深入理解 Objective-C 的方法调用流程

我们知道，Objective-C 的方法调用不同于其他编程语言。在 Objective-C 中，所有的 [receiver message] 都会转换为 objc_msgSend(receiver, @selector(message));

而 objc_msgSend 的调用又涉及到方法查找、消息动态处理等过程。下面我们结合 objc 的源码来深入了解 Objective-C 的方法调用流程。

首先了解几个概念，

SEL

打开 objc.h，我们能看到 SEL 的定义如下：

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

Objective-C 在编译时，会根据方法的名字生成一个用来区分这个方法的唯一的一个ID，本质上就是一个字符串。只要方法名称相同，那么它们的ID就是相同的。

IMP

打开 objc.h，我们看到 IMP 的定义如下：

typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 

实际上就是一个函数指针，指向方法实现的首地址。

通过取得 IMP，我们可以跳过 runtime 的消息传递机制，直接执行 IMP指向的函数实现，这样省去了 runtime 消息传递过程中所做的一系列查找操作，会比直接向对象发送消息高效一些，当然必须说明的是，这种方式只适用于极特殊的优化场景，如效率敏感的场景下大量循环的调用某方法^[1]。

直接使用 IMP 执行方法调用的例子如下：

- (void)callFunctionUsingIMP
{
    //Build Setting --> Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls  改为 NO
    void (*imp) (id,SEL,id) = (void (*)(id,SEL,id))[self methodForSelector:@selector(testImp:)];
    imp(self,@selector(testImp:),@"hello");
}

- (void)testImp:(NSString *)string
{
    NSLog(@"%@",string);
}

有两点需要注意：

1. 需要在 Build Setting 中将 Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls 的设置改为 NO
2. 通过 methodForSelector 获取到 IMP 需要根据具体的参数进行类型转换，参考这个问题

Method

在 objc.h 中， Method 的定义如下：

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

Method = SEL + IMP + method_types，相当于在SEL和IMP之间建立了一个映射。

iOS方法调用流程

objc_msgSend() Tour 系列文章通过对 objc_msgSend 的汇编源码分析，总结出以下流程：

1. 检查 selector 是否需要忽略
2. 检查 target 是否为 nil，如果是 nil 就直接 cleanup，然后 return
3. 在 target 的 Class 中根据 selector 去找 IMP

寻找 IMP 的过程^[2]:

1. 在当前 class 的方法缓存里寻找（cache methodLists）
2. 找到了跳到对应的方法实现，没找到继续往下执行
3. 从当前 class 的 方法列表里查找（methodLists），找到了添加到缓存列表里，然后跳转到对应的方法实现；没找到继续往下执行
4. 从 superClass 的缓存列表和方法列表里查找，直到找到基类为止
5. 以上步骤还找不到 IMP，则进入消息动态处理和消息转发流程，详见这篇文章

我们能在 objc.h 源码中找到上述寻找 IMP 的过程，具体对应的代码如下：

/***********************************************************************
* lookUpMethod.
* The standard method lookup. 
* initialize==NO tries to avoid +initialize (but sometimes fails)
* cache==NO skips optimistic unlocked lookup (but uses cache elsewhere)
* Most callers should use initialize==YES and cache==YES.
* May return _objc_msgForward_internal. IMPs destined for external use 
*   must be converted to _objc_msgForward or _objc_msgForward_stret.
**********************************************************************/
__private_extern__ IMP lookUpMethod(Class cls, SEL sel, 
                                    BOOL initialize, BOOL cache)
{
    Class curClass;
    IMP methodPC = NULL;
    Method meth;
    BOOL triedResolver = NO;

    // Optimistic cache lookup
    if (cache) {
        methodPC = _cache_getImp(cls, sel);
        if (methodPC) return methodPC;    
    }

    // realize, +initialize, and any special early exit
    methodPC = prepareForMethodLookup(cls, sel, initialize);
    if (methodPC) return methodPC;


    // The lock is held to make method-lookup + cache-fill atomic 
    // with respect to method addition. Otherwise, a category could 
    // be added but ignored indefinitely because the cache was re-filled 
    // with the old value after the cache flush on behalf of the category.
 retry:
    lockForMethodLookup();

    // Try this class's cache.

    methodPC = _cache_getImp(cls, sel);
    if (methodPC) goto done;

    // Try this class's method lists.

    meth = _class_getMethodNoSuper_nolock(cls, sel);
    if (meth) {
        log_and_fill_cache(cls, cls, meth, sel);
        methodPC = method_getImplementation(meth);
        goto done;
    }

    // Try superclass caches and method lists.

    curClass = cls;
    while ((curClass = _class_getSuperclass(curClass))) {
        // Superclass cache.
        meth = _cache_getMethod(curClass, sel, &_objc_msgForward_internal);
        if (meth) {
            if (meth != (Method)1) {
                // Found the method in a superclass. Cache it in this class.
                log_and_fill_cache(cls, curClass, meth, sel);
                methodPC = method_getImplementation(meth);
                goto done;
            }
            else {
                // Found a forward:: entry in a superclass.
                // Stop searching, but don't cache yet; call method 
                // resolver for this class first.
                break;
            }
        }

        // Superclass method list.
        meth = _class_getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            log_and_fill_cache(cls, curClass, meth, sel);
            methodPC = method_getImplementation(meth);
            goto done;
        }
    }

    // No implementation found. Try method resolver once.

    if (!triedResolver) {
        unlockForMethodLookup();
        _class_resolveMethod(cls, sel);
        // Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have 
        // changed already. Re-do the search from scratch instead.
        triedResolver = YES;
        goto retry;
    }

    // No implementation found, and method resolver didn't help. 
    // Use forwarding.

    _cache_addForwardEntry(cls, sel);
    methodPC = &_objc_msgForward_internal;

 done:
    unlockForMethodLookup();

    // paranoia: look for ignored selectors with non-ignored implementations
    assert(!(sel == (SEL)kIgnore  &&  methodPC != (IMP)&_objc_ignored_method));

    return methodPC;
}

通过上述代码，我们清晰地了解到了 runtime 库寻找 IMP 的过程。

需要注意的是，在 superClass 中寻找 IMP 时，不论是在 cache methodLists 还是 methodLists 中找到 IMP，都会先存入当前 class 的 cache methodLists 再跳转到对应的方法实现。

这是我写的 runtime 系列文章中的一篇，还有以下几篇从其他方面对 runtime 进行了介绍

1. iOS runtime之消息转发
2. iOS runtime 之 Class 和 MetaClass
3. iOS runtime 之 Category
4. Objective-C 深入理解 +load 和 +initialize

参考资料

• http://gold.xitu.io/entry/56a1b2187db2a2005a1309b3
• http://chun.tips/blog/2014/11/06/bao-gen-wen-di-objective%5Bnil%5Dc-runtime(3)%5Bnil%5D-xiao-xi-he-category/

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