一直都想写一篇关于技术的文章，看看上一篇文章的写作时间，恍若隔世。
不自觉的想起自己从业的这十几年，如白驹过隙。现在谈到上还熟悉的的语言以asm/c/c++/oc/js/lua/ruby/shell等为主，其他的基本上都是用时拈来过时忘，语言这种东西变化是在太快了， 不过大体换汤不换药，我感觉近几年来所有的语言隐隐都有一种大统一的走势，一旦有个特性不错，你会在不同的语言中都找到这种技术的影子。所以我对使用哪种语言并不是很执着，不过c/c++是信仰罢了: )
工作大部分用OC和ruby, shell 之类的东西，前端时间一直想找一款合适的iOS下能用的AOP框架。iOS 业内比较被熟知的应该就是Aspect了。 但是Aspect性能比较差，Aspec的trampoline函数借助了OC语言的消息转发流程，函数调用使用了NSInvocation, 我们知道，这两样都是性能大户。 有一份测试数据，基本上NSInvocation的调用效率是普通消息发送效率的100倍左右。 事实上，Aspect只能适用于每秒中调用次数不超过1000次的场景。当然还有一些其他的库，虽然性能有所提升，但不支持多线程场景，一旦加锁，性能又有明显的损耗。
找来找去也没有什么趁手的库，于是想了想，自己写一个吧。 于是Lokie便诞生了.
Lokie的设计的基本原则只有两条，第一高效，第二线程安全。为了满足高效这一设计原则，Lokie一方面采用了高效的C++设计语言，标准使用c++14。c++14因引入了一些非常棒的特性比如mov语义，完美转发，右值引用，多线程支持等使得性能与c++98相比，性能有了显著的提示。另一方面我们抛弃了对OC消息转发和NSInvocation的依赖，使用libffi进行核心trampoline函数的设计，从而直接从设计上就砍到性能大户。另一方面，对于线程锁的实现也使用了轻量的CAS无锁同步的技术，对于线程同步开销也降低了不少。
通过一些真机的性能数据来看，以iphone 7P 为例， aspect 百万次调用消耗为6s左右，而相同场景Lokie开销仅有0.35s左右， 从测试数据上来看，性能提升还是非常显著的。
我是个急性子，看书的时候也是喜欢先看代码。 所以我先帖lokie的开源地址
开源地址: https://github.com/alibaba/Lokie
喜欢翻代码的同学可以先去看看。
Lokie 的头文件非常简单， 如下所示只有两个方法和一个LokieHookPolicy的枚举。
#import <Foundation/Foundation.h>
typedef enum : NSUInteger {
LokieHookPolicyBefore = 1 << 0,
LokieHookPolicyAfter = 1 << 1,
LokieHookPolicyReplace = 1 << 2,
} LokieHookPolicy;
@interface NSObject (Lokie)
+ (BOOL) Lokie_hookMemberSelector:(NSString *) selecctor_name
withBlock: (id) block
policy:(LokieHookPolicy) policy;
+ (BOOL) Lokie_hookClassSelector:(NSString *) selecctor_name
withBlock: (id) block
policy:(LokieHookPolicy) policy;
-(NSArray*) lokie_errors;
@end
这两个方法的参数是一样的, 提供了对类方法和成员方法的切片化支持。
selecctor_name: 是你感兴趣的selector名称， 通常我们可以通过 NSStringFromSelector 这个API来获取。
block: 是要具体执行的命令，block的参数和返回值我们稍后讨论。
policy: 指定了想要在该selector执行前，执行后执行block, 或者是干脆覆盖原方法。
拿一个场景来看看Lokie的威力。 比如我们想监控所有的页面生命周期，是否正常。
比如项目中的VC基类叫BasePageController，designated initializer 是 @selector(initWithConfig:)
我们暂时把这段测试代码放在 application: didFinishLaunchingWithOptions中，AOP就是这么任性！这样我们在app初始化的时候对所有的BasePageController对象生命周期的开始和结束点进行了监控，是不是很酷？
Class cls = NSClassFromString(@"BasePageController");
[cls Lokie_hookMemberSelector:@"initWithConfig:"
withBlock:^(id target, NSDictionary *param){
NSLog(@"%@", param);
NSLog(@"Lokie: %@ is created", target);
} policy:LokieHookPolicyAfter];
[cls Lokie_hookMemberSelector:@"dealloc" withBlock:^(id target){
NSLog(@"Lokie: %@ is dealloc", target);
} policy:LokieHookPolicyBefore];
block的参数定义非常有意思， 第一个参数是永恒的id target, 这个这个selector被发送的对象，剩下的参数和selector保持一致。 比如 "initWithConfig:" 有一个参数，类型是NSDNSDictionary *, 所以我们对
initWithConfig: 传递的是 ^(id target, NSDictionary *param)，
而 dealloc 是没有参数的，所以block变成了^(id target)。 换句话说，在block回调当中，你可以拿到当前的对象，以及执行这个方法的参数上下文，这基本上可以为你提供了足够的信息。
对于返回值也很好理解，当你使用LokieHookPolicyReplace对原方法进行替换的时候，block的返回值一定和原方法是一致的。用其他两个flag的时候，无返回值，使用void即可。
另外我们可以对同一个方法进行多次hook, 比如像这个样子
Class cls = NSClassFromString(@"BasePageController");
[cls Lokie_hookMemberSelector:@"viewDidAppear:" withBlock:^(id target, BOOL ani){
NSLog(@"LOKIE: viewDidAppear 调用之前会执行这部分代码");
}policy:LokieHookPolicyBefore];
[cls Lokie_hookMemberSelector:@"viewDidAppear:" withBlock:^(id target, BOOL ani){
NSLog(@"LOKIE: viewDidAppear 调用之后会执行这部分代码");
}policy:LokieHookPolicyAfter];
细心的你有木有感觉到，如果我们用个时间戳记录先前后两次的时间，获取某个函数的执行时间就会非常容易。
前面两个简单的小例子算是抛砖引玉吧， AOP在做监控, 日志方面来说功能还是非常强大的。
整个AOP的实现是基于iOS的runtime机制以及libffi打造的trampoline函数为核心的。所以这里我也聊聊iOS runtime的一些东西。这部分对于很多人来说，可能比较熟悉了。 题外话因为我最近在写OC语言的解释器， 目前以及可以用自己编写测试UT框架来测试它自己了，是否要开源，我还没有下定主意，我想后续就这个话题也聊几篇文章, 从词法分析，语法分析，到抽象语法树的生成等等，应该是个比较大的系列。有兴趣的同学可以持续关注。
言归正传：
OC runtime里有几个基础概念 SEL, IMP, Method
typedef struct objc_selector *SEL;
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
struct objc_method {
SEL method_name;
char *method_types;
IMP method_imp;
} ;
typedef struct objc_method *Method;
objc_selector 这个结构体很有意思，我在源码里面没有找到他的定义。 不过可以通过翻阅代码来推测 objc_selector 的实现。在objc-sel.m 当中，有两个函数代码如下：
const char *sel_getName(SEL sel) {
if (!sel) return "<null selector>";
return (const char *)(const void*)sel;
}
sel_getName 这个函数出镜率还是很高的， 从它的实现来看， sel和const char *是可以直接互转的, 第二个函数看的则更加清晰
static SEL __sel_registerName(const char *name, int copy) ;
//! 在 __sel_registerName 中有通过const char *name 直接得到 SEL 的方法
...
if (!result) {
result = sel_alloc(name, copy);
}
...
//! sel_alloc的实现
static SEL sel_alloc(const char *name ,bool copy)
{
selLock.assertWriting();
return (SEL)(copy ? strdupIfMutable(name):name);
}
看到这里，我们基本上可以推测出来 objc_selector 的定义应该是类似与以下这种形式
typedef struct {
char selector[XXX];
void *unknown;
...
}objc_selector;
为了提升效率， selecor的查找是通过字符串的哈希值为key的，这样会比直接使用字符串做索引查找更加高效。
//！ objc4-208 版本的哈希算法
static CFHashCode _objc_hash_selector(const void *v) {
if (!v) return 0;
return (CFHashCode)_objc_strhash(v);
}
static __inline__ unsigned int _objc_strhash(const unsigned char *s) {
unsigned int hash = 0;
for (;;) {
int a = *s++;
if (0 == a) break;
hash += (hash << 8) + a;
}
return hash;
}
//! objc4-723 版本的hash算法
static unsigned _mapStrHash(NXMapTable *table, const void *key) {
unsigned hash = 0;
unsigned char *s = (unsigned char *)key;
/* unsigned to avoid a sign-extend */
/* unroll the loop */
if (s) for (; ; ) {
if (*s == '\0') break;
hash ^= *s++;
if (*s == '\0') break;
hash ^= *s++ << 8;
if (*s == '\0') break;
hash ^= *s++ << 16;
if (*s == '\0') break;
hash ^= *s++ << 24;
}
return xorHash(hash);
}
static INLINE unsigned xorHash(unsigned hash) {
unsigned xored = (hash & 0xffff) ^ (hash >> 16);
return ((xored * 65521) + hash);
}
至于为什么会专门搞出一个objc_selector， 我想官方应该是想强调SEL和const char 是不同的类型。
IMP的定义如下所示:
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);
#endif
LLVM 6.0后增加了OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES，需要在build setting中将
Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls设置为NO才可以使用
objc_msgSend(id self, SEL op, ...),
有些同学在调用objc_msgSend的时候，编译器会报如下错误，就是这个原因了。
Too many arguments to function call, expected 0, have 2
IMP 是一个函数指针，它是最终方法调用是的执行指令入口
objc_method 可以说是非常关键了，它也是OC语言可以在运行期进行method swizzling 的设计基石， 通过objc_method 把函数地址，函数签名以及函数名称打包做个关联， 在 真正执行类方法的时候，通过selector名称，查找对应的IMP。 同样，我们也可以通过在运行期替换某个selector 名称与之对应的IMP来完成一些特殊的需求。
这三个概念明确了之后，我们继续聊下消息发送机制。 我们知道当向某个对象发送消息的时候，有一个关键函数叫objc_msgSend， 这个函数里到底干了些什么事情， 我们简单聊一聊。
//! objc_msgSend 函数定义
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...);
这个函数内部是用汇编写的，针对不同的硬件系统提供了相应的实现代码。 不同的版本实现应该是存在差异， 包括函数名称和实现（我查阅的版本是 objc4-208）。
objc_msgSend 首先第一件事就是检测消息发送对象self是否为空，如果为空，直接返回，啥事不做。这也就是为什么对象为nil时，发送消息不会崩溃的原因。 做完这些检测之后，会通过self->isa->cache去缓存里查找selector对应的Method, （cache里面存放的是Method ），查找到的话直接调用Method->method_imp。 没有找到的话进入下一个处理流程，调用一个名为class_lookupMethodAndLoadCache的函数。
这个函数的定义如下所示：
IMP _class_lookupMethodAndLoadCache (Class cls, SEL sel)
{
...
if (methodPC == NULL)
{
//! 这里指定消息转发入口
// Class and superclasses do not respond -- use forwarding
smt = malloc_zone_malloc (_objc_create_zone(), sizeof(struct objc_method));
smt->method_name = sel;
smt->method_types = "";
smt->method_imp = &_objc_msgForward;
_cache_fill (cls, smt, sel);
methodPC = &_objc_msgForward;
}
...
}
消息转发机制这部分动态方法解析，备援接收者，消息重定向 应该是很多面试官都喜欢问的环节 : ) ，我想大家肯定是比较熟悉这部分内容，这里就不再赘述了。
接下来的内容，我们简单介绍下，从汇编的视角出发，如何实现一个trampline函数，完成c函数级别的函数转发。以x86指令集为例，其他类型原理也相似:
从汇编的角度来看，函数的跳转，最直接的方式就是插入jmp指令。 x86指令集中，每条指令都有自己的指令长度，比如说jmp指令， 长度为5，其中包含一个字节的指令码，4个字节的相对偏移量。 假定我们手头有两个函数A和B, 如果想让B的调用转发到A上去， 毫无疑问，jmp指令是可以帮上忙的。 接着我们要解决的问题是如何计算出这两个函数的相对偏移量。这个问题我们可以这样考虑， 但cpu碰到jmp的时候，它的执行动作为
ip = ip + 5 + 相对偏移量；
为了更加直接的解释这个问题，我们看看下面的额汇编函数: (不熟悉汇编的同学不用担心， 这个函数没有干任何事情，只是做一个跳转)
你也可以跟我一起来做，先写一个jump_test.s, 定义了一个什么事情都没做的函数.
先看看汇编代码文件: (jump_test.s) 翻译成c函数的话，就是 void jump_test(){ return ; }
.global _jump_test
_jump_test:
jmp jlable #！ 为了测试jmp指令偏移量，人为的给加几个nop
nop
nop
nop
jlable:
rep;ret
接着，我们在创建一个c文件： 在这个文件里，我们调用刚才创建的jump_test函数。
#include <stdio.h>
extern void jump_test();
int main(){
jump_test();
}
最后就是编译链接了， 我们创建一个build.sh 生成可执行文件 portal
#! /bin/sh
cc -c -o main.o main.c
as -o jump_test.o jump_test.s
cc -o portal main.c jump_test.o
我们使用 lldb 加载调试刚才生成的prtal 文件，并把断点打在函数 jump_test 上。
lldb ./portal
b jump_test
r
在我机器上，是如下的跳转地址， 你的地址可能和我的不太一样，不过没关系，这并不影响我们的分析
Process 22830 launched: './portal' (x86_64)
Process 22830 stopped
* thread #1, queue = 'com.apple.main-thread', stop reason = breakpoint 1.1
frame #0: 0x0000000100000f9f portal`jump_test
portal`jump_test:
-> 0x100000f9f <+0>: jmp 0x100000fa7 ; jlable
0x100000fa4 <+5>: nop
0x100000fa5 <+6>: nop
0x100000fa6 <+7>: nop
演示到这里的时候，我们成功的从汇编的视角，看到了一些我们想要的东西。
首先看看当前的ip 是 0x100000f9f, 我们汇编中使用的jlable此时已经被计算，变成了新的目标地址(0x100000fa7)。 我们知道，新的ip是通过当前ip 加偏移算出来的， jmp的指令长度是5，前面我们已经解释过了。所以我们可以知道下面的关系。
new_ip = old_ip + 5 + offset; 把从lldb中获取的地址放进啦，就变成了
0x100000fa7 = 0x100000f9f + 5 + offset ==> offset = 3. 回头看看汇编代码， 我们在代码中使用了三个nop, 每个nop指令为1个字节， 刚好就是跳转到三个nop指令之后。 做了个简单的验证之后，我们把这个等式做个变形，于是得到 offset = new_ip - old_ip - 5; 当我们知道 A函数和B函数之后，就很容易算出jmp 的操作数是多少了。
讲到这里，函数的跳转思路就非常清晰了，我们想在调用A的时候，实际跳转到B。 比如我们有个C api, 我们希望每次调用这个api的时候，实际上跳转到我们自定义的函数里面, 我们需要把这个api的前几个字节修改下，直接jmp到我们自己定义的函数中。前5个字节第一个当然就是jmp的操作码了，后面四个字节是我们计算出的偏移量。
最后给出一个完整的例子。 汇编分析以及c代码一并打包放上来。
#include <stdio.h>
#include <mach/mach.h>
int new_add(int a, int b){
return a+b;
}
int add(int a, int b){
printf("my_add org is called!\n");
return 0;
}
typedef struct{
uint8_t jmp;
uint32_t off;
} __attribute__((packed)) tramp_line_code;
void dohook(void *src, void *dst){
vm_protect(mach_task_self(), (vm_address_t)src, 5, 0, VM_PROT_ALL);
tramp_line_code jshort;
jshort.jmp = 0xe9;
jshort.off = (uint32_t)(long)dst - (uint32_t)(long)src - 0x5;
memcpy(my_add, (const void*)&jshort, sizeof(tramp_line_code));
vm_protect(mach_task_self(), (vm_address_t)src, 5, 0, VM_PROT_READ|VM_PROT_EXECUTE);
}
int main(){
dohook(add, new_add);
int c = add(10, 20); //! 该函数默认实现是返回 0， hook之后，返回 30
printf("res is %d\n", c);
return 0;
}
编译脚本(系统 macOS )
gcc -o portal ./main.c
执行: ./portal
输出: res is 30
嘿，看到没，我们已经成功的转发了hook了my_add。
不知不觉写了这么多，能看到这里的大家也幸苦了，表扬下，哈哈
Lokie的开源地址我也附在这吧，省的再去翻了
开源地址: https://github.com/alibaba/Lokie
2019.09.07 北京 凌晨一点半 今天就先到这吧，歇了
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