iOS底层原理19：类和分类的加载

作者: 黑白森林无间道 | 来源:发表于2021-08-09 22:57 被阅读0次

前面已经探究了类的加载流程，类分为懒加载类和非懒加载类，他们有不同加载流程，下面来探究下分类的加载，以及分类和类搭配使用的情况

分类的本质

准备工作

在 main.m中定义 HTPerson的分类HT, 代码如下

image

探索分类本质的三种方法

探索分类的本质，有以下三种方式

【方式一】通过clang
【方式二】通过Xcode文档搜索Category
【方式三】通过objc源码搜索 category_t

【方式一】：通过clang

通过clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp命令，查看编译后的 c++文件

其中分类的类型是_category_t，存储了相应的实例方法、类方法、属性、协议等信息

image

搜索struct _category_t，如下所示

其中有两个_method_list_t，分别对应对象方法和类方法

image

全局搜索_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_HTPerson_，找到其底层实现

image

查看协议和属性的结构

image

这里我们发现一个【问题】：分类中定义的属性没有相应的set、get方法，我们可以通过关联对象来设置（关于如何设置关联对象，我们将在下一篇中进行分析）

【方式二】：通过Xcode文档搜索 Category

通过快捷键command+shift+0，搜索Category

image

【方式三】：通过objc源码搜索 category_t

通过objc818源码搜索category_t类型

image

分类的加载的源码分析

分类的底层结构是结构体category_t，下面我们就来探究分类是何时加载进来的，以及加载的过程

分类加载的引入

WWDC2020中关于数据结构的变化（Class data structures changes）视频地址，苹果为分类和动态添加专门分配的了一块内存rwe，因为rwe属于dirty memory，所以肯定是需要动态开辟内存。下面从class_rw_t中去查找相关rwe的源码

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif

    explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    
    // ...省略代码
    class_rw_ext_t *ext() const {
        return get_ro_or_rwe().dyn_cast<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext);
    }

    class_rw_ext_t *extAllocIfNeeded() {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        // 判断rwe是否存在
        if (fastpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
            // 如果已经有rwe数据，直接返回地址指针
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext);
        } else {
            // 为rwe开辟内存并且返回地址指针
            return extAlloc(v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext));
        }
    }

    class_rw_ext_t *deepCopy(const class_ro_t *ro) {
        return extAlloc(ro, true);
    }
    // ...省略代码
}

从代码可以看出，extAllocIfNeeded方法用来开辟rwe内存，全局搜索extAllocIfNeeded，在下列几个地方有相关调用：

attachCategories方法：添加分类信息
demangledName
class_setVersion：设置类的版本
addMethods_finish：动态添加方法
class_addProtocol：动态添加协议
_class_addProperty：动态添加属性
objc_duplicateClass

本文主要来探究分类的加载，👇我们来分析attachCategories方法做了什么

attachCategories 反推法

attachCategories方法，源码如下：

// 将分类的 方法列表、属性、协议等数据加载到 类中
// Attach method lists and properties and protocols from categories to a class.
// Assumes the categories in cats are all loaded and sorted by load order, 
// oldest categories first.
static void
attachCategories(Class cls, const locstamped_category_t *cats_list, uint32_t cats_count,
                 int flags)
{
    if (slowpath(PrintReplacedMethods)) {
        printReplacements(cls, cats_list, cats_count);
    }
    if (slowpath(PrintConnecting)) {
        _objc_inform("CLASS: attaching %d categories to%s class '%s'%s",
                     cats_count, (flags & ATTACH_EXISTING) ? " existing" : "",
                     cls->nameForLogging(), (flags & ATTACH_METACLASS) ? " (meta)" : "");
    }

    /*
     * Only a few classes have more than 64 categories during launch.
     * This uses a little stack, and avoids malloc.
     *
     * Categories must be added in the proper order, which is back
     * to front. To do that with the chunking, we iterate cats_list
     * from front to back, build up the local buffers backwards,
     * and call attachLists on the chunks. attachLists prepends the
     * lists, so the final result is in the expected order.
     */
    constexpr uint32_t ATTACH_BUFSIZ = 64;
    method_list_t   *mlists[ATTACH_BUFSIZ];
    property_list_t *proplists[ATTACH_BUFSIZ];
    protocol_list_t *protolists[ATTACH_BUFSIZ];

    uint32_t mcount = 0;
    uint32_t propcount = 0;
    uint32_t protocount = 0;
    bool fromBundle = NO;
    bool isMeta = (flags & ATTACH_METACLASS);
    // 获取rwe
    auto rwe = cls->data()->extAllocIfNeeded();
    // 遍历所有的分类
    for (uint32_t i = 0; i < cats_count; i++) {
        auto& entry = cats_list[I];

        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            if (mcount == ATTACH_BUFSIZ) {
                // 当mlists的个数为 64时，对方法进行排序，然后将 mlists加载到rwe中
                prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, __func__);
                rwe->methods.attachLists(mlists, mcount);
                mcount = 0;
            }
            // 如果 mcount = 0，mlist存放的位置在63个位置，总共是0 ~ 63， mlists最多存放64个方法列表（mlist）
            mlists[ATTACH_BUFSIZ - ++mcount] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }

        // 处理属性数据
        property_list_t *proplist =
            entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
        if (proplist) {
            if (propcount == ATTACH_BUFSIZ) {
                rwe->properties.attachLists(proplists, propcount);
                propcount = 0;
            }
            proplists[ATTACH_BUFSIZ - ++propcount] = proplist;
        }

        // 处理协议相关信息
        protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocolsForMeta(isMeta);
        if (protolist) {
            if (protocount == ATTACH_BUFSIZ) {
                rwe->protocols.attachLists(protolists, protocount);
                protocount = 0;
            }
            protolists[ATTACH_BUFSIZ - ++protocount] = protolist;
        }
    }

    if (mcount > 0) {
        prepareMethodLists(cls, mlists + ATTACH_BUFSIZ - mcount, mcount,
                           NO, fromBundle, __func__);
        rwe->methods.attachLists(mlists + ATTACH_BUFSIZ - mcount, mcount);
        if (flags & ATTACH_EXISTING) {
            flushCaches(cls, __func__, [](Class c){
                // constant caches have been dealt with in prepareMethodLists
                // if the class still is constant here, it's fine to keep
                return !c->cache.isConstantOptimizedCache();
            });
        }
    }

    rwe->properties.attachLists(proplists + ATTACH_BUFSIZ - propcount, propcount);

    rwe->protocols.attachLists(protolists + ATTACH_BUFSIZ - protocount, protocount);
}

attachCategories准备分类的数据，然后调用attachLists将数据添加到rwe中，那么到底哪些地方调用attachCategories方法，

全局搜索attachCategories，发现有两处进行了调用，分别是 attachToClass方法和load_categories_nolock方法

image

attachToClass流程流程分析

全局搜索attachToClass，发现只有methodizeClass方法中进行了调用

image

methodizeClass方法，我们应该不陌生，在上一篇类的加载中有分析，从源码我们发现previously的值为nil
previously作为备用参数，这种设计可能是苹果内部调试用的
attachToClass调用流程：_read_images --> realizeClassWithoutSwift --> methodizeClass --> attachToClass --> attachCategories --> attachLists

load_categories_nolock流程分析

全局搜索load_categories_nolock，在loadAllCategories方法中调用

image

接着全局搜索loadAllCategories，在load_images方法中调用

image

didInitialAttachCategories默认值是false，当执行完loadAllCategories()后将didInitialAttachCategories的值设为true，其实就是只调用一次loadAllCategories()方法
load_categories_nolock的调用流程：load_images --> loadAllCategories --> load_categories_nolock --> attachCategories

attachLists方法分析

attachLists方法得源码如下：

void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
    if (addedCount == 0) return;

    if (hasArray()) {
        // many lists -> many lists
        uint32_t oldCount = array()->count;
        uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
        array_t *newArray = (array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount));
        newArray->count = newCount;
        array()->count = newCount;

        for (int i = oldCount - 1; i >= 0; I--)
            newArray->lists[i + addedCount] = array()->lists[I];
        for (unsigned i = 0; i < addedCount; I++)
            newArray->lists[i] = addedLists[I];
        free(array());
        setArray(newArray);
        validate();
    }
    else if (!list  &&  addedCount == 1) {
        // 0 lists -> 1 list
        list = addedLists[0];
        validate();
    } 
    else {
        // 1 list -> many lists
        Ptr<List> oldList = list;
        uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
        uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
        setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
        array()->count = newCount;
        if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
        for (unsigned i = 0; i < addedCount; I++)
            array()->lists[i] = addedLists[I];
        validate();
    }
}

从源码可以看出，attachLists方法总共有三个流程分支：
【流程1】：0 lists -> 1 list

将addedLists[0]的指针赋值给list

【流程2】：1 list -> many lists

计算旧的list的个数
计算新的list个数，新的list个数 = 原有的list个数 + 新增的list个数
根据newCount开辟相应的内存，类型是array_t类型，并设置数组标识位-setArray
将原有的list放在数组的末尾，因为最多只有一个不需要遍历存储
遍历addedLists将遍历的数据从数组的开始位置存储

【流程3】：many lists -> many lists

判断hasArray()是否存在
计算原有的数组中的list个数，array()->lists
计算新的list个数，新的list个数 = 原有的list个数 + 新增的list个数
根据newCount开辟相应的内存，类型是array_t类型
设置新数组的个数等于newCount
设置原有数组的个数等于newCount
遍历原有数组中list将其存放在newArray->lists中且是放在数组的末尾
遍历addedLists将遍历的数据从数组的开始位置存储
释放原有的array()
设置新的newArray
list_array_tt结构和方法分析

image

rwe结构中的 方法、属性、协议的类型都是继承自list_array_tt，在底层是二维数组的形式存储

image

实例验证分类的加载

通过上面的两个例子，我们可以大致将类 和 分类 是否实现+load方法的情况分为4种

类和分类	分类实现+load	分类未实现+load
类实现+load	非懒加载类+非懒加载分类<span class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"></span>	非懒加载类+懒加载分类<span class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"></span>
类未实现+load	懒加载类+非懒加载分类<span class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"></span>	懒加载类+懒加载分类

准备工作

创建HTPerson类以及分类HTPerson (HTA)

非懒加载类和非懒加载分类的加载

即主类实现了+load方法，分类同样实现了+load方法，在前文分类的加载时机时，我们已经分析过这种情况，所以可以直接得出结论，这种情况下

程序启动，会直接加载非懒加载类，加载主类的方法
分类的数据加载是通过load_images加载到类中的

运行代码，发现会调用attachCategories方法，来加载分类信息，通过bt查看函数调用栈

image

在相应函数出设置断点，打印结果如下

image

通过MachOView查看可执行文件

image

非懒加载类与懒加载分类

即主类实现了+load方法，分类未实现+load方法

运行程序，发现并没有调用attachCategories方法，那么分类是如何加载的呢？

image

在realizeClassWithoutSwift方法处设置断点，我们来看一下ro是否有分类方法

image

获取ro的方法列表：p ro->baseMethods()
打印第i个方法信息： p $2.get(i).big()

image

从上面的打印输出可以看出，分类的方法和类的方法已经合并到一起了，方法的顺序是 HTA分类-HTPerson类，此时分类已经加载进来了，但是还没有排序，说明这种情况下分类数据在编译时就与类数据合并到一起了，不需要运行时添加进去

通过MachOView查看可执行文件

image

懒加载类与懒加载分类

即主类和分类均未实现+load方法

程序启动时，类数据不会加载，只有在首次接收消息时才加载

image

其中realizeClassMaybeSwiftMaybeRelock是消息流程中慢速查找中的函数，即在第一次调用消息时才会去加载懒加载类

在realizeClassWithoutSwift方法处设置断点，我们来看一下ro是否有分类方法

image

通过MachOView查看可执行文件

image

【结论】：

懒加载类与懒加载分类的数据加载是在消息第一次调用时加载
分类数据与类数据，在编译时已合并到一起，MachO文件中的分类列表__objc_catlist中无分类

懒加载类与非懒加载分类

即主类未实现+load方法，分类实现了+load方法

运行程序，会调用realizeClassWithoutSwift方法，即程序一启动，就会记载类数据，产看函数调用栈如下图：

image

在realizeClassWithoutSwift方法处设置断点，我们来看一下ro是否有分类方法

image

从上面的打印输出可以看出，分类的方法和类的方法已经合并到一起了，方法的顺序是 HTA分类-HTPerson类，此时分类已经加载进来了，但是还没有排序，说明这种情况下分类数据在编译时就与类数据合并到一起了，不需要运行时添加进去
通过MachOView查看可执行文件

image

结论：

懒加载类变成非懒加载类，分类的数据在编译期间合并到类数据中

多分类的情况

新增两个分类，HTPerson (HTB)和HTPerson (HTC)

image

通过不同组合来，验证类和分类的加载，总结如下

实现+load方法的分类个数	非懒加载类	懒加载类
0	编译时类数据与分类数据已合并 </br> MachO文件中类和分类数据如下：</br> __objc_classlist：1 </br> __objc_nlclslist：1 </br> __objc_catlist：0 </br> __objc_nlcatlist：0	首次接收消息时，才加载类数据，分类数据与类数据，在`编译时`已合并到一起 </br> MachO文件中类和分类数据如下：</br> __objc_classlist：1 </br> __objc_nlclslist：0 </br> __objc_catlist：0 </br> __objc_nlcatlist：0
1	程序启动加载类数据，load_images时加载分类数据 </br> MachO文件中类和分类数据如下：</br> __objc_classlist：1 </br> __objc_nlclslist：1 </br> __objc_catlist：3 </br> __objc_nlcatlist：1	程序启动加载类数据（`编译器将类标记为非懒加载类`），分类数据与类数据，在`编译时`已合并到一起 </br> MachO文件中类和分类数据如下：</br> __objc_classlist：1 </br> __objc_nlclslist：1 </br> __objc_catlist：0 </br> __objc_nlcatlist：0
2	程序启动加载类数据，load_images时加载分类数据 </br> MachO文件中类和分类数据如下：</br> __objc_classlist：1 </br> __objc_nlclslist：1 </br> __objc_catlist：3 </br> __objc_nlcatlist：2	编译后，`类仍是懒加载类`，程序启动（`load_images`方法中）会加载类和分类数据 </br> MachO文件中类和分类数据如下：</br> __objc_classlist：1 </br> __objc_nlclslist：0 </br> __objc_catlist：3 </br> __objc_nlcatlist：2
3	程序启动加载类数据，load_images时加载分类数据 </br> MachO文件中类和分类数据如下：</br> __objc_classlist：1 </br> __objc_nlclslist：1 </br> __objc_catlist：3 </br> __objc_nlcatlist：3	编译后，`类仍是懒加载类`，程序启动（`load_images`方法中）会加载类和分类数据 </br> MachO文件中类和分类数据如下：</br> __objc_classlist：1 </br> __objc_nlclslist：0 </br> __objc_catlist：3 </br> __objc_nlcatlist：3

1、非懒加载类 + 3个懒加载分类

image

2、非懒加载类 + 2个懒加载分类 + 1个非懒加载分类
程序启动加载类数据，load_images时按照MachO中 __objc_catlist中的顺序挨个加载分类数据

image

3、非懒加载类 + 1个懒加载分类 + 2个非懒加载分类

程序启动加载类数据，load_images时按照MachO中 __objc_catlist中的顺序挨个加载分类数据

4、非懒加载类 + 3个非懒加载分类

程序启动加载类数据，load_images时按照MachO中 __objc_catlist中的顺序挨个加载分类数据

5、懒加载类 + 3个懒加载分类

首次接收消息时，才加载类数据，分类数据与类数据，在编译时已合并到一起

image

6、懒加载类 + 2个懒加载分类 + 1个非懒加载分类

程序启动加载类数据（编译器将类标记为非懒加载类），分类数据与类数据，在编译时已合并到一起

image

7、懒加载类 + 1个懒加载分类 + 2个非懒加载分类

编译后，类仍是懒加载类，程序启动（load_images方法中）会加载类和分类数据，类和分类的加载流程：load_images --> prepare_load_methods --> realizeClassWithoutSwift --> methodizeClass --> attachToClass --> attachCategories

image

8、懒加载类 + 3个非懒加载类

image

iOS底层原理19：类和分类的加载

分类的本质

准备工作

探索分类本质的三种方法

【方式一】：通过clang

【方式二】：通过Xcode文档搜索 Category

【方式三】：通过objc源码搜索 category_t

分类的加载的源码分析

分类加载的引入

attachCategories 反推法

attachToClass流程流程分析

load_categories_nolock流程分析

attachLists方法分析

实例验证分类的加载

非懒加载类和非懒加载分类的加载

非懒加载类与懒加载分类

懒加载类与懒加载分类

懒加载类与非懒加载分类

多分类的情况

相关文章

网友评论

延伸阅读

深度阅读

栏目导航

热点阅读