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汇编角度探索Objctive-C一些常用点的实现

汇编角度探索Objctive-C一些常用点的实现

作者: TripleEyeAline | 来源:发表于2022-02-25 18:41 被阅读0次

    对于 Objective-C 的一些实现，我们可以在 Apple 开源网站上下载 objc4 等源码一探究竟，之前也写了一篇如何 debug objc4 源码的文章。这篇文章是从汇编角度简单的去窥探一下 Objective-C 的一些实现，个人记录下。如 Class Metada、属性、对成员变量的访问、调用类方法、调用实例方法、block 这几个基础常用点。

    前言

    Objective-C 源文件(.m) 的编译器是 Clang + LLVM，Swift 源文件的编译器是 swift + LLVM。借助 clang 命令，可以查看 .m 文件的汇编结果。

    xcrun --sdk iphoneos clang -arch arm64 -S XXXX.m

    -arch <arm|arm64|x86_64|i386>: 生成的代码的架构体系

    -S：源代码文件。-o：输出文件。

    生成汇编代码后，可以比照 objc4 中的源码对应去理解。

    Class Metadata

    1. @interface
    #import "THNormalClass.h"

@interface THNormalClass()

@end

     .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
 .build_version ios, 15, 2   sdk_version 15, 2
 .section    __DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip
L_OBJC_IMAGE_INFO:
 .long   0
 .long   64

.subsections_via_symbol

    编译器对 @interface 并未产生啥汇编代码。

    1. @implementation

      #import "THNormalClass.h"

@interface THNormalClass()

@end

@implementation THNormalClass

@end

       .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
 .build_version ios, 15, 2   sdk_version 15, 2
 .section    __TEXT,__objc_classname,cstring_literals
l_OBJC_CLASS_NAME_:                     ; @OBJC_CLASS_NAME_
 .asciz  "THNormalClass"

 .section    __DATA,__objc_const
 .p2align    3                               ; @"_OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass"
__OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass:
 .long   1                               ; 0x1
 .long   40                              ; 0x28
 .long   40                              ; 0x28
 .space  4
 .quad   0
 .quad   l_OBJC_CLASS_NAME_
 .quad   0
 .quad   0
 .quad   0
 .quad   0
 .quad   0

 .section    __DATA,__objc_data
 .globl  _OBJC_METACLASS_$_THNormalClass ; @"OBJC_METACLASS_$_THNormalClass"
 .p2align    3
_OBJC_METACLASS_$_THNormalClass:
 .quad   _OBJC_METACLASS_$_NSObject
 .quad   _OBJC_METACLASS_$_NSObject
 .quad   __objc_empty_cache
 .quad   0
 .quad   __OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass

 .section    __DATA,__objc_const
 .p2align    3                               ; @"_OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass"
__OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass:
 .long   0                               ; 0x0
 .long   8                               ; 0x8
 .long   8                               ; 0x8
 .space  4
 .quad   0
 .quad   l_OBJC_CLASS_NAME_
 .quad   0
 .quad   0
 .quad   0
 .quad   0
 .quad   0

 .section    __DATA,__objc_data
 .globl  _OBJC_CLASS_$_THNormalClass     ; @"OBJC_CLASS_$_THNormalClass"
 .p2align    3
_OBJC_CLASS_$_THNormalClass:
 .quad   _OBJC_METACLASS_$_THNormalClass
 .quad   _OBJC_CLASS_$_NSObject
 .quad   __objc_empty_cache
 .quad   0
 .quad   __OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass

 .section    __DATA,__objc_classlist,regular,no_dead_strip
 .p2align    3                               ; @"OBJC_LABEL_CLASS_$"
l_OBJC_LABEL_CLASS_$:
 .quad   _OBJC_CLASS_$_THNormalClass

 .section    __DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip
L_OBJC_IMAGE_INFO:
 .long   0
 .long   64

.subsections_via_symbols

      • __OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass 和 __OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass 对应 objc-runtime-new.h 中 struct class_ro_t

        struct class_ro_t {
        uint32_t flags;
        uint32_t instanceStart;
        uint32_t instanceSize;                    // instance 对象占用的内存控件
        const uint8_t * ivarLayout;
        const char * name;                        // 类名
        method_list_t * baseMethodList;           // 只读
        protocol_list_t * baseProtocols;
        const ivar_list_t * ivars;                // 成员变量列表
        const uint8_t * weakIvarLayout;
        property_list_t *baseProperties;
        method_list_t *baseMethods() const {
            return baseMethodList;
        }
    };

      • _OBJC_CLASS_$_THNormalClass 和 _OBJC_METACLASS_$_THNormalClass 对应 objc-runtime-new.h 中 struct objc_class

        struct objc_class : objc_object {
        // Class ISA;
        Class superclass;
        cache_t cache;          // formerly cache pointer and vtable  方法缓存
        class_data_bits_t bits; // 用于获取具体的类信息
 
        class_rw_t *data() {
            return bits.data(); //  class_rw_t* data() { return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK); }
        }
        .... // 其他的都是方法
    }

    属性

    @interface THNormalClass()

@property(nonatomic, copy) NSString *str1;

@property(nonatomic, copy) NSString *str2;

@end

@implementation THNormalClass

@end

        .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
    .build_version ios, 15, 2   sdk_version 15, 2
    .p2align    2                               ; -- Begin function -[THNormalClass str1]
"-[THNormalClass str1]":                ; @"\01-[THNormalClass str1]"
...
"-[THNormalClass setStr1:]":            ; @"\01-[THNormalClass setStr1:]"
...
"-[THNormalClass str2]":                ; @"\01-[THNormalClass str2]"
...
"-[THNormalClass setStr2:]":            ; @"\01-[THNormalClass setStr2:]"
...
l_OBJC_CLASS_NAME_:                     ; @OBJC_CLASS_NAME_
...
__OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass:
...
_OBJC_METACLASS_$_THNormalClass:
...
l_OBJC_METH_VAR_NAME_:                  ; @OBJC_METH_VAR_NAME_
    .asciz  "str1"

    .section    __TEXT,__objc_methtype,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_TYPE_:                  ; @OBJC_METH_VAR_TYPE_
    .asciz  "@16@0:8"

    .section    __TEXT,__objc_methname,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_NAME_.1:                ; @OBJC_METH_VAR_NAME_.1
    .asciz  "setStr1:"

...
__OBJC_$_INSTANCE_METHODS_THNormalClass:
    .long   24                              ; 0x18
    .long   4                               ; 0x4
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_
    .quad   "-[THNormalClass str1]"
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.1
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2
    .quad   "-[THNormalClass setStr1:]"
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.3
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_
    .quad   "-[THNormalClass str2]"
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.4
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2
    .quad   "-[THNormalClass setStr2:]"

    .private_extern _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1 ; @"OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1"
    .section    __DATA,__objc_ivar
    .globl  _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1
    .p2align    2
_OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1:
    .long   8                               ; 0x8

    .section    __TEXT,__objc_methname,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_NAME_.5:                ; @OBJC_METH_VAR_NAME_.5
    .asciz  "_str1"

    .section    __TEXT,__objc_methtype,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6:                ; @OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
    .asciz  "@\"NSString\""

    .private_extern _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2 ; @"OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2"
    .section    __DATA,__objc_ivar
    .globl  _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2
    .p2align    2
_OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2:
    .long   16                              ; 0x10

    .section    __TEXT,__objc_methname,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_NAME_.7:                ; @OBJC_METH_VAR_NAME_.7
    .asciz  "_str2"

    .section    __DATA,__objc_const
    .p2align    3                               ; @"_OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass"
__OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass:
    .long   32                              ; 0x20
    .long   2                               ; 0x2
    .quad   _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.5
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
    .long   3                               ; 0x3
    .long   8                               ; 0x8
    .quad   _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.7
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
    .long   3                               ; 0x3
    .long   8                               ; 0x8

    .section    __TEXT,__objc_methname,cstring_literals
l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_:                 ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_
    .asciz  "str1"

l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8:               ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8
    .asciz  "T@\"NSString\",C,N,V_str1"

l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.9:               ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_.9
    .asciz  "str2"

l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.10:              ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_.10
    .asciz  "T@\"NSString\",C,N,V_str2"

    .section    __DATA,__objc_const
    .p2align    3                               ; @"_OBJC_$_PROP_LIST_THNormalClass"
__OBJC_$_PROP_LIST_THNormalClass:
    .long   16                              ; 0x10
    .long   2                               ; 0x2
    .quad   l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_
    .quad   l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8
    .quad   l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.9
    .quad   l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.10

    .p2align    3                               ; @"_OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass"
__OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass:
    .long   0                               ; 0x0
    .long   8                               ; 0x8
    .long   24                              ; 0x18
    .space  4
    .quad   0
    .quad   l_OBJC_CLASS_NAME_
    .quad   __OBJC_$_INSTANCE_METHODS_THNormalClass
    .quad   0
    .quad   __OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass
    .quad   0
    .quad   __OBJC_$_PROP_LIST_THNormalClass

    .section    __DATA,__objc_data
    .globl  _OBJC_CLASS_$_THNormalClass     ; @"OBJC_CLASS_$_THNormalClass"
    .p2align    3
_OBJC_CLASS_$_THNormalClass:
    .quad   _OBJC_METACLASS_$_THNormalClass
    .quad   _OBJC_CLASS_$_NSObject
    .quad   __objc_empty_cache
    .quad   0
    .quad   __OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass

    .section    __DATA,__objc_classlist,regular,no_dead_strip
    .p2align    3                               ; @"OBJC_LABEL_CLASS_$"
l_OBJC_LABEL_CLASS_$:
    .quad   _OBJC_CLASS_$_THNormalClass

    .section    __DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip
L_OBJC_IMAGE_INFO:
    .long   0
    .long   64

.subsections_via_symbols

    __OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass 对应 objc-runtime-new.h 中的 struct ivar_list_t 加上 2 个.long（4 bytes）的开销。

    __OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass:
    .long   32                              ; 0x20
    .long   2                               ; 0x2
    .quad   _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.5
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
    .long   3                               ; 0x3
    .long   8                               ; 0x8
    .quad   _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.7
    .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
    .long   3                               ; 0x3
    .long   8                               ; 0x8

    对应 objc-runtime-new.h 中的 struct ivar_t。最后一段表明 struct class_ro_t 中的 ivars 指向上面提到的 ivar_list_t。

    注意：这里保存 ivars 的是 class_ro_t 而不是 struct objc_class。

    1. 编译器首先会为 property 自动生成 getter 和 setter ，并放到 method_list_t 中。

      __OBJC_$_INSTANCE_METHODS_THNormalClass:
 .long   24                              ; 0x18
 .long   4                               ; 0x4
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_
 .quad   "-[THNormalClass str1]"
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.1
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2
 .quad   "-[THNormalClass setStr1:]"
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.3
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_
 .quad   "-[THNormalClass str2]"
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.4
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2
 .quad   "-[THNormalClass setStr2:]"

    2. 由于 property 是成员变量的封装， ivar_list_t 中会对其保存对应的成员变量。

      __OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass:
 .long   32                              ; 0x20
 .long   2                               ; 0x2
 .quad   _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.5
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
 .long   3                               ; 0x3
 .long   8                               ; 0x8
 .quad   _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_NAME_.7
 .quad   l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
 .long   3                               ; 0x3
 .long   8                               ; 0x8

    3. Objective-C 的每个类有一个 property_list_t ，被保存在 struct class_ro_t 中。

      __OBJC_$_PROP_LIST_THNormalClass:
 .long   16                              ; 0x10
 .long   2                               ; 0x2
 .quad   l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_
 .quad   l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8
 .quad   l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.9
 .quad   l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.10

    4. 每个 property_list_t 保存的是一个 struct property_t 的对象。

      struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

      l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_:                 ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_
 .asciz  "str1"

l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8:               ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8
 .asciz  "T@\"NSString\",C,N,V_str1"

    对成员变量的访问

    @interface THNormalClass() {
    int a;
    int b;
}

@end

@implementation THNormalClass

- (int)calAdd {
    return a + b;
}

@end

    FunctionalProgrammingLearn`-[THNormalClass calAdd]:
    0x100b9a4e4 <+0>:  sub    sp, sp, #0x10             ; =0x10 
    0x100b9a4e8 <+4>:  str    x0, [sp, #0x8]
    0x100b9a4ec <+8>:  str    x1, [sp]
    0x100b9a4f0 <+12>: ldr    x8, [sp, #0x8]
->  0x100b9a4f4 <+16>: ldr    w8, [x8, #0x8]
    0x100b9a4f8 <+20>: ldr    x9, [sp, #0x8]
    0x100b9a4fc <+24>: ldr    w9, [x9, #0xc]
    0x100b9a500 <+28>: add    w0, w8, w9
    0x100b9a504 <+32>: add    sp, sp, #0x10             ; =0x10 
    0x100b9a508 <+36>: ret

    x8 保存的是 THNormalClass * 的地址。[x8, #0x8] offset 8 字节找到 a 在内存中的位置。ldr 在这里是内存访问指令。

    调用方法

    @interface THNormalClass() {
    int a;
    int b;
}

@end

@implementation THNormalClass

- (int)calAdd {
    return [self calMethod];
}

- (int)calMethod {
    a = 1;
    b = 8;
    return a + b;
}

@end

    "-[THNormalClass calAdd]":              ; @"\01-[THNormalClass calAdd]"
    .cfi_startproc
; %bb.0:
    sub sp, sp, #32                     ; =32
    stp x29, x30, [sp, #16]             ; 16-byte Folded Spill
    add x29, sp, #16                    ; =16
    .cfi_def_cfa w29, 16
    .cfi_offset w30, -8
    .cfi_offset w29, -16
    str x0, [sp, #8]
    str x1, [sp]
    ldr x0, [sp, #8]
    adrp    x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGE
    ldr x1, [x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGEOFF]
    bl  _objc_msgSend
    ldp x29, x30, [sp, #16]             ; 16-byte Folded Reload
    add sp, sp, #32                     ; =32
    ret

    adr：小范围的地址读取指令。将基于 PC 相对偏移的地址值读取到寄存器中。

    adrp：以 page 为单位大范围的地址读取指令。

    bl：跳转，还将 bl 的下一条指令的地址保存到寄存器中。

    x1 保存了 selector 的地址。

    调用类方法

    @implementation THNormalClass

- (void)calMethod {
    return [THNormalClass calClassMethod];
}

+ (void)calClassMethod {
     
}

@end

    "-[THNormalClass calMethod]":           ; @"\01-[THNormalClass calMethod]"
    .cfi_startproc
; %bb.0:
    sub sp, sp, #32                     ; =32
    stp x29, x30, [sp, #16]             ; 16-byte Folded Spill
    add x29, sp, #16                    ; =16
    .cfi_def_cfa w29, 16
    .cfi_offset w30, -8
    .cfi_offset w29, -16
    str x0, [sp, #8]
    str x1, [sp]
    adrp    x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@PAGE
    ldr x0, [x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@PAGEOFF]
    adrp    x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGE
    ldr x1, [x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGEOFF]
    bl  _objc_msgSend
    ldp x29, x30, [sp, #16]             ; 16-byte Folded Reload
    add sp, sp, #32                     ; =32
    ret

    在上边的汇编代码中，可以看到类方法的调用与成员方法差不多，都是 _objc_msgSend。adrp x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@PAGE ldr x0, [x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@PAGEOFF]，类方法调用多了一步获取全局类指针。

    adrp x8, 6

    假定当前的 PC 寄存器为 0x10410e324
1.先将 6 的值左移 12 位二进制位则为 0x6000
2.将 PC 寄存器的低12位清零，即 0x10410e324 => 0x10410e000
3.最后将 0x10410e000 和 0x6000 相加给 x8 寄存器。x8 为 0x104114000

    block

    @implementation THNormalClass

void(^block)(void) = ^(void) {
    NSLog(@"this is a block");
};

- (void)calMethod {
    block();
}

@end
    image-20220225163123030 Screen Shot 2022-02-25 at 4.34.30 PM.png

    1. 可以看到这是一个 __NSGlobalBlock__。

    2. struct Block_layout {
    void * __ptrauth_objc_isa_pointer isa;
    volatile int32_t flags; // contains ref count
    int32_t reserved;
    BlockInvokeFunction invoke;
    struct Block_descriptor_1 *descriptor;
    // imported variables
};

      invoke 在内存处于 17-24 字节处。po 0x00000001028ac090 得知 invoke ：0x1028aa304。通过 dis -s 来反汇编地址。如下图所示找到了源码中写的 NSLog。

      (lldb) dis -s 0x00000001028aa304
FunctionalProgrammingLearn`block_block_invoke:
    0x1028aa304 <+0>:  sub    sp, sp, #0x20             ; =0x20 
    0x1028aa308 <+4>:  stp    x29, x30, [sp, #0x10]
    0x1028aa30c <+8>:  add    x29, sp, #0x10            ; =0x10 
    0x1028aa310 <+12>: str    x0, [sp, #0x8]
    0x1028aa314 <+16>: str    x0, [sp]
    0x1028aa318 <+20>: adrp   x0, 2
    0x1028aa31c <+24>: add    x0, x0, #0xb0             ; =0xb0 
    0x1028aa320 <+28>: bl     0x1028aa668               ; symbol stub for: NSLog
(lldb)

    3. signature ："v8@?0"

      Type Encodings

    后记

    很简单的在汇编角度对于 OC 一些常用点，比照着 objc4 和 libclosure 的源码探索了下。觉得有必要自己整理个 arm 汇编学习笔记，不求完全记住理解，后边自查也好。

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          本文标题：汇编角度探索Objctive-C一些常用点的实现

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