前言
从之前对类的探索，还剩下类对象 objc_class 的成员 cache 没有探索。看名字我们知道它是缓存，下面我们通过源码研究一下。
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA; // 8
Class superclass; // 8
cache_t cache; // 16 不是8 // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
// ...省略...
一、cache_t 源码分析
1. cache_t 基本结构
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets; // 8
mask_t _mask; // 4
mask_t _occupied; // 4
public:
struct bucket_t *buckets();
mask_t mask();
mask_t occupied();
void incrementOccupied();
void setBucketsAndMask(struct bucket_t *newBuckets, mask_t newMask);
void initializeToEmpty();
mask_t capacity();
bool isConstantEmptyCache();
bool canBeFreed();
static size_t bytesForCapacity(uint32_t cap);
static struct bucket_t * endMarker(struct bucket_t *b, uint32_t cap);
void expand();
void reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity);
struct bucket_t * find(cache_key_t key, id receiver);
static void bad_cache(id receiver, SEL sel, Class isa) __attribute__((noreturn));
};
- _buckets：数组，是bucket_t结构体的数组，bucket_t是用来存放方法的SEL内存地址和IMP的
- _mask：的大小是数组大小 - 1，用作掩码。（因为这里维护的数组大小都是2的整数次幂，所以_mask的二进制位000011, 000111, 001111）刚好可以用作hash取余数的掩码。刚好保证相与后不超过缓存大小。
- _occupied：当前已缓存的方法数，缓存数组中已使用的容量。
2. bucket_t 结构
struct bucket_t {
private:
// IMP-first is better for arm64e ptrauth and no worse for arm64.
// SEL-first is better for armv7* and i386 and x86_64.
#if __arm64__
MethodCacheIMP _imp;
cache_key_t _key;
#else
cache_key_t _key;
MethodCacheIMP _imp;
#endif
public:
inline cache_key_t key() const { return _key; }
inline IMP imp() const { return (IMP)_imp; }
inline void setKey(cache_key_t newKey) { _key = newKey; }
inline void setImp(IMP newImp) { _imp = newImp; }
void set(cache_key_t newKey, IMP newImp);
};
_imp：函数调用地址，方法实现IMP
cache_key_t _key：_key实际就是sel强转(cache_key_t)sel，把sel方法名字转为十进制。
通过观察 arm64 中，存的是MethodCacheIMP _imp、cache_key_t _key，这些属性证明缓存的就是方法。
二、cache_t 缓存方法的流程
1. 缓存入口
点击cache_t中的public函数，会进入到objc-cache.mm源码中，在最上边会看到这样一段说明：
/*
*Cache readers (PC-checked by collecting_in_critical())
* objc_msgSend*
* cache_getImp
*
* Cache writers (hold cacheUpdateLock while reading or writing; not PC-checked)
* cache_fill (acquires lock)
* cache_expand (only called from cache_fill)
* cache_create (only called from cache_expand)
* bcopy (only called from instrumented cache_expand)
* flush_caches (acquires lock)
* cache_flush (only called from cache_fill and flush_caches)
* cache_collect_free (only called from cache_expand and cache_flush)
*/
缓存的读写，以及需要调用的方法顺序，那么我们先从写入 Cache writers 来看。
首先就是 cache_fill。
2. cache_fill
查看 cache_fill 源码，我们发现主要是调用了 cache_fill_nolock 方法：
void cache_fill(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
#if !DEBUG_TASK_THREADS
mutex_locker_t lock(cacheUpdateLock);
cache_fill_nolock(cls, sel, imp, receiver);
#else
_collecting_in_critical();
return;
#endif
}
3. cache_fill_nolock
static void cache_fill_nolock(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
cacheUpdateLock.assertLocked();
// Never cache before +initialize is done
// 没有初始化的缓存直接return
if (!cls->isInitialized()) return;
// Make sure the entry wasn't added to the cache by some other thread
// before we grabbed the cacheUpdateLock.
if (cache_getImp(cls, sel)) return;
cache_t *cache = getCache(cls);
cache_key_t key = getKey(sel);
// Use the cache as-is if it is less than 3/4 full
mask_t newOccupied = cache->occupied() + 1;
mask_t capacity = cache->capacity();
if (cache->isConstantEmptyCache()) {
// Cache is read-only. Replace it.
cache->reallocate(capacity, capacity ?: INIT_CACHE_SIZE);
}
else if (newOccupied <= capacity / 4 * 3) {
// Cache is less than 3/4 full. Use it as-is.
}
else {
// Cache is too full. Expand it.
cache->expand();
}
// Scan for the first unused slot and insert there.
// There is guaranteed to be an empty slot because the
// minimum size is 4 and we resized at 3/4 full.
bucket_t *bucket = cache->find(key, receiver);
if (bucket->key() == 0) cache->incrementOccupied();
bucket->set(key, imp);
}
- cache_getImp
if (cache_getImp(cls, sel)) return;
判断当前cls下的sel是否已经被缓存了，如果已经有缓存直接返回。确保缓存没有被其他线程写入，才能进行接下来的填充缓存的操作。
- getCache
cache_t *cache = getCache(cls);
获取当前类的缓存，内部实现如下：
cache_t *getCache(Class cls)
{
assert(cls);
return &cls->cache;
}
- getKey
cache_key_t key = getKey(sel);
通过sel方法获取缓存key，其实就是一个类型的强转，内部实现如下：
cache_key_t getKey(SEL sel)
{
assert(sel);
return (cache_key_t)sel;
}
- mask_t newOccupied = cache->occupied() + 1;
在已占用内存
occupied的基础上 +1，得到新的缓存占用大小newOccupied。
- mask_t capacity = cache->capacity();
获取当前hash表的容量，也就是总容量大小。
- cache->reallocate(capacity, capacity ?: INIT_CACHE_SIZE);
判断缓存是否为空；如果缓存为空，重新开辟空间，最少4字节
if (cache->isConstantEmptyCache()) {
cache->reallocate(capacity, capacity ?: INIT_CACHE_SIZE);
}
// 1左移两位，也就是4字节
enum {
INIT_CACHE_SIZE_LOG2 = 2,
INIT_CACHE_SIZE = (1 << INIT_CACHE_SIZE_LOG2)
};
reallocate：重新开辟缓存空间
void cache_t::reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity)
{
// 是否需要释放旧缓存
bool freeOld = canBeFreed();
bucket_t *oldBuckets = buckets(); // 旧缓存
bucket_t *newBuckets = allocateBuckets(newCapacity); // 初始化新的缓存
// Cache's old contents are not propagated.
// This is thought to save cache memory at the cost of extra cache fills.
// fixme re-measure this
assert(newCapacity > 0);
assert((uintptr_t)(mask_t)(newCapacity-1) == newCapacity-1);
// 设置新的buckets和mask
setBucketsAndMask(newBuckets, newCapacity - 1);
// 释放旧缓存
if (freeOld) {
cache_collect_free(oldBuckets, oldCapacity);
cache_collect(false);
}
}
- cache->expand();
判断
newOccupied大于总容量的3/4，走expand()进行缓存扩容，小于等于3/4仍使用现有缓存空间。
else if (newOccupied <= capacity / 4 * 3) {
// Cache is less than 3/4 full. Use it as-is.
} else {
cache->expand();
}
expand：扩容
void cache_t::expand()
{
cacheUpdateLock.assertLocked();
// 旧缓存空间
uint32_t oldCapacity = capacity();
// 扩容为二倍旧的缓存空间
uint32_t newCapacity = oldCapacity ? oldCapacity*2 : INIT_CACHE_SIZE;
if ((uint32_t)(mask_t)newCapacity != newCapacity) {
// mask overflow - can't grow further
// fixme this wastes one bit of mask
newCapacity = oldCapacity;
}
// 重新开辟内存
reallocate(oldCapacity, newCapacity);
}
- 最后把新调用的方法添加到缓存中，并存储
key和imp
// Scan for the first unused slot and insert there.
// There is guaranteed to be an empty slot because the
// minimum size is 4 and we resized at 3/4 full.
bucket_t *bucket = cache->find(key, receiver); // 找到桶
if (bucket->key() == 0) cache->incrementOccupied(); // 如果key==0则说明之前未存储过这个key，占用空间+1
bucket->set(key, imp); // 存储 key和imp 到bucket
3. ·find() 查找缓存key
bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)
{
assert(k != 0);
bucket_t *b = buckets();
mask_t m = mask();
// 通过cache_hash函数【begin = k & m】计算出key值 k 对应的 index值 begin，用来记录查询起始索引
mask_t begin = cache_hash(k, m);
// begin 赋值给 i，用于切换索引
mask_t i = begin;
do {
if (b[i].key() == 0 || b[i].key() == k) {
//用这个i从散列表取值，如果取出来的bucket_t的 key = k，则查询成功，返回该bucket_t，
//如果key = 0，说明在索引i的位置上还没有缓存过方法，同样需要返回该bucket_t，用于中止缓存查询。
return &b[i];
}
} while ((i = cache_next(i, m)) != begin);
// 这一步其实相当于 i = i-1,回到上面do循环里面，相当于查找散列表上一个单元格里面的元素，再次进行key值 k的比较，
//当i=0时，也就i指向散列表最首个元素索引的时候重新将mask赋值给i，使其指向散列表最后一个元素，重新开始反向遍历散列表，
//其实就相当于绕圈，把散列表头尾连起来，不就是一个圈嘛，从begin值开始，递减索引值，当走过一圈之后，必然会重新回到begin值，
//如果此时还没有找到key对应的bucket_t，或者是空的bucket_t，则循环结束，说明查找失败，调用bad_cache方法。
// hack
Class cls = (Class)((uintptr_t)this - offsetof(objc_class, cache));
cache_t::bad_cache(receiver, (SEL)k, cls);
}
- mask_t begin = cache_hash(s, m);
static inline mask_t cache_hash(cache_key_t key, mask_t mask)
{
return (mask_t)(key & mask);
}
cache_hash(s, m)是 hash 算法，bucket_t里边缓存的实际上就是一个hash表，可以看做是 key：value 的结构，begin是查询的起始索引。
- do...white
闭环查找，如果取出来的
key = k，则查询成功，返回该bucket_t；
如果key = 0，说明在索引i的位置上还没有缓存过方法，同样需要返回该bucket_t，用于中止缓存查询。
do {
if (b[i].key() == 0 || b[i].key() == k) {
return &b[i];
}
} while ((i = cache_next(i, m)) != begin);
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
return i ? i-1 : mask;
}
三、总结
- 实例方法缓存在类中，类方法缓存在元类中
- 方法缓存是以 hash表 的形式存储
- cache_t 当前使用缓存空间在大于3/4时会进行扩容，扩容时会抹除旧的
buckets创建新的二倍当前空间，然后把最近一次的临界方法缓存进来- 缓存方法是为了最大化提高程序的执行效率
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