10--- _read_images 浅析类的加载

作者: 清风烈酒2157 | 来源:发表于2021-01-12 21:43 被阅读0次

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前言

在iOS程序中会用到很多系统的动态库，这些动态库都是动态加载的。所有iOS程序共用一套系统动态库，在程序开始运行时才会开始链接动态库。

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除了在项目设置里显式出现的动态库外，还会有一些隐式存在的动态库。例如objc和Runtime所属的libobjc.dyld和libSystem.dyld，在libSystem中包含常用的libdispatch(GCD)、libsystem_c(C语言基础库)、libsystem_blocks(Block)等。

使用动态库的优点：

防止重复。iOS系统中所有App公用一套系统动态库，防止重复的内存占用。
减少包体积。因为系统动态库被内置到iOS系统中，所以打包时不需要把这部分代码打进去，可以减小包体积。
动态性。因为系统动态库是动态加载的，所以可以在更新系统后，将动态库换成新的动态库。

加载过程

在应用程序启动后，由dyld(the dynamic link editor)进行程序的初始化操作。大概流程就像下面列出的步骤，其中第3、4、5步会执行多次，在ImageLoader加载新的image进内存后就会执行一次。

在引用程序启动后，由dyld将应用程序加载到二进制中，并完成一些文件的初始化操作。
Runtime向dyld中注册回调函数。
通过ImageLoader将所有image加载到内存中。
dyld在image发生改变时，主动调用回调函数。
Runtime接收到dyld的函数回调，开始执行map_images、load_images等操作，并回调+load方法。
调用main()函数，开始执行业务代码。
ImageLoader是image的加载器，image可以理解为编译后的二进制。

下面是在Runtime的map_images函数打断点，观察回调情况的汇编代码。可以看出，调用是由dyld发起的，由ImageLoader通知dyld进行调用。

动态加载

一个OC程序可以在运行过程中动态加载和链接新类或Category，新类或Category会加载到程序中，其处理方式和其他类是相同的。动态加载还可以做许多不同的事，动态加载允许应用程序进行自定义处理。

OC提供了objc_loadModules运行时函数，执行Mach-O中模块的动态加载，在上层NSBundle对象提供了更简单的访问API。

map images

在Runtime加载时，会调用_objc_init函数，并在内部注册三个函数指针。其中map_images函数是初始化的关键，内部完成了大量Runtime环境的初始化操作。

在map_images函数中，内部也是做了一个调用中转。然后调用到map_images_nolock函数，内部核心就是_read_images函数。

源码分析

   // .... 各种init
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}

void map_images(unsigned count, const char * const paths[],
           const struct mach_header * const mhdrs[])
{
    rwlock_writer_t lock(runtimeLock);
    return map_images_nolock(count, paths, mhdrs);
}

void map_images_nolock(unsigned mhCount, const char * const mhPaths[],
                  const struct mach_header * const mhdrs[])
{
    if (hCount > 0) {
        _read_images(hList, hCount, totalClasses, unoptimizedTotalClasses);
    }
}

read_images函数内部的逻辑

先整体梳理一遍_read_images函数内部的逻辑：

加载所有类到类的gdb_objc_realized_classes表中。
对所有类做重映射。
将所有SEL都注册到namedSelectors表中。
修复函数指针遗留。
将所有Protocol都添加到protocol_map表中。
对所有Protocol做重映射。
初始化所有非懒加载的类，进行rw、ro等操作。
遍历已标记的懒加载的类，并做初始化操作。
处理所有Category，包括Class和Meta Class。
初始化所有未初始化的类。

源码

void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount, int totalClasses, int unoptimizedTotalClasses)
{
    header_info *hi;
    uint32_t hIndex;
    size_t count;
    size_t I;
    Class *resolvedFutureClasses = nil;
    size_t resolvedFutureClassCount = 0;
    static bool doneOnce;
    TimeLogger ts(PrintImageTimes);

#define EACH_HEADER \
    hIndex = 0;         \
    hIndex < hCount && (hi = hList[hIndex]); \
    hIndex++

    if (!doneOnce) {
        doneOnce = YES;
        // 实例化存储类的哈希表，并且根据当前类数量做动态扩容
        int namedClassesSize = 
            (isPreoptimized() ? unoptimizedTotalClasses : totalClasses) * 4 / 3;
        gdb_objc_realized_classes =
            NXCreateMapTable(NXStrValueMapPrototype, namedClassesSize);
    }

    // 由编译器读取类列表，并将所有类添加到类的哈希表中，并且标记懒加载的类并初始化内存空间
    for (EACH_HEADER) {
        if (! mustReadClasses(hi)) {
            continue;
        }

        bool headerIsBundle = hi->isBundle();
        bool headerIsPreoptimized = hi->isPreoptimized();

        /** 将新类添加到哈希表中 */
        
        // 从编译后的类列表中取出所有类，获取到的是一个classref_t类型的指针
        classref_t *classlist = _getObjc2ClassList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            // 数组中会取出OS_dispatch_queue_concurrent、OS_xpc_object、NSRunloop等系统类，例如CF、Fundation、libdispatch中的类。以及自己创建的类
            Class cls = (Class)classlist[I];
            // 通过readClass函数获取处理后的新类，
           //内部主要操作ro和rw结构体(需要后期处理)
            Class newCls = readClass(cls, headerIsBundle, headerIsPreoptimized);

            // 初始化所有懒加载的类需要的内存空间
            if (newCls != cls  &&  newCls) {
                // 将懒加载的类添加到数组中
                resolvedFutureClasses = (Class *)
                    realloc(resolvedFutureClasses, 
                            (resolvedFutureClassCount+1) * sizeof(Class));
                resolvedFutureClasses[resolvedFutureClassCount++] = newCls;
            }
        }
    }
    
    // 将未映射Class和Super Class重映射，被remap的类都是非懒加载的类
    if (!noClassesRemapped()) {
        for (EACH_HEADER) {
            // 重映射Class，注意是从_getObjc2ClassRefs函数中取出类的引用
            Class *classrefs = _getObjc2ClassRefs(hi, &count);
            for (i = 0; i < count; i++) {
                remapClassRef(&classrefs[I]);
            }
            // 重映射父类
            classrefs = _getObjc2SuperRefs(hi, &count);
            for (i = 0; i < count; i++) {
                remapClassRef(&classrefs[I]);
            }
        }
    }

    // 将所有SEL都注册到哈希表中，是另外一张哈希表
    static size_t UnfixedSelectors;
    sel_lock();
    for (EACH_HEADER) {
        if (hi->isPreoptimized()) continue;

        bool isBundle = hi->isBundle();
        SEL *sels = _getObjc2SelectorRefs(hi, &count);
        UnfixedSelectors += count;
        for (i = 0; i < count; i++) {
            const char *name = sel_cname(sels[i]);
            // 注册SEL的操作
            sels[i] = sel_registerNameNoLock(name, isBundle);
        }
    }

    // 修复旧的函数指针调用遗留
    for (EACH_HEADER) {
        message_ref_t *refs = _getObjc2MessageRefs(hi, &count);
        if (count == 0) continue;
        for (i = 0; i < count; i++) {
            // 内部将常用的alloc、objc_msgSend等函数指针进行注册，并fix为新的函数指针
            fixupMessageRef(refs+i);
        }
    }

    // 遍历所有协议列表，并且将协议列表加载到Protocol的哈希表中
    for (EACH_HEADER) {
        extern objc_class OBJC_CLASS_$_Protocol;
        // cls = Protocol类，所有协议和对象的结构体都类似，isa都对应Protocol类
        Class cls = (Class)&OBJC_CLASS_$_Protocol;
        assert(cls);
        // 获取protocol哈希表
        NXMapTable *protocol_map = protocols();
        bool isPreoptimized = hi->isPreoptimized();
        bool isBundle = hi->isBundle();

        // 从编译器中读取并初始化Protocol
        protocol_t **protolist = _getObjc2ProtocolList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            readProtocol(protolist[i], cls, protocol_map, 
                         isPreoptimized, isBundle);
        }
    }
    
    // 修复协议列表引用，优化后的images可能是正确的，但是并不确定
    for (EACH_HEADER) {
        // 需要注意到是，下面的函数是_getObjc2ProtocolRefs，和上面的_getObjc2ProtocolList不一样
        protocol_t **protolist = _getObjc2ProtocolRefs(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            remapProtocolRef(&protolist[I]);
        }
    }

    // 实现非懒加载的类，对于load方法和静态实例变量
    for (EACH_HEADER) {
        classref_t *classlist = 
            _getObjc2NonlazyClassList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            Class cls = remapClass(classlist[i]);
            addClassTableEntry(cls);
            if (!cls) continue;
             addClassTableEntry(cls);
            // 实现所有非懒加载的类(实例化类对象的一些信息，例如rw)
            realizeClassWithoutSwift(cls);
        }
    }

    // 遍历resolvedFutureClasses数组，实现所有懒加载的类
    if (resolvedFutureClasses) {
        for (i = 0; i < resolvedFutureClassCount; i++) {
            // 实现懒加载的类
            realizeClass(resolvedFutureClasses[I]);
            resolvedFutureClasses[i]->setInstancesRequireRawIsa(false/*inherited*/);
        }
        free(resolvedFutureClasses);
    }

    // 发现和处理所有Category
    for (EACH_HEADER) {
        // 外部循环遍历找到当前类，查找类对应的Category数组
        category_t **catlist = 
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();

        // 内部循环遍历当前类的所有Category
        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[I];
            Class cls = remapClass(cat->cls);

            // 首先，通过其所属的类注册Category。如果这个类已经被实现，则重新构造类的方法列表。
            bool classExists = NO;
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
                ||  cat->instanceProperties) 
            {
                // 将Category添加到对应Class的value中，value是Class对应的所有category数组
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                // 将Category的method、protocol、property添加到Class
                if (cls->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
            }

            // 这块和上面逻辑一样，区别在于这块是对Meta Class做操作，而上面则是对Class做操作
            // 根据下面的逻辑，从代码的角度来说，是可以对原类添加Category的
            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
                ||  (hasClassProperties && cat->_classProperties)) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
                if (cls->ISA()->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls->ISA());
                }
            }
        }
    }

    // 初始化从磁盘中加载的所有类，发现Category必须是最后执行的
    // 从runtime，DebugNonFragileIvars字段一直是-1，所以不会进入这个方法中
    if (DebugNonFragileIvars) {
        realizeAllClasses();
    }
#undef EACH_HEADER
}

源码简化

void _read_images {
    
    // 第一次进来 - 开始创建表 
    // gdb_objc_realized_classes : 所有类的表 - 包括实现的和没有实现的
    // allocatedClasses: 包含用objc_allocateClassPair分配的所有类（和元类）的表。(已分配)
    
    if (!doneOnce) {
           doneOnce = YES;
        // namedClasses
        // Preoptimized classes don't go in this table.
        // 4/3 is NXMapTable's load factor
        int namedClassesSize =
            (isPreoptimized() ? unoptimizedTotalClasses : totalClasses) * 4 / 3;
        gdb_objc_realized_classes =
            NXCreateMapTable(NXStrValueMapPrototype, namedClassesSize);
        
        allocatedClasses = NXCreateHashTable(NXPtrPrototype, 0, nil);
    }
    
    // 读取所有类的列表
    for (EACH_HEADER) {
        classref_t *classlist = _getObjc2ClassList(hi, &count);
    }
    
    // 获取所有的类引用
    for (EACH_HEADER) {
        Class *classrefs = _getObjc2ClassRefs(hi, &count);
    }

    // sel - 方法编号
    for (EACH_HEADER) {
        SEL *sels = _getObjc2SelectorRefs(hi, &count);
    }
    
    // 修复旧的objc_msgSend_fixup调用导致一些消息没有处理
    for (EACH_HEADER) {
        message_ref_t *refs = _getObjc2MessageRefs(hi, &count);
    }
    
    // 协议
    for (EACH_HEADER) {
        protocol_t **protolist = _getObjc2ProtocolList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            readProtocol(protolist[i], cls, protocol_map, isPreoptimized, isBundle);
        }
    }
    
    // 修复协议重映射
    // 获取所有的协议引用
    for (EACH_HEADER) {
       protocol_t **protolist = _getObjc2ProtocolRefs(hi, &count);
       for (i = 0; i < count; i++) {
           remapProtocolRef(&protolist[I]);
       }
    }
    
    // 实现非惰性类（用于+ load方法和静态实例）
     for (EACH_HEADER) {
         classref_t *classlist = _getObjc2NonlazyClassList(hi, &count);
     }
    
    // 在CF基础上，实现未来类
    if (resolvedFutureClasses) {
        for (i = 0; i < resolvedFutureClassCount; i++) {
            Class cls = resolvedFutureClasses[I];
            if (cls->isSwiftStable()) {
                _objc_fatal("Swift class is not allowed to be future");
            }
            realizeClassWithoutSwift(cls);
            cls->setInstancesRequireRawIsa(false/*inherited*/);
        }
        free(resolvedFutureClasses);
    }
    
    
    // 分类
    for (EACH_HEADER) {
        category_t **catlist = _getObjc2CategoryList(hi, &count);
    }
    
}

分析类的加载

数组中会取出OS_dispatch_queue_concurrent、OS_xpc_object、NSRunloop等系统类，例如CF、Fundation、libdispatch中的类。以及自己创建的类

通过readClass函数获取处理后的新类

addNamedClass(cls, mangledName, replacing); addClassTableEntry(cls);
这两个方法讲类加入到table列表中是一个hash表

            Class cls = (Class)classlist[I];
            Class newCls = readClass(cls, headerIsBundle, headerIsPreoptimized);

readClass
Class newCls = popFutureNamedClass(mangledName)打断点调试发现并没有走这里所以rw不在此时负责

if (Class newCls = popFutureNamedClass(mangledName)) {
        // This name was previously allocated as a future class.
        // Copy objc_class to future class's struct.
        // Preserve future's rw data block.
        if (newCls->isAnySwift()) {
            _objc_fatal("Can't complete future class request for '%s' "
                        "because the real class is too big.", 
                        cls->nameForLogging());
        }
        class_rw_t *rw = newCls->data();
        const class_ro_t *old_ro = rw->ro;
        memcpy(newCls, cls, sizeof(objc_class));
        rw->ro = (class_ro_t *)newCls->data();
        newCls->setData(rw);
        freeIfMutable((char *)old_ro->name);
        free((void *)old_ro);
        addRemappedClass(cls, newCls);
        replacing = cls;
        cls = newCls;
    }
    if (headerIsPreoptimized  &&  !replacing) {
        // class list built in shared cache
        // fixme strict assert doesn't work because of duplicates
        // assert(cls == getClass(name));
        assert(getClassExceptSomeSwift(mangledName));
    } else {
        addNamedClass(cls, mangledName, replacing);
        addClassTableEntry(cls);
    }

实现非懒加载的类，对于load方法和静态实例变量

    for (EACH_HEADER) {
        classref_t *classlist = 
            _getObjc2NonlazyClassList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            Class cls = remapClass(classlist[i]);
            // printf("non-lazy Class:%s\n",cls->mangledName());
            if (!cls) continue;

            // hack for class __ARCLite__, which didn't get this above
#if TARGET_OS_SIMULATOR
            if (cls->cache._buckets == (void*)&_objc_empty_cache  &&  
                (cls->cache._mask  ||  cls->cache._occupied)) 
            {
                cls->cache._mask = 0;
                cls->cache._occupied = 0;
            }
            if (cls->ISA()->cache._buckets == (void*)&_objc_empty_cache  &&  
                (cls->ISA()->cache._mask  ||  cls->ISA()->cache._occupied)) 
            {
                cls->ISA()->cache._mask = 0;
                cls->ISA()->cache._occupied = 0;
            }
#endif
            //已经添加过的类不会再次添加 
            addClassTableEntry(cls);
            
            ......
            
             // 实现所有非懒加载的类(实例化类对象的一些信息，例如rw)
            realizeClassWithoutSwift(cls);

realizeClassWithoutSwift

读取class的data() ro/rw的创建

//这个地方很重要
    if (!cls) return nil;
    if (cls->isRealized()) return cls;
    assert(cls == remapClass(cls));
    // fixme verify class is not in an un-dlopened part of the shared cache?
    ro = (const class_ro_t *)cls->data();
    if (ro->flags & RO_FUTURE) {
        // This was a future class. rw data is already allocated.
        rw = cls->data();
        ro = cls->data()->ro;
        cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
    } else {
        // Normal class. Allocate writeable class data.
        rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
        rw->ro = ro;
        rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
        cls->setData(rw);
    }

父类和元类的创建这是一个递归最后都会return nil;

supercls = realizeClassWithoutSwift(remapClass(cls->superclass));
    metacls = realizeClassWithoutSwift(remapClass(cls->ISA()));

设置父类与元类的归属关系

 // Update superclass and metaclass in case of remapping
    cls->superclass = supercls;
    cls->initClassIsa(metacls);

.将此类链接到超类的子类列表 (看翻译)


    // Connect this class to its superclass's subclass lists
    if (supercls) {
        addSubclass(supercls, cls);
    } else {
        addRootClass(cls);
    }

realizeClassWithoutSwift->methodizeClass(cls);

通过mrthod_list_t property_list_t protocol_list_t 将属性协议方法分类写入.

  method_list_t *list = ro->baseMethods();
    if (list) {
        prepareMethodLists(cls, &list, 1, YES, isBundleClass(cls));
        rw->methods.attachLists(&list, 1);
    }

    property_list_t *proplist = ro->baseProperties;
    if (proplist) {
        rw->properties.attachLists(&proplist, 1);
    }

    protocol_list_t *protolist = ro->baseProtocols;
    if (protolist) {
        rw->protocols.attachLists(&protolist, 1);
    }

    // Root classes get bonus method implementations if they don't have 
    // them already. These apply before category replacements.
    if (cls->isRootMetaclass()) {
        // root metaclass
        //类方法级内部实现
        addMethod(cls, SEL_initialize, (IMP)&objc_noop_imp, "", NO);
    }

    // Attach categories.
    category_list *cats = unattachedCategoriesForClass(cls, true /*realizing*/);
    attachCategories(cls, cats, false /*don't flush caches*/);

attachLists内部实现

多对多直接扩容将数组插进去
只有一个直接加入
一对多插在最前面

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

        if (hasArray()) {
            // many lists -> many lists
            uint32_t oldCount = array()->count;//10
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;//4
            setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;// 10+4
   
            memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists,
                    oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
            
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            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;
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
    }

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