1次）
initialize是类第一次接收到消息的时候调用，每一个类只会initialize一次

参考：
https://tech.meituan.com/2015/03/03/diveintocategory.html

Demo地址：Category

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