从runtime源代码层面去研究下NSObject类初始化相关方法：load、initialize，以及在调用时内部做了什么
目录
一、load 方法
1. load_images
2. call_load_methods
二、initialize 方法
一、load 方法
+(void) load;
作为iOS开发，多少都与 load 方法打过交道——在程序 main 函数调用前，类被注册加载到内存时，load 方法会被调用。也就是说每个类的 load 方法都会被调用一次。
在该方法中，我们最常用到的场景，就是使用 runtime 提供的交换函数 OBJC_EXPORT void method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2)，去改变系统方法行为并添加自定义的行为。
但若要了解 load 方法内部实现流程，还得从iOS程序启动流程开始说起。
在程序的 main() 函数执行前，依次做了以下这些工作：
- 系统加载App自身所有的
可执行文件（Mach-O文件），并获取dyld的路径（dyld是专门用来加载动态链接库的）； -
dyld初始化运行环境，并开启dyld 缓存策略（主要区分于App的冷启动与热启动），从可执行文件的依赖顺序开始，递归加载所有依赖的动态链接库，所有依赖库通过dyld内部实现将 Mach-O 文件实例化为image镜像文件。
注：动态链接库包括：所有系统 framework、系统级别的 libSystem（libdispatch、libsystem_blocks等）、加载 Objective-C runtime 的 libobjc（即Objective-C runtime 初始化）
- 当
dyld对所有依赖库初始化后，此时 runtime 会对项目中所有类进行类结构初始化，然后调用所有类的 load 方法； - dyld最后会返回
main()函数地址，main()函数被调用，随后便进入熟悉的程序入口，默认从AppDelegate类开始。
该章节仅仅是对 load 方法加载进行分析，所以关于 dyld 动态链接库并不展开。
在一个类的 load 方法中添加断点，编译运行后，在控制台 lldb 中调用 bt 命令，可查看到完整的堆栈调用信息。
堆栈信息中，在 dyld 加载完动态链接库之后，类的
load 方法之前，runtime 调用了两个函数：
load_images 与
call_load_methods。
1. load_images
先来看下 load_images
第一步，会快速依次检查类与分类中是否存在不带锁的 load 方法，这是在 runtime 中的注释，讲真的，不带锁的 load 方法，没看懂。带着好奇心去看一看
bool hasLoadMethods(const headerType *mhdr) 函数实现，发现了
_getObjc2NonlazyClassList 与
_getObjc2NonlazyCategoryList。
程序初始化过程，所有 class 类实现都被存储在 image 镜像文件中一个二进制列表里，并且会在列表中拥有一个引用，这个二进制列表会允许 runtime 去追踪检索访问已存储的类，但所有类并不会都在程序启动时就要实现。因此当一个类实现 load 方法时，也会在这个二进制列表添加一个引用索引，让 runtime 去追踪访问。而这个二进制列表存储于 image 镜像文件的 "__DATA, __objc_nlclslist, regular, no_dead_strip" 部分（看来后续文章要去深入了解dyld动态链接库了）
在
_getObjc2NonlazyClassList 检索类数组中已经实现
load 方法的类，也就是非懒加载类。非懒加载类一定会在程序启动时实现 load 方法，与之对应的懒加载类却并没有实现。懒加载类会延迟到类第一次接收到消息时加载 load 方法。同理，
_getObjc2NonlazyCategoryList 作用于分类，与
_getObjc2NonlazyClassList 功能相同。
当检索懒加载类时，则需要用到
_getObjc2ClassList 与
_getObjc2CategoryList，分别检索所有类（包括非懒加载类、懒加载类）、分类扩展（包括非懒加载类、懒加载类）。
因此，
bool hasLoadMethods(const headerType *mhdr) 函数作用，是查询所有非懒加载类、类扩展数组中是否存在已加载 load 方法。但为什么该函数在 runtime 中被注释为：快速扫描不带锁的 load 方法。对于非懒加载类的 load 方法在 runtime 中被定义为不带锁的 load 方法？到现在还一直有这个疑问。
第二步，当判断存在非懒加载类、类扩展的 load 方法时，会先用互斥锁上锁该线程，并执行 void prepare_load_methods(const headerType *mhdr) 函数。
在
void prepare_load_methods(const headerType *mhdr) 函数中，遍历
_getObjc2NonlazyClassList 函数里已加载 load 方法的类，并先获取当前处于活动状态的类指针（因为类指针可能会指向已重新分配的类结构；并且会对 weak 链接的忽略，返回 nil ），再递归去查找当前处于有效连接的类以及没有调用 load 方法的父类，添加至可执行 load 方法加载数组中。而且，为了保证父类要在子类前调用 load 方法，是通过
static void schedule_class_load(Class cls) 函数递归来实现的。
最后通过
void add_class_to_loadable_list(Class cls) 函数，将已处于有效连接状态的类添加至可加载
load 方法的类数组中，并且会将对应类的 load 方法 IMP 添加维护进一个专门维护 load 方法数组中。函数声明也可以发现，通过递归让类的超类先执行
void add_class_to_loadable_list(Class cls) 函数，当确保超类没有实现 load 方法，就将超类添加至可加载 load 方法数组，随后再将该类添加至数组中。
当非懒加载类遍历添加至可执行 load 方法的类数组后，再对所有的分类也执行相同的操作，并将分类以及对应的方法 IMP 维护至对应数组中。但是在分类的遍历过程中，会首先对分类对应的类进行
static Class realizeClass(Class cls) 函数操作，将类进行初始化。关于
static Class realizeClass(Class cls) 函数的作用，前篇文章 runtime的那些事(二)——NSObject数据结构已做介绍，为了能够让类对应的分类信息加载至类结构体中，必须先要将类进行初始化。
当非懒加载类、分类信息，以及对应 load 方法 IMP 准备完成后，接下来就会进入到
call_load_methods() 函数中。
2. call_load_methods
call_load_methods 函数声明。
关于
call_load_methods 函数的作用，在 runtime 源码已经给了很好的说明。
- 优先调用所有类的 load 方法，再去执行分类的 load 方法；
- 父类 load 方法优先于子类的执行；
- 该函数声明是允许多次执行的，因为在 load 加载过程中会触发更多的 image 镜像文件映射，而load 方法的调用是通过 dyld（动态链接库）
dyld_register_image_state_change_handler，当每次有新的镜像文件添加时触发（此处dyld的调用不展开）； - 通过 do while 循环一直重复去调用类 load 方法，直到可加载 load 方法的类不再有；
- 分类的 load 方法只会执行一次，以确保“父类优先”的调用排序，即使分类加载时会触发新的可加载类；
- 在 do while 循环执行 load 方法过程中，为了保证线程安全，
loadMethodLock必须被调用者持有，其它任何锁不能被持有。
在 do while 循环外面，使用了 autoreleasePool 进行管理。每当循环执行完毕时，会及时清理中间过程产生的临时变量以及内存资源消耗。
call_class_loads() 与 call_category_loads()
上述两个方法分别是遍历调用类与分类 load 方法
在调用 load 方法时，并没有通过
objc_msgSend() 方法来发送消息，而是直接获取了对应类的 load 方法内存地址来调用
(*load_method)(cls, SEL_load);，该调用方式最显著的特性，就是类、父类、分类之间调用 load 方法不会互相影响，当实现了类的 load 方法时，不会主动调用父类的 load 方法。换句话说，也就是实现了类的 load 方法，不需调用
[super load]; 方法。
而在
call_category_loads() 方法中，与
call_class_loads() 方法调用稍有不同。
- 先将可加载 load 方法的分类数组复制了一份相同结构体数组，命名为
cats； - 在 cats 数组遍历加载分类 load 方法后（同样是通过直接获取 load 方法的内存地址来调用），会从 cats 中删除已加载 load 方法的分类；
- 再次检查
loadable_categories数组中是否有新的可加载 load 方法的分类，若存在，先判断分类数组内存是否已被全部占用，若全部占用则在当前数组内存的基础上进行扩充，调用realloc进行动态分配内存修改，再将新的分类添加至 cats 中； - 销毁原有的
loadable_categories - 若不存在新的分类加入，则销毁 cats 数组，
loadable_categories相关参数全部置为初始状态，并 return NO，代表着全部分类已加载 load 方法完成；若存在新的分类加入 cats 数组，则会将数组 cats 赋值给loadable_categories，并在最后return YES，代表着有新的分类加入并需要加载其 load 方法。
小结
从 runtime 源码层面去研究 load 方法的加载，从中也得到一些关于 load 方法的特性。
- 加载 load 方法是在程序初始化阶段，runtime 初始化过程
load_images中执行的； - 父类的 load 方法一定会优先于子类的 load 方法执行；
- 所有类的 load 方法执行在前，分类的 load 方法后续执行；
- 一个类即使不主动代码调用 load 方法，其类、子类都会执行一次 load 方法；
- 不需要在 load 方法中调用
[super load]方法，内部会遍历递归向上查找父类并执行其 load 方法； - 主工程中的类 load 方法加载是在 dyld 动态链接库最后阶段调用，意味着项目中引入的动态库 load 方法会优先于主工程中的类 load 方法执行；
当然 load 方法还有一些其它特性，比如：
同一 image 镜像文件下，没有关系的两个类调用 load 方法的顺序，是按照类文件在 Compile Sources 中的顺序执行；
同一 image 镜像文件下，每个类的分类若实现了 load 方法，都会去执行，执行顺序也是按照分类文件在 Compile Sources 中的顺序；
二、initialize 方法
+(void) initialize;
关于 initialize 方法的调用时机，什么时候会调用 initialize 方法？
当引入一个类却不对它做任何事的时候，并不会触发 initialize 方法执行；只有对该类进行第一次消息发送，即触发调用 objc_msgSend() 方法时，才会去执行。
关于
IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, bool initialize, bool cache, bool resolver) ，其作用是查找方法的实现 IMP，在类的消息发送流程中有着举足轻重的地位。
在上述源码中，当类第一次接收到消息时，会判断出需要 initialize 方法初始化而且没有执行过 initialize 方法，则会去执行
void _class_initialize(Class cls) 方法，并且对 initialize 方法执行加锁保护。
在
void _class_initialize(Class cls) 方法中，首先会去递归检查父类是否已经执行过 initialize 方法。
然后，判断当前类的 flags 掩码位运算不是
RW_INITIALIZED 与
RW_INITIALIZING时，设置其 flags 掩码位为
RW_INITIALIZING，标记为需要执行 initialize 方法。并使用原子保护，防止重复执行 initialize 方法。
最后，去执行
callInitialize(cls); 方法，而这个方法的实现也非常简单，
((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);。区别于 load 方法的执行，使用
objc_msgSend() 消息发送执行
SEL_initialize selector，并没有像 load 方法一样直接获取 selector 的内存地址来调用。既然是使用了
objc_msgSend 走消息发送流程，当子类没有实现时，会调用继承的父类实现；若分类实现了 initialize 方法，那么就会优先执行分类的（本类中的 initialize 方法实现并没有被覆盖，依然存在于类信息中，只是因为分类实现了并优先执行分类的 initialize 方法）
小结
- initialize 在类第一次接收到消息时调用，也就是
objc_msgSend()，其本质也是通过objc_msgSend()方法调用； - 在类初始化过程中，会优先调用父类的 initialize，再调用本类的 initialize；
- 若本类没有实现 initialize，而父类实现了 initialize ，那么本类的初始化会去调用并继承父类的 initialize 方法，通过 superclass 到父类中查找，意味着父类的 initialize 方法可能会多次调用；
- 本类的 initialize 方法实现会覆盖之前继承自父类的 initialize 方法；
- 在重写 initialize 方法时，不需要调用
[super initialize]方法，因为其内部会自动递归向上查找执行父类 initialize 方法； - 分类中的 initialize 方法会优先执行，本类中的 initialize 方法不会再调用，究其原因是
obj_msgSend()方法机制；
关于 initialize 的一些其它特性：
当有多个分类实现了 initialize 方法时，只会执行最后一个分类的（最后一个是指在 Compile Sources 中排列顺序最靠后的分类）；
后记：
关于类的初始化 load 与 initialize 方法就先写到这里。在整理写作过程中，我自己也发现了有很多还需要待完善的知识点，比如：每个类、分类 load 方法是何时、如何加载进可加载 load 列表中，dyld 动态链接库对 image 镜像文件的操作流程。后续会不断补充，若是文章中出现不准确的地方还请多多指点。
该文章首次发表在 ：我只不过是出来写写代码 博客，并自动同步至 腾讯云：我只不过是出来写写iOS 博客