iOS底层原理之Runimte 运行时&方法的本质

前言

前面探究了类里面的重要的变量，iOS 底层原理之cache分析分析了缓存方法调用流程。

追根溯源找到了objc_msgSend，下面探究下objc_msgSend。

准备工作

• objc4-818.2 源码
• Objective-C Runtime

Runtime

Runtime简介

Runtime通常叫它运行时，还有一个大家常说的编译时，它们之间的区别是什么？

• 编译时：顾名思义正在编译的时候，啥叫编译呢？就是编译器把源代码翻译成机器能够识别的代码。编译时会进行词法分析，语法分析主要是检查代码是否符合苹果的规范，这个检查的过程通常叫做静态类型检查。
• 运行时：代码跑起来，被装装载到内存中。运行时检查错误和编译时检查错误不一样，不是简单的代码扫描，而是在内存中做操作和判断。

Runtime版本

Runtime有两个版本，一个Legacy版本（早期版本），一个Modern版本（现行版本）

• 早期版本对应的编程接口：Objective-C 1.0
• 现行版本对应的编程接口：Objective-C 2.0，源码中经常看到的OBJC2
• 早期版本用于Objective-C 1.0，32位的Mac OS X的平台
• 现行版本用于Objective-C 2.0，iPhone程序和Mac OS X v10.5及以后的系统中的64位程序

Runtime调用三种方式

• Objective-C方式，[penson sayHello]
• Framework & Serivce方式，isKindOfClass
• Runtime API方式，class_getInstanceSize

方法的本质

方法底层的实现

探究方法的底层有两种方式。第一种汇编，第二种C++代码，汇编方式的方法的参数需要读寄存器不方便。

所以采用第二种方式生成main.cpp文件，首先自定义LWPerson类，在类中添加实例方法，在main函数中调用。

int main(int argc, char * argv[]) {

    @autoreleasepool {
        LWPerson * perosn  = [LWPerson alloc];
        [perosn sayHello];
        [perosn showTime:10];
    }
    return 0;
}

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clang把main.m生成main.cpp文件，查询main函数的实现

源码分析：所有的方法调用都是通过objc_msgSend发送的，所以方法的本质就是消息发送。

既然方法调用都是通过objc_msgSend的，那么我可不可以直接通过objc_msgSend发消息呢。

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LWPerson * perosn  = [LWPerson alloc];
        [perosn sayHello];
        //objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )
        objc_msgSend((id)perosn, sel_registerName("sayHello"));
    }
    return 0;
}

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2021-06-26 18:14:22.659269+0800 objc_msgSend[5461:254082] sayHello
2021-06-26 18:14:22.659722+0800 objc_msgSend[5461:254082] sayHello

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通过objc_msgSend和[perosn sayHello]结果是一样的，同时也验证了方法的本质是消息发送。

在用objc_msgSend方式发送消息。验证过程需要注意两点：

• 必须导入相应的头文件#import <objc/message.h>
• 关闭objc_msgSend检查机制：target --> Build Setting -->搜索objc_msgSend -- Enable strict checking of obc_msgSend calls设置为NO

调用父类方法

调用本类中的方法实际是通过objc_msgSend发送的，那么调用分类的方法消息发送是什么样的呢？

自定义LWAllPerson类，LWPerson继承LWAllPerson类。在LWAllPerson类中自定义helloWord，子类对象调用helloWord方法。

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LWPerson * perosn  = [LWPerson alloc];
        [perosn helloWord];
    }
    return 0;
}

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clang把main.m生成mian.cpp文件，查询main函数的实现

clang把LWPerson.m生成LWPerson.cpp文件，查询LWPerson函数的实现

子类对象可以通过objc_msgSendSuper方式调用父类的方法，方法的本质还是消息发送，只不过通过的不同发送流程。

同样现在用objc_msgSendSuper向父类发消息，objc_msgSendSuper的第一个参数是void /* struct objc_super *super类型，在源码中查找objc_super 类型。

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 */
};

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objc_super结构体类型里面有两个参数id receiver和Class super_class

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LWPerson * perosn  = [LWPerson alloc];
        //(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self,
        //(id)class_getSuperclass(objc_getClass("LWPerson"))}, sel_registerName("helloWord"))
        [perosn helloWord];
        struct lw_objc_super{
            id receiver;
            Class super_class;
        };
        struct lw_objc_super lw_super;
        lw_super.receiver = perosn;
        lw_super.super_class = [LWAllPerson class];
        objc_msgSendSuper(&lw_super, sel_registerName("helloWord"));
    }
    return 0;
}

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2021-06-26 19:21:05.047243+0800 objc_msgSend[6976:329613] 我是父类方法
2021-06-26 19:21:05.047989+0800 objc_msgSend[6976:329613] 我是父类方法

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[perosn helloWord]和直接通过objc_msgSendSuper给父类发消息的结过是一样的。子类的对象可以调用父类的方法。

猜想：方法调用，首先在本类中找，如果没有就到父类中找。

objc_msgSend汇编探究

探究objc_msgSend首先找到objc_msgSend所在的底层库。怎么找呢？必须拿出yysd-汇编

汇编显示objc_msgSend在libobjc.A.dylib系统库，实际上看objc_msgSend前缀是objc猜测应该在 objc源码中。

在objc源码中全局搜索objc_msgSend，找到真机的汇编objc-msg-arm64.s

objc_msgSend汇编入口

下面的汇编会用到p0-p17，大家可能对汇编中x0，x1比较熟悉知道是寄存器。p0-p17就是对x0-x17重新定义：

判断receiver是否等于nil， 在判断是否支持Taggedpointer小对象类型

• 支持Taggedpointer小对象类型，小对象为空 ，返回nil，不为nil处理isa获取class跳转CacheLookup流程
• 不支持Taggedpointer小对象类型且receiver = nil，跳转LReturnZero流程返回nil
• 不支持Taggedpointer小对象类型且receiver != nil，通过GetClassFromIsa_p16把获取到class 存放在p16的寄存器中，然后走CacheLookup流程

GetClassFromIsa_p16获取Class

GetClassFromIsa_p16核心功能获取class存放在p16寄存器

ExtractISA

// A12 以上 iPhone X 以上的
#if __has_feature(ptrauth_calls)
   ...
#else
   ...
.macro ExtractISA
  and    $0, $1, #ISA_MASK  // and 表示 & 操作， $0 = $1(isa) & ISA_MASK  = class
.endmacro
// not JOP
#endif

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ExtractISA 主要功能 isa & ISA_MASK = class 存放到p16寄存器

CacheLookup流程

buckets和下标index

源码分析：首先是根据不同的架构判断，下面都是以真机为例。上面这段源码主要做了三件事。

• 获取_bucketsAndMaybeMask地址也就是cache的地址：p16 = isa(class)，p16 + 0x10 = _bucketsAndMaybeMask = p11
• 获取buckets地址就是缓存内存的首地址：buckets = （（_bucketsAndMaybeMask >> 48 ）- 1 ）
• 获取hash下标：p12 =（cmd ^ ( _cmd >> 7)）& msak 这一步的作用就是获取hash下标index
• 流程如下：isa --> _bucketsAndMaybeMask --> buckets -->hash下标

遍历缓存

• 根据下标index 找到index对应的bucket。p13 = buckets + ((_cmd ^ (_cmd >> 7)) & mask) << (1+PTRSHIFT))
• 先获取对应的bucket然后取出imp和sel存放到p17和p9，然后*bucket--向前移动
• 1流程：p9= sel和 传入的参数_cmd进行比较。如果相等走2流程，如果不相等走3流程
• 2流程：缓存命中直接跳转CacheHit流程
• 3流程：判断sel = 0条件是否成立。如果成立说明buckets里面没有传入的参数_cmd的缓存，没必要往下走直接跳转__objc_msgSend_uncached流程。如果sel ！= 0说明这个bucket被别的方法占用了。你去找下一个位置看看是不是你需要的。然后在判断下个位置的bucket和第一个bucket地址大小，如果大于第一个bucket的地址跳转1流程循环查找，如果小于等于则接继续后面的流程
• 如果循环到第1个bucket里都没有找到符合的_cmd。那么会接着往下走，因为下标index后面的可能还有bucket还没有查询

CacheHit流程

CacheHit \Mode的 Mode = NORMAL

TailCallCachedImp是一个宏，宏定义如下：

// A12 以上 iPhone X 以上的
#if __has_feature(ptrauth_calls)
   ...
#else
.macro TailCallCachedImp
  // $0 = cached imp, $1 = buckets, $2 = SEL, $3 = class(也就是isa)
  eor  $0, $0, $3   // $0 = imp ^ class 这一步是对imp就行解码，获取运行时的imp地址
  br  $0           //调用 imp
.endmacro
...
#endif

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缓存查询到以后直接对bucket的imp进行解码操作。即imp = imp ^ class，然后调用解码后的imp

遍历缓存流程图

疑问：为什么要判断bucket中的sel = 0，等于0直接查找缓存流程就结束了。

遍历缓存流程图

疑问：为什么要判断bucket中的sel = 0，等于0直接查找缓存流程就结束了。

• 如果既没有hash冲突又没有目标方法的缓存，那么hash下标对应的bucket就是空的直接跳出缓存查找
• 不会出现中间是有空的bucket，两边有目标bucket这种情况

mask向前遍历缓存

向前遍历缓存没有查询到就会跳转到mask对应的bucket继续向前查找。

• 找到最后一个bucket的位置：p13 = buckets + (mask << 1+3) 找到最后一个bucket的位置
• 先获取对应的bucket然后取出imp和sel存放到p17和p9，然后*bucket--向前移动
• p9= sel和 传入的参数_cmd进行比较。如果相等走2流程
• 如果不相等在判断（sel ！= 0 && bucket > 第一次确定的hash下标bucket）接着循环缓存查找，如果整个流程循环完仍然没有查询到或者遇到空的bucket。说明该缓存中没有缓存）sel = _cmd的方法，缓存查询结束跳转__objc_msgSend_uncached流程
• mask向前遍历和前面的循环遍历逻辑基本一样

缓存查询流程图

总结

探究底层发现一个问题，就是每个内容的底层都很复杂，进行了大量计算判断，不像大家平常在上层调用个方法看起来很简单。

俗话说的好表面上简单的东西往往越复杂，表面上复杂的往往很简单。我就是表面复杂的。

文章由作者：嘿嘿小开发 逻辑iOS学员提供