objc_msgSend 流程分析（快速查找）

作者: 远方竹叶 | 来源:发表于2020-09-23 16:43 被阅读0次

在上一篇 cache_t 原理分析分析了 cache 的写入流程，在写入之前还有 cache 的读取流程

runtime

runtime 即我们常说的 运行时，是 OC 底层的一套 C/C++ 的 API，编译器最终都会将 OC 代码转化为运行时代码，我们通过 clang -rewrite-objc xxx.m可以看到编译后的 .cpp 文件。

运行时 是相对于 编译时 而言

运行时：代码跑起来，被装载到内存中的过程，如果代码有问题，会崩溃，是一个动态阶段
编译时：是将源代码编译成计算机能识别的代码的过程，主要是检查语法、词法分析，是一个静态的阶段

交互方式

Objective-C 代码：例如 [person say666];
NSObject 方法：例如 isKindOfClass、isMemberOfClass
Runtime API：例如 class_getInstanceSize

compiler 就是我们熟知的编译器，即 LLVM，runtime system libarary 就是底层库

方法的本质

准备环境

创建一个 LCPerson 类继承自 NSObject，添加一个实例方法

@interface LCPerson : NSObject

-(void)say666;
    
@end

@implementation LCPerson

-(void)say666 {
    NSLog(@"say666");
}

@end

在 main 函数中创建 LCPerson 的实例，并调用实例方法

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        LCPerson *person = [LCPerson alloc];
        [person say666];
        
    }
    return 0;
}

通过 Clang 命令，将 main.m 文件编译成 main.cpp 文件，找到 main 函数的实现代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        LCPerson *person = ((LCPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LCPerson"), sel_registerName("alloc"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("say666"));

    }
    return 0;
}

可以看到，LCPerson 类调用 alloc 类方法以及对象调用 say666 实例方法，最终都会转化为 objc_msgSend 消息发送，由此，我们可以判断方法的本质就是消息发送。

验证

我们可以通过调用 objc_msgSend 方式调用，查看与对象直接调用结果是否一致

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        LCPerson *person = [LCPerson alloc];
        [person say666];
        
        objc_msgSend(person, sel_registerName("say666"));
        
    }
    return 0;
}

打印结果

可以看到 [person say666] 与 objc_msgSend(person, sel_registerName("say666")) 是一致的

注意：
直接调用 objc_msgSend 的方法会报错，需要导入头文件 #import <objc/message.h>，此时编译还是会报错，需要将严厉检查机制设置为 NO

调用父类方法

我们再创建一个 LCSon 类，继承自 LCPerson 类，并声明 -(void)say666 实例方法，不实现

@interface LCSon : LCPerson

-(void)say666;
    
@end

@implementation LCSon

@end

通过调用 objc_msgSendSuper 方式调用，查看与子类对象直接调用结果

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        LCSon *son = [LCSon alloc];
        [son say666];
        
        struct objc_super lcsuper;
        lcsuper.receiver = son;
        lcsuper.super_class = [LCPerson class];
        
        objc_msgSendSuper(&lcsuper, sel_registerName("say666"));
        
    }
    return 0;
}

打印结果

我们发现 [son say666] 和 objc_msgSendSuper 执行的都是父类中 say666 的实现，由此我们可以猜测，方法调用，首先是在类中查找，如果类中没有找到，会到类的父类中查找。

拓展-objc_msgSendSuper

上面我们用到了 objc_msgSendSuper 调用，我们看下它的源码定义

OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_msgSendSuper(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
#endif

有两个参数（objc_super 结构体，sel 方法名），其结构体类型是objc_super定义的结构体对象

struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message.
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained _Nonnull Class class;
#else
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};
#endif

从源码我们可以知道 objc_super 有两个成员 receiver（消息接收者）以及 super_class （父类）。这个是告诉编译器，优先从父类中查找方法实现；直接调用方法是优先从子类中找方法实现。

objc_msgSend

在 objc-781 源码中查找 objc_msgSend，发现都是用汇编实现的，汇编的特性

快：更容易被机器识别
参数的动态性：汇编调用函数时传递的参数是不确定的

消息查找机制

快速查找：通过 cache 缓存查找
慢速查找：methodList 中查找，查找不到会走消息转发流程

源码分析

在 objc4-781 源码中我们在 objc-msg-arm64.s 文件找到 ENTRY _objc_msgSend 入口部分

    ENTRY _objc_msgSend
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
    //p0 是传入的第一个参数：消息的接收者。
    //cmp（compare） p0与nil比较，如果p0为空，那么就直接返回
    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    //小对象类型
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)
#else
    //消息接收者（p0）为空，返回空
    b.eq    LReturnZero
#endif
    //从x0寄存器指向的地址 取出消息接收者的 isa，存入 p13寄存
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa
    //在 64 位架构下，p16 = isa（p13） & ISA_MASK，拿出shiftcls信息，得到class信息
    GetClassFromIsa_p16 p13     // p16 = class
LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached
    //如果有isa，走到CacheLookup 即缓存查找流程，也就是所谓的sel-imp快速查找流程
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend

#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged:
    //等于空，返回空
    b.eq    LReturnZero     // nil check

    // tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #60, #4
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    adrp    x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGE
    add x10, x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEOFF
    cmp x10, x16
    b.ne    LGetIsaDone

    // ext tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #52, #8
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    b   LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endif

LReturnZero:
    // x0 is already zero
    mov x1, #0
    movi    d0, #0
    movi    d1, #0
    movi    d2, #0
    movi    d3, #0
    ret

    END_ENTRY _objc_msgSend

1. 消息接收者（receiver）是否为空

如果支持 tagged pointer，跳转至 LNilOrTagged
- 如果小对象为空，直接返回空（LReturnZero）
- 不为空，继续下面流程
如果不是小对象
- 消息接收者（p0）为空，返回空（LReturnZero）
- 从 receiver 中取出 isa 存入 p13 寄存器
- 通过 GetClassFromIsa_p16 得到 class 信息

GetClassFromIsa_p16 的汇编代码如下

.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */
//此处用于watchOS
#if SUPPORT_INDEXED_ISA 
    // Indexed isa
//将isa的值存入p16寄存器
    mov p16, $0         // optimistically set dst = src 
    //判断是否是 nonapointer isa
    tbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f  // done if not non-pointer isa 
    // isa in p16 is indexed
//将_objc_indexed_classes所在的页的基址 读入x10寄存器
    adrp    x10, _objc_indexed_classes@PAGE 
//x10 = x10 + _objc_indexed_classes(page中的偏移量) x10基址 根据 偏移量 进行 内存偏移
    add x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
//从p16的第ISA_INDEX_SHIFT位开始，提取 ISA_INDEX_BITS 位 到 p16寄存器，剩余的高位用0补充
    ubfx    p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS  // extract index 
    ldr p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT] // load class from array
1:

#elif __LP64__ 
    // 64-bit packed isa
//p16 = class = isa & ISA_MASK(位运算 & 即获取isa中的shiftcls信息)
    and p16, $0, #ISA_MASK 

#else
    // 32-bit raw isa
    mov p16, $0

#endif

.endmacro

2. CacheLookup 缓存查找

CacheLookup 的汇编源码

.macro CacheLookup
    //
    // Restart protocol:
    //
    //   As soon as we're past the LLookupStart$1 label we may have loaded
    //   an invalid cache pointer or mask.
    //
    //   When task_restartable_ranges_synchronize() is called,
    //   (or when a signal hits us) before we're past LLookupEnd$1,
    //   then our PC will be reset to LLookupRecover$1 which forcefully
    //   jumps to the cache-miss codepath which have the following
    //   requirements:
    //
    //   GETIMP:
    //     The cache-miss is just returning NULL (setting x0 to 0)
    //
    //   NORMAL and LOOKUP:
    //   - x0 contains the receiver
    //   - x1 contains the selector
    //   - x16 contains the isa
    //   - other registers are set as per calling conventions
    //
LLookupStart$1:

    // p1 = SEL, p16 = isa
    //#define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__)，其中 __SIZEOF_POINTER__表示pointer的大小 ，即 2*8 = 16
    //p11 = mask|buckets，从 x16（isa）中平移16字节，得到 cache，存入p11。objc_class 结构，偏移 isa（8字节）+ superClass（8字节）就是 cache（mask高16位 + buckets低48位）
    ldr p11, [x16, #CACHE]              // p11 = mask|buckets

#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    //p11(cache) & 0x0000ffffffffffff ，高16位抹零，得到 buckets，存入p10寄存器
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets
    //p11(cache)右移48位，得到 mask，mask&p1（sel，msgSend的第二个参数 cmd），就会得到 sel-imp的下标 index，存入p12
    and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    and p10, p11, #~0xf         // p10 = buckets
    and p11, p11, #0xf          // p11 = maskShift
    mov p12, #0xffff
    lsr p11, p12, p11               // p11 = mask = 0xffff >> p11
    and p12, p1, p11                // x12 = _cmd & mask
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif

    //define PTRSHIFT 3
    //p12是下标，p10是 buckets 的首地址，下标左移16位（1<<4）得到实际内存的偏移量，通过buckets的首地址偏移，获取bucket存入p12寄存器
    //LSL #(1+PTRSHIFT)-- 实际含义就是得到一个bucket占用的内存大小 -- 相当于mask = occupied -1-- _cmd & mask -- 取余数
    add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))
    //从x12（即p12）中取出 bucket 分别将imp和sel 存入 p17（存储imp） 和 p9（存储sel）
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket
//比较 sel 与 p1
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
    //不相等，跳转到2f
    b.ne    2f          //     scan more
    //相等，即 cacheHit 缓存命中，直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
    //如果一直都找不到， 因为是normal ，跳转至__objc_msgSend_uncached
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
    //判断p12（下标对应的bucket） 是否 等于 p10（buckets数组第一个元素）
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
    //如果等于，则跳转至第3f
    b.eq    3f
    //从x12（即p12 buckets首地址）- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二个bucket元素，imp-sel分别存入p17-p9，即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket
    //跳转至第1步，继续对比 sel 与 cmd
    b   1b          // loop

3:  // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    //人为设置到最后一个元素，p11（mask）右移44位 相当于mask左移4位，直接定位到buckets的最后一个元素，缓存查找顺序是向前查找
    add p12, p12, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    add p12, p12, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif

    // Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
    // The slow path may detect any corruption and halt later.
    //再查找一遍缓存，拿到x12（即p12）bucket中的 imp-sel 分别存入 p17-p9
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket
//比较 sel 与 p1（传入的参数cmd）
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
    //如果不相等，即走到2f
    b.ne    2f          //     scan more
    //如果相等 即 CacheHit，直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp

//如果一直找不到，即CheckMiss
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
    //判断p12（下标对应的bucket） 是否 等于 p10（buckets数组第一个元素）表示前面已经没有了，但是还是没有找到
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
    ////如果等于，跳转至第3步
    b.eq    3f
    //从x12（即p12 buckets首地址）- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二个bucket元素，imp-sel分别存入p17-p9，即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket
    //跳转至第1步，继续对比 sel 与 cmd
    b   1b          // loop

LLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3:  // double wrap
    //跳转至JumpMiss 因为是normal ，跳转至__objc_msgSend_uncached
    JumpMiss $0

.endmacro

源码解析

1. 获取 cache

通过 isa 首地址平移 16 字节（在 objc_class 结构中，isa 占8字节，superClass 占8字节），即 p11 = cache

1. 计算下标
- 通过上一步获取的 cache &（与上）掩码（0x0000ffffffffffff）的到 buckets，（cache 首地址存储的是 ‘高16位存mask，低48位存buckets’ ），
  即 p10 = buckets
- 将 cache 右移48位，得到 mask，即 p11 = mask
- p1 是 objc_msgSend 的第二个参数（_cmd），p1 & mask，通过哈希算法，得到需要查找存储 sel-imp 的 bucket 下标 index（在存储 sel-imp 时，也是通过同样哈希算法计算哈希下标进行存储，所以读取也需要通过同样的方式读取）
1. 根据 下标 和 buckets 去除对应的 bucket
- 一个 bucket 实际占用16字节（sel 占8字节，imp 占8字节），左移4位（2^4 = 16）
- 通过首地址 + 实际偏移量，获取哈希下标 index 对应的 bucket
1. 根据获取的 bucket，取出其中的 imp 存入p17，即 p17 = imp，取出 sel 存入 p9，即 p9 = sel
1. 第一次递归循环
- 比较获取的 bucket 中 sel 与 objc_msgSend 的第二个参数的 _cmd (即p1)是否相等
- 相等，直接跳转至 CacheHit，即缓存命中，返回 imp
- 不相等，分两种情况
  - 一直都找不到，直接跳转至 CheckMiss，进入慢速查找流程
  - 如果根据 index 获取的bucket 等于buckets 的第一个元素，则人为的将当前 bucket 设置为 buckets 的最后一个元素（通过buckets首地址+mask右移44位（等同于左移4位）直接定位到 bucker 的最后一个元素），然后继续进行递归循环（第一个递归循环嵌套第二个递归循环）
  - 如果当前 bucket 不等于 buckets 的第一个元素，则继续向前查找，进入第一次递归循环
1. 第二次递归循环
- 重复 5 的操作，与第一次递归唯一区别是，如果当前的 bucket 还是等于 buckets 的第一个元素，则直接跳转至 JumpMiss，进入慢速查找流程

整体流程图

objc_msgSend 流程分析（快速查找）

runtime

交互方式

方法的本质

准备环境

验证

调用父类方法

拓展-objc_msgSendSuper

objc_msgSend

消息查找机制

源码分析

1. 消息接收者（receiver）是否为空

2. CacheLookup 缓存查找

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