这篇文章介绍分类category、load、initialize的本质，并分析其源码。
1. 分类 category
随着需求的演进，类会遇到一些无法处理的情况，应如何扩展已有的类呢？
通常，继承和组合是不错的选择。但 Objective-C 2.0 中，提供的分类category新特性，可以动态的为已有类添加新行为。Category 有以下几个用途：
- 为已有的类添加新行为。此时，无需原来类的源码，也无需继承原来的类。例如，为 Cocoa Touch framework添加分类方法。添加的分类方法会被子类继承，在运行时和原始方法没有区别。
- 把类的实现根据功能划分到不同文件。
- 声明私有方法。
1.1 声明、实现一个分类
分类的声明和类的声明类似，但有以下几点不同：
- 分类名称写在类名称后的圆括号内。
- 不需要说明父类。
- 必须导入分类扩展的类。
为Child类添加一个分类，如下所示：
#import "Child.h"
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface Child (Test1)
@property (nonatomic, strong) NSString *title;
- (void)test;
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END
#import "Child+Test1.h"
@implementation Child (Test1)
- (void)test {
NSLog(@"%d %s", __LINE__, __PRETTY_FUNCTION__);
}
- (void)run {
NSLog(@"%d %s", __LINE__, __PRETTY_FUNCTION__);
}
@end
分类文件名称一般为：类名称+分类名称，即Child+Test1模式。
如果想使用分类为自己的类添加私有方法，可以把分类的声明放到类实现文件的
@implementation前。
1.2 调用分类方法
在Runtime从入门到进阶一中，介绍了runtime的消息发送机制：
调用对象方法时，根据实例对象的isa查找到类对象，在类对象的方法列表中查找方法，找到后直接调用；如果找不到，则根据superclass指针，进入父类查找。找到后直接调用；如果找不到，则继续向父类查找。以此类推，直到找到方法，或抛出doesNotRecognizeSelector:异常。
为上面的Child类继续添加Child+Test2分类，Child、Child+Test1、Child+Test2都实现了test方法。使用以下代码调用test方法，看最终调用哪个test方法。
Child *child = [[Child alloc] init];
[child test];
执行后控制台打印如下：
13 -[Child(Test2) test]
即调用了分类的test方法。事实上，类、分类实现了同一方法时，总是优先调用分类的方法。一个类的多个分类实现了同一方法时，后编译的优先调用，后续会介绍这一现象的本质原因。
类根据 Xcode 中Build Phases > Compile Sources 文件顺序进行编译，自上而下依次编译：
CategoryCompileSources.png
你可以手动拖动文件，改变其编译顺序。拖动后，再次执行上述代码，看控制台输出是否发生了改变。
1.3 分类的底层结构
分类的方法不是在编译期合并到原来类中的，而是在运行时合并进去的。
使用clang命令可以将 Objective-C 的代码转换为 C++，方便查看其底层实现，命令如下：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc <objc文件名称.m> -o <输出文件名称.cpp>
将Child+Test1.m转换为Child+Test1.cpp文件命令如下：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Child+Test1.m -o Child+Test1.cpp
生成的Child+Test1.cpp文件有三万四千行，滑到底部可以看到 category 的数据结构：
struct _category_t {
const char *name; // 类名
struct _class_t *cls;
const struct _method_list_t *instance_methods; // 分类对象方法列表
const struct _method_list_t *class_methods; // 分类类方法列表
const struct _protocol_list_t *protocols; // 分类协议列表
const struct _prop_list_t *properties; // 分类属性列表
};
继续向下查找，可以看到对象方法列表如下：
static struct /*_method_list_t*/ {
unsigned int entsize; // sizeof(struct _objc_method)
unsigned int method_count;
struct _objc_method method_list[2];
} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Child_$_Test1 __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_objc_method),
2,
{{(struct objc_selector *)"test", "v16@0:8", (void *)_I_Child_Test1_test},
{(struct objc_selector *)"run", "v16@0:8", (void *)_I_Child_Test1_run}}
};
它包含了test和run两个方法。
为Child+Test2类添加添加NSCoding、NSCoping协议和其他类方法。再次使用clang命令将其转换为C++。可以看到其中的协议列表、类方法列表增加了相应的内容。如下所示：
static struct /*_protocol_list_t*/ {
long protocol_count; // Note, this is 32/64 bit
struct _protocol_t *super_protocols[2];
} _OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_Child_$_Test2 __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = { // 协议
2,
&_OBJC_PROTOCOL_NSCoding,
&_OBJC_PROTOCOL_NSCopying
};
1.4 分类category_t结构
这里使用的是objc4最新源码objc4-818.2。在源码中，category结构体如下：
struct category_t {
const char *name; // 类名
classref_t cls;
WrappedPtr<method_list_t, PtrauthStrip> instanceMethods; // 实例方法列表
WrappedPtr<method_list_t, PtrauthStrip> classMethods; // 类方法列表
struct protocol_list_t *protocols; // 协议列表
struct property_list_t *instanceProperties; // 属性列表
// Fields below this point are not always present on disk.
struct property_list_t *_classProperties;
method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
if (isMeta) return classMethods;
else return instanceMethods;
}
property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
protocol_list_t *protocolsForMeta(bool isMeta) {
if (isMeta) return nullptr;
else return protocols;
}
};
通过源码可以看到，分类中有实例方法列表、类方法列表、协议列表、属性列表，但没有成员变量列表。因此，分类中是不能添加成员变量的。分类中添加的属性并不会自动生成成员变量，只会生成get、set方法的声明，需要开发者自行实现访问器方法。
通过源码看到，category的实例方法、类方法、协议、属性存放在category_t结构体中。目前，分类里的信息和类里的信息是分开存储的。
那么是如何合并到原来类中的？
1.5 分类信息合并到类源码
程序一运行，就会把所有类对象、类对象信息、元类等，加载到内存中。
RunTime 的入口在objc-os.mm文件的_objc_init()方法中：
/***********************************************************************
* _objc_init
* Bootstrap initialization. Registers our image notifier with dyld.
* Called by libSystem BEFORE library initialization time
**********************************************************************/
void _objc_init(void)
{
static bool initialized = false;
if (initialized) return;
initialized = true;
// fixme defer initialization until an objc-using image is found?
environ_init();
tls_init();
static_init();
runtime_init();
exception_init();
#if __OBJC2__
cache_t::init();
#endif
_imp_implementationWithBlock_init();
// image是模块、镜像，并非图片。
_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
#if __OBJC2__
didCallDyldNotifyRegister = true;
#endif
}
map_images()会调用map_images_nolock()函数，map_images_nolock()会调用_read_images()函数，_read_images()函数如下：
/***********************************************************************
* _read_images
* Perform initial processing of the headers in the linked
* list beginning with headerList.
*
* Called by: map_images_nolock
*
* Locking: runtimeLock acquired by map_images
**********************************************************************/
void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount, int totalClasses, int unoptimizedTotalClasses)
{
// 省略部分...
// 分类
// Discover categories. Only do this after the initial category
// attachment has been done. For categories present at startup,
// discovery is deferred until the first load_images call after
// the call to _dyld_objc_notify_register completes. rdar://problem/53119145
if (didInitialAttachCategories) {
for (EACH_HEADER) {
// 加载分类
load_categories_nolock(hi);
}
}
ts.log("IMAGE TIMES: discover categories");
// Category discovery MUST BE Late to avoid potential races
// when other threads call the new category code before
// this thread finishes its fixups.
// +load handled by prepare_load_methods()
// 省略部分...
}
#undef EACH_HEADER
}
这里调用了load_categories_nolock()函数：
static void load_categories_nolock(header_info *hi) {
bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();
size_t count;
auto processCatlist = [&](category_t * const *catlist) {
for (unsigned i = 0; i < count; i++) {
category_t *cat = catlist[I];
Class cls = remapClass(cat->cls);
locstamped_category_t lc{cat, hi};
if (!cls) {
// Category's target class is missing (probably weak-linked).
// Ignore the category.
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
"missing weak-linked target class",
cat->name, cat);
}
continue;
}
// Process this category.
if (cls->isStubClass()) {
// Stub classes are never realized. Stub classes
// don't know their metaclass until they're
// initialized, so we have to add categories with
// class methods or properties to the stub itself.
// methodizeClass() will find them and add them to
// the metaclass as appropriate.
if (cat->instanceMethods ||
cat->protocols ||
cat->instanceProperties ||
cat->classMethods ||
cat->protocols ||
(hasClassProperties && cat->_classProperties))
{
objc::unattachedCategories.addForClass(lc, cls);
}
} else {
// First, register the category with its target class.
// Then, rebuild the class's method lists (etc) if
// the class is realized.
// 先向类注册分类，再重建类的方法列表。
if (cat->instanceMethods || cat->protocols
|| cat->instanceProperties)
{
if (cls->isRealized()) {
// 附加分类
attachCategories(cls, &lc, 1, ATTACH_EXISTING);
} else {
objc::unattachedCategories.addForClass(lc, cls);
}
}
if (cat->classMethods || cat->protocols
|| (hasClassProperties && cat->_classProperties))
{
if (cls->ISA()->isRealized()) {
// 附加分类
attachCategories(cls->ISA(), &lc, 1, ATTACH_EXISTING | ATTACH_METACLASS);
} else {
objc::unattachedCategories.addForClass(lc, cls->ISA());
}
}
}
}
};
processCatlist(hi->catlist(&count));
processCatlist(hi->catlist2(&count));
}
其中调用attachCategories()函数，将分类的的实例方法、协议、属性、类方法合并到类中。attachCategories()函数如下：
// Attach method lists and properties and protocols from categories to a class.
// Assumes the categories in cats are all loaded and sorted by load order,
// oldest categories first.
static void
attachCategories(Class cls, const locstamped_category_t *cats_list, uint32_t cats_count,
int flags)
{
if (slowpath(PrintReplacedMethods)) {
printReplacements(cls, cats_list, cats_count);
}
if (slowpath(PrintConnecting)) {
_objc_inform("CLASS: attaching %d categories to%s class '%s'%s",
cats_count, (flags & ATTACH_EXISTING) ? " existing" : "",
cls->nameForLogging(), (flags & ATTACH_METACLASS) ? " (meta)" : "");
}
/*
* Only a few classes have more than 64 categories during launch.
* This uses a little stack, and avoids malloc.
*
* Categories must be added in the proper order, which is back
* to front. To do that with the chunking, we iterate cats_list
* from front to back, build up the local buffers backwards,
* and call attachLists on the chunks. attachLists prepends the
* lists, so the final result is in the expected order.
*/
// 分类从后向前添加。
constexpr uint32_t ATTACH_BUFSIZ = 64;
// 方法数组
method_list_t *mlists[ATTACH_BUFSIZ];
// 属性数组
property_list_t *proplists[ATTACH_BUFSIZ];
// 协议数组
protocol_list_t *protolists[ATTACH_BUFSIZ];
uint32_t mcount = 0;
uint32_t propcount = 0;
uint32_t protocount = 0;
bool fromBundle = NO;
bool isMeta = (flags & ATTACH_METACLASS);
auto rwe = cls->data()->extAllocIfNeeded();
for (uint32_t i = 0; i < cats_count; i++) {
// 取出某个分类
auto& entry = cats_list[I];
// 取出对象方法或类方法
method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
if (mlist) {
if (mcount == ATTACH_BUFSIZ) {
prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, __func__);
rwe->methods.attachLists(mlists, mcount);
mcount = 0;
}
mlists[ATTACH_BUFSIZ - ++mcount] = mlist;
fromBundle |= entry.hi->isBundle();
}
property_list_t *proplist =
entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
if (proplist) {
if (propcount == ATTACH_BUFSIZ) {
rwe->properties.attachLists(proplists, propcount);
propcount = 0;
}
proplists[ATTACH_BUFSIZ - ++propcount] = proplist;
}
protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocolsForMeta(isMeta);
if (protolist) {
if (protocount == ATTACH_BUFSIZ) {
rwe->protocols.attachLists(protolists, protocount);
protocount = 0;
}
protolists[ATTACH_BUFSIZ - ++protocount] = protolist;
}
}
if (mcount > 0) {
prepareMethodLists(cls, mlists + ATTACH_BUFSIZ - mcount, mcount,
NO, fromBundle, __func__);
// 将所有分类的对象方法，附加到类对象的方法列表中。
rwe->methods.attachLists(mlists + ATTACH_BUFSIZ - mcount, mcount);
if (flags & ATTACH_EXISTING) {
flushCaches(cls, __func__, [](Class c){
// constant caches have been dealt with in prepareMethodLists
// if the class still is constant here, it's fine to keep
return !c->cache.isConstantOptimizedCache();
});
}
}
// 将所有分类的属性，附加到类对象的属性列表中。
rwe->properties.attachLists(proplists + ATTACH_BUFSIZ - propcount, propcount);
// 将所有分类的协议，附加到类对象的协议中。
rwe->protocols.attachLists(protolists + ATTACH_BUFSIZ - protocount, protocount);
}
上述函数调用了attachLists()函数，attachLists()函数如下：
/*
addedLists是二维数组
[
[method_t, method_t]
[method_t, method_t]
]
addedCount是分类数量
*/
void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
if (addedCount == 0) return;
if (hasArray()) {
// many lists -> many lists
uint32_t oldCount = array()->count;
uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
array_t *newArray = (array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount));
newArray->count = newCount;
array()->count = newCount;
for (int i = oldCount - 1; i >= 0; I--)
// array()->lists是原来的方法列表
newArray->lists[i + addedCount] = array()->lists[I];
// addedLists是所有分类的方法列表，把分类方法列表放到方法列表前面。
for (unsigned i = 0; i < addedCount; I++)
newArray->lists[i] = addedLists[I];
free(array());
setArray(newArray);
validate();
}
else if (!list && addedCount == 1) {
// 0 lists -> 1 list
list = addedLists[0];
validate();
}
else {
// 1 list -> many lists
Ptr<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;
for (unsigned i = 0; i < addedCount; I++)
array()->lists[i] = addedLists[I];
validate();
}
}
可以看到，合并时先将原来类中的方法向后移动，再将分类方法放到方法列表前面。因此，进行方法查找时，先找到分类方法，找到后不再查找，这就形成了分类方法会覆盖类方法的错觉。
事实上，如果分类和原来类都有同样方法时，category附加完成后方法列表会有两个相同的方法，只是分类方法位于列表前面，优先查找到分类方法。
分类的方法列表和类的实例方法一样，最终放在同一个类对象的方法列表，并不会存放在单独的方法列表中。类方法、协议、属性等类似。
2. load方法
多数情况下，开发者无需关心 Objective-C 中的类是如何加载进内存的，这一复杂过程由 runtime 的 linker 处理，并且会在你的代码开始执行前处理完成。
多数类无需关心类加载过程，但有时可能需要初始化全局表、用户数据缓存等任务。
Objective-C runtime 提供了+load、+initialize两个方法，用于解决上述问题。
2.1 介绍
如果实现了+load方法，其会在加载类时被调用。+load只会调用一次，并且是在调用main()函数前调用。如果在可加载的 bundle 实现了+load方法，他会在 bundle 加载过程中调用。
因为+load被调用的时机太早了，可能产生一些很奇怪的问题。例如，在+load方法中使用其他类时，无法确定其他类是否已经加载了；C++ 中的 static initializer 此阶段还没有执行，如果你依赖了其中的方法会导致闪退。但 framework 中的类已经加载完毕，你可以使用 framework 中的类。父类已经加载完成，可以安全使用。
2.2 使用
通过代码验证一下+load方法的调用。
创建Person类，继承自NSObject，创建Person的两个分类Person+Test1、Person+Test2。创建继承自Person的Student类，创建Student的两个分类Student+Test1、Student+Test2。所有类、分类都实现+load方法，如下所示：
+ (void)load {
NSLog(@"%d %s", __LINE__, __PRETTY_FUNCTION__);
}
多次执行后，控制台总是先打印Person的+load方法，后打印Student的+load方法，最后根据编译顺序打印分类+load方法。拖动Build Phases > Compile Sources文件顺序，可以修改编译顺序。
2.3 源码分析
RunTime 入口函数_objc_init()的load_images()函数开始调用+load方法。
void
load_images(const char *path __unused, const struct mach_header *mh)
{
if (!didInitialAttachCategories && didCallDyldNotifyRegister) {
didInitialAttachCategories = true;
loadAllCategories();
}
// Return without taking locks if there are no +load methods here.
if (!hasLoadMethods((const headerType *)mh)) return;
recursive_mutex_locker_t lock(loadMethodLock);
// Discover load methods
{
mutex_locker_t lock2(runtimeLock);
// 先调用
prepare_load_methods((const headerType *)mh);
}
// Call +load methods (without runtimeLock - re-entrant)
// 后调用
call_load_methods();
}
call_load_methods()函数先调用父类的+load，等父类的+load结束后才会调用分类的+load方法。如下所示：
/***********************************************************************
* call_load_methods
* Call all pending class and category +load methods.
* Class +load methods are called superclass-first.
* Category +load methods are not called until after the parent class's +load.
*
* This method must be RE-ENTRANT, because a +load could trigger
* more image mapping. In addition, the superclass-first ordering
* must be preserved in the face of re-entrant calls. Therefore,
* only the OUTERMOST call of this function will do anything, and
* that call will handle all loadable classes, even those generated
* while it was running.
*
* The sequence below preserves +load ordering in the face of
* image loading during a +load, and make sure that no
* +load method is forgotten because it was added during
* a +load call.
* Sequence:
* 1. Repeatedly call class +loads until there aren't any more
* 2. Call category +loads ONCE.
* 3. Run more +loads if:
* (a) there are more classes to load, OR
* (b) there are some potential category +loads that have
* still never been attempted.
* Category +loads are only run once to ensure "parent class first"
* ordering, even if a category +load triggers a new loadable class
* and a new loadable category attached to that class.
*
* Locking: loadMethodLock must be held by the caller
* All other locks must not be held.
**********************************************************************/
void call_load_methods(void)
{
static bool loading = NO;
bool more_categories;
loadMethodLock.assertLocked();
// Re-entrant calls do nothing; the outermost call will finish the job.
if (loading) return;
loading = YES;
void *pool = objc_autoreleasePoolPush();
do {
// 1. Repeatedly call class +loads until there aren't any more
while (loadable_classes_used > 0) {
// 先调用class的load方法
call_class_loads();
}
// 2. Call category +loads ONCE
// 后调用分类的load方法
more_categories = call_category_loads();
// 3. Run more +loads if there are classes OR more untried categories
} while (loadable_classes_used > 0 || more_categories);
objc_autoreleasePoolPop(pool);
loading = NO;
}
call_class_loads()函数调用所有挂起类的+load方法。如果有新的类变为可加载，并不会调用他们的+load方法。找到+load方法函数地址后，直接调用。如下所示：
/***********************************************************************
* call_class_loads
* Call all pending class +load methods.
* If new classes become loadable, +load is NOT called for them.
*
* Called only by call_load_methods().
**********************************************************************/
static void call_class_loads(void)
{
int I;
// Detach current loadable list.
struct loadable_class *classes = loadable_classes;
int used = loadable_classes_used;
loadable_classes = nil;
loadable_classes_allocated = 0;
loadable_classes_used = 0;
// Call all +loads for the detached list.
for (i = 0; i < used; i++) {
Class cls = classes[i].cls;
// 得到load方法的函数地址
load_method_t load_method = (load_method_t)classes[i].method;
if (!cls) continue;
if (PrintLoading) {
_objc_inform("LOAD: +[%s load]\n", cls->nameForLogging());
}
// 直接调用load方法
(*load_method)(cls, @selector(load));
}
// Destroy the detached list.
if (classes) free(classes);
}
调用分类的+load方法与调用类的+load方法类似，也是通过函数指针直接指向函数，拿到函数地址，找到函数直接调用。如下所示：
/***********************************************************************
* call_category_loads
* Call some pending category +load methods.
* The parent class of the +load-implementing categories has all of
* its categories attached, in case some are lazily waiting for +initalize.
* Don't call +load unless the parent class is connected.
* If new categories become loadable, +load is NOT called, and they
* are added to the end of the loadable list, and we return TRUE.
* Return FALSE if no new categories became loadable.
*
* Called only by call_load_methods().
**********************************************************************/
static bool call_category_loads(void)
{
int i, shift;
bool new_categories_added = NO;
// Detach current loadable list.
struct loadable_category *cats = loadable_categories;
int used = loadable_categories_used;
int allocated = loadable_categories_allocated;
loadable_categories = nil;
loadable_categories_allocated = 0;
loadable_categories_used = 0;
// Call all +loads for the detached list.
for (i = 0; i < used; i++) {
Category cat = cats[i].cat;
// 获取分类的load方法地址
load_method_t load_method = (load_method_t)cats[i].method;
Class cls;
if (!cat) continue;
cls = _category_getClass(cat);
if (cls && cls->isLoadable()) {
if (PrintLoading) {
_objc_inform("LOAD: +[%s(%s) load]\n",
cls->nameForLogging(),
_category_getName(cat));
}
// 调用分类的load方法
(*load_method)(cls, @selector(load));
cats[i].cat = nil;
}
}
// 省略...
}
loadable_class和loadable_category结构体如下：
struct loadable_class {
Class cls; // may be nil
IMP method; // 函数实现地址，指向类的load方法。
};
struct loadable_category {
Category cat; // may be nil
IMP method; // 函数实现地址，指向分类的load方法
};
Runtime的消息机制需要通过
isa指针查找类对象、元类对象，进一步在方法列表中查找方法。+load方法的调用不是通过消息机制进行的，而是直接找到函数指针，拿到函数地址，直接调用函数。因此，类、分类同时实现了+load方法时，都会被调用。但如果使用[Person load]方式调用+load方法，则会使用消息机制进行调用。此时，分类的+load方法会被优先调用。
通过源码的call_class_loads()、call_category_loads()函数，可以看到调用类、分类+load方法时，都是通过for循环loadable_classes、loadable_categories数组进行的。因此，知道数组的顺序，就可以知道方法调用顺序。
load_images()函数在调用call_load_methods()函数前调用了prepare_load_methods()方法。prepare_load_methods()方法会把类、分类添加到相应数组：
void prepare_load_methods(const headerType *mhdr)
{
size_t count, I;
runtimeLock.assertLocked();
classref_t const *classlist =
_getObjc2NonlazyClassList(mhdr, &count);
for (i = 0; i < count; i++) {
// 将类、未加载的父类添加到loadable_classes数组。
schedule_class_load(remapClass(classlist[i]));
}
category_t * const *categorylist = _getObjc2NonlazyCategoryList(mhdr, &count);
for (i = 0; i < count; i++) {
category_t *cat = categorylist[I];
Class cls = remapClass(cat->cls);
if (!cls) continue; // category for ignored weak-linked class
if (cls->isSwiftStable()) {
_objc_fatal("Swift class extensions and categories on Swift "
"classes are not allowed to have +load methods");
}
realizeClassWithoutSwift(cls, nil);
ASSERT(cls->ISA()->isRealized());
// 将分类添加到loadable_categories数组
add_category_to_loadable_list(cat);
}
}
schedule_class_load()会递归调用，确保先将未加载的父类添加到loadable_classes数组。
/***********************************************************************
* prepare_load_methods
* Schedule +load for classes in this image, any un-+load-ed
* superclasses in other images, and any categories in this image.
**********************************************************************/
// Recursively schedule +load for cls and any un-+load-ed superclasses.
// cls must already be connected.
static void schedule_class_load(Class cls)
{
if (!cls) return;
ASSERT(cls->isRealized()); // _read_images should realize
if (cls->data()->flags & RW_LOADED) return;
// Ensure superclass-first ordering
// 递归调用，确保先将父类添加到loadable_classes数组。
schedule_class_load(cls->getSuperclass());
// 将类cls添加到loadable_classes数组
add_class_to_loadable_list(cls);
cls->setInfo(RW_LOADED);
}
如果类实现了+load方法，add_class_to_loadable_list()函数会将其添加到loadable_classes数组，准备加载。
/***********************************************************************
* add_class_to_loadable_list
* Class cls has just become connected. Schedule it for +load if
* it implements a +load method.
**********************************************************************/
// 如果类实现了`+load`方法，add_class_to_loadable_list()函数会将其添加到loadable_classes数组，准备加载。
void add_class_to_loadable_list(Class cls)
{
IMP method;
loadMethodLock.assertLocked();
method = cls->getLoadMethod();
if (!method) return; // Don't bother if cls has no +load method
if (PrintLoading) {
_objc_inform("LOAD: class '%s' scheduled for +load",
cls->nameForLogging());
}
if (loadable_classes_used == loadable_classes_allocated) {
loadable_classes_allocated = loadable_classes_allocated*2 + 16;
loadable_classes = (struct loadable_class *)
realloc(loadable_classes,
loadable_classes_allocated *
sizeof(struct loadable_class));
}
loadable_classes[loadable_classes_used].cls = cls;
loadable_classes[loadable_classes_used].method = method;
loadable_classes_used++;
}
add_category_to_loadable_list()函数将分类+load方法添加到loadable_categories数组：
/***********************************************************************
* add_category_to_loadable_list
* Category cat's parent class exists and the category has been attached
* to its class. Schedule this category for +load after its parent class
* becomes connected and has its own +load method called.
**********************************************************************/
// 将分类添加到loadable_categories数组
void add_category_to_loadable_list(Category cat)
{
IMP method;
loadMethodLock.assertLocked();
method = _category_getLoadMethod(cat);
// Don't bother if cat has no +load method
if (!method) return;
if (PrintLoading) {
_objc_inform("LOAD: category '%s(%s)' scheduled for +load",
_category_getClassName(cat), _category_getName(cat));
}
if (loadable_categories_used == loadable_categories_allocated) {
loadable_categories_allocated = loadable_categories_allocated*2 + 16;
loadable_categories = (struct loadable_category *)
realloc(loadable_categories,
loadable_categories_allocated *
sizeof(struct loadable_category));
}
loadable_categories[loadable_categories_used].cat = cat;
loadable_categories[loadable_categories_used].method = method;
loadable_categories_used++;
}
2.4 load方法总结
通过上述源码可以发现，数组的添加顺序决定+load方法调用顺序。添加顺序是：
- 先添加父类。
- 后添加类。
- 最后添加分类。如果有多个分类，先编译的先添加，可手动设置编译顺序。
3. initialize方法
+initialize方法是懒加载的，加载类时不会调用，首次向类发消息时才会调用。因此+initialize方法可能不被调用。
将消息发送给类时，runtime先检查是否调用了+initialize。如果没有调用，会在发消息之前调用。伪代码如下：
id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...) {
if(!self->class->initialized)
[self->class initialize];
...send the message...
}
实际情况可能比上述伪代码复杂些，例如需考虑线程安全，但整体逻辑没有变化。每个类的+initialize方法只调用一次，发生在首次向其发送消息时。与+load方法类似，如果父类的+initialize没有调用过，先调用父类的+initialize，再调用该类的+initialize方法。
与+load方法相比，+initialize更为安全。收到消息后才会调用+initialize方法，其调用时机取决于消息发送，但肯定会晚于NSApplicationMain()函数的调用。
由于调用+initialize方法是懒加载的方式进行的，其不适合于注册类。例如，NSValueTransformer、NSURLProtocol协议的子类不能使用+initialize方法向父类注册。因为，父类注册完成才能调用子类，而子类想要在父类注册前添加自身。
+initialize适用于上述类型之外的任务。由于其他类已经加载完成，你可以任意调用其他代码。由于使用了懒加载，直到使用类时才执行，不会浪费资源。
3.1 使用
为load部分创建的类添加+initialize方法，此外创建继承自NSObject的Dog、Cat类，分别实现+initialize方法：
+ (void)initialize {
NSLog(@"%d %s %@", __LINE__, __PRETTY_FUNCTION__, self);
}
使用以下代码向类发送消息：
[Dog alloc];
[Cat alloc];
[Person alloc];
[Student alloc];
执行后控制台输出如下：
13 +[Dog initialize] Dog
13 +[Cat initialize] Cat
17 +[Person(Test2) initialize] Person
17 +[Student(Test2) initialize] Student
虽然所有分类、类都实现了+initialize方法，但只调用了分类的方法。因此，可以推测+initialize的调用依赖消息机制，而非+load的找到函数地址直接调用模式。
注释掉Student类、分类中的+initialize方法，执行后输出如下：
13 +[Dog initialize] Dog
13 +[Cat initialize] Cat
17 +[Person(Test2) initialize] Person
17 +[Person(Test2) initialize] Student
可以看到Person+Test2的+initialize方法调用了两次，第一次是Person调用，第二次是Student调用。因此，当子类没有实现+initialize方法时，会查找调用父类方法。与消息机制的查找模式一致。
因此，要避免类的+initialize被多次调用，应使用以下方式编写+initialize代码：
+ (void)initialize {
if (self == [ClassName self]) {
NSLog(@"%d %s %@", __LINE__, __PRETTY_FUNCTION__, self);
}
}
如果不添加上述判断，子类没有重写+initialize方法会导致父类的该方法被调用多次。即使你的类没有子类，也应添加上述判断，因为 Apple 的 Key-Value-Observing 会动态创建子类，但不会重写+initialize方法。因此，添加观察者后，也会导致+initialize被调用多次。
3.2 源码分析
class_getInstanceMethod()用来查找实例方法，class_getClassMethod()通过调用class_getInstanceMethod()来查找类方法：
/***********************************************************************
* class_getClassMethod. Return the class method for the specified
* class and selector.
**********************************************************************/
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL sel)
{
if (!cls || !sel) return nil;
return class_getInstanceMethod(cls->getMeta(), sel);
}
class_getInstanceMethod()函数用来搜索方法：
/***********************************************************************
* class_getInstanceMethod. Return the instance method for the
* specified class and selector.
**********************************************************************/
Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL sel)
{
if (!cls || !sel) return nil;
// This deliberately avoids +initialize because it historically did so.
// This implementation is a bit weird because it's the only place that
// wants a Method instead of an IMP.
#warning fixme build and search caches
// Search method lists, try method resolver, etc.
// 搜索方法
lookUpImpOrForward(nil, sel, cls, LOOKUP_RESOLVER);
#warning fixme build and search caches
return _class_getMethod(cls, sel);
}
lookUpImpOrForward()函数调用了realizeAndInitializeIfNeeded_locked()函数，realizeAndInitializeIfNeeded_locked()函数调用了realizeAndInitializeIfNeeded_locked()函数，realizeAndInitializeIfNeeded_locked()函数调用了initializeAndLeaveLocked()函数，initializeAndLeaveLocked()函数调用了initializeAndMaybeRelock()函数，initializeAndMaybeRelock()函数调用了initializeNonMetaClass()函数。
initializeNonMetaClass()函数会查看父类是否已经调用过+initialize方法，如果父类没有调用过，递归调用，先让父类调用+initialize方法。如下所示：
/***********************************************************************
* class_initialize. Send the '+initialize' message on demand to any
* uninitialized class. Force initialization of superclasses first.
**********************************************************************/
void initializeNonMetaClass(Class cls)
{
ASSERT(!cls->isMetaClass());
Class supercls;
bool reallyInitialize = NO;
// Make sure super is done initializing BEFORE beginning to initialize cls.
// See note about deadlock above.
supercls = cls->getSuperclass();
if (supercls && !supercls->isInitialized()) {
// 如果父类没有调用过 initialize，递归调用父类的。
initializeNonMetaClass(supercls);
}
// Try to atomically set CLS_INITIALIZING.
SmallVector<_objc_willInitializeClassCallback, 1> localWillInitializeFuncs;
{
monitor_locker_t lock(classInitLock);
if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) {
cls->setInitializing();
reallyInitialize = YES;
// Grab a copy of the will-initialize funcs with the lock held.
localWillInitializeFuncs.initFrom(willInitializeFuncs);
}
}
if (reallyInitialize) {
// We successfully set the CLS_INITIALIZING bit. Initialize the class.
// Record that we're initializing this class so we can message it.
_setThisThreadIsInitializingClass(cls);
if (MultithreadedForkChild) {
// LOL JK we don't really call +initialize methods after fork().
performForkChildInitialize(cls, supercls);
return;
}
for (auto callback : localWillInitializeFuncs)
callback.f(callback.context, cls);
// Send the +initialize message.
// Note that +initialize is sent to the superclass (again) if
// this class doesn't implement +initialize. 2157218
if (PrintInitializing) {
_objc_inform("INITIALIZE: thread %p: calling +[%s initialize]",
objc_thread_self(), cls->nameForLogging());
}
// Exceptions: A +initialize call that throws an exception
// is deemed to be a complete and successful +initialize.
//
// Only __OBJC2__ adds these handlers. !__OBJC2__ has a
// bootstrapping problem of this versus CF's call to
// objc_exception_set_functions().
#if __OBJC2__
@try
#endif
{
// 调用initialize方法。
callInitialize(cls);
if (PrintInitializing) {
_objc_inform("INITIALIZE: thread %p: finished +[%s initialize]",
objc_thread_self(), cls->nameForLogging());
}
}
#if __OBJC2__
@catch (...) {
if (PrintInitializing) {
_objc_inform("INITIALIZE: thread %p: +[%s initialize] "
"threw an exception",
objc_thread_self(), cls->nameForLogging());
}
@throw;
}
// 省略...
}
initializeNonMetaClass()函数调用了callInitialize()函数，callInitialize()函数如下所示：
// 使用消息机制，调用initialize
void callInitialize(Class cls)
{
((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(initialize));
asm("");
}
可以看到，callInitialize最终使用objc_msgSend调用了@selector(initialize)。至此，整个调用结束。
Runtime向类发送initialize消息是线程安全的，即首个向类发送消息的线程执行initialize，其他线程会堵塞等待initialize完成。
4. 面试题
4.1 Category的实现原理？
Category编译之后底层结构是struct category_t，里面存储着分类的对象方法、类方法、属性、协议信息。程序运行的时候，runtime将category的数据合并到类信息中，并且分类信息位于类信息前面。分类方法是后编译的优先调用。
4.2 Category和Class Extension区别是什么？
Class Extension 在编译的时候将数据合并到类信息中。想要添加 Class Extension，必须拥有类的源码。
Category 在运行时将数据合并到类信息中，可以为系统 framework、第三方框架等添加 category。
4.3 Category中有+load方法吗？+load方法是什么时候调用的？+load方法能继承吗？
Category中有+load方法。
程序加载类、分类的时候调用+load方法，在main函数之前。
+load方法可以继承。调用子类的+load方法之前，会先调用父类的+load方法。一般不手动调用+load方法，而是让系统去调用。如果手动调用+load方法，就会按照消息发送机制，通过isa指针找到类、元类，之后在方法列表中进行查找。
4.4 load、initialize方法的区别？
- 调用方式：
- load根据函数地址直接调用。
- initialize通过
objc_msgSend调用。
- 调用时机：
- load是runtime加载类、分类的时候调用，只会调用一次。
- initialize是类第一次接收消息时调用，每个类只会 initialize 一次，但父类的
+initialize方法可能会被调用多次。
4.5 load、initialize调用顺序？
- load
- 先调用类的load。
- 先编译的类，优先调用。
- 调用子类load前会先调用父类的load。
- 后调用分类的load。
- 先编译的分类，优先调用。
- 先调用类的load。
- initialize
- 先初始化父类。
- 后初始化子类。如果子类没有实现
+initialize方法，最终会调用父类的+initialize方法。
总结
Objective-C 提供了两种自动配置类的方法，类加载时调用+load方法，对于需要让代码运行非常早的情景非常有用。但因为+load方法调用太早，其他类可能未加载而产生危险。
+initialize方法使用懒加载，首次收到消息时才会调用，适用场景更广泛。
Demo名称：category、load、initialize的本质
源码地址：https://github.com/pro648/BasicDemos-iOS/tree/master/category、load、initialize的本质
参考资料:
- Objective-C Class Loading and Initialization
- Category
- Customizing Existing Classes
- 深入理解Objective-C：Category
欢迎更多指正：https://github.com/pro648/tips
本文地址：https://github.com/pro648/tips/blob/master/sources/分类category、load、initialize的本质和源码分析.md
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