iOS-底层原理 18：类的加载（下）

iOS 底层原理 文章汇总

在上一篇文章iOS-底层原理 17：类的加载（上）中，理解了类是如何从Mach-O加载到内存中，这次我们来解释下分类是如何加载到类中的，以及分类和类搭配使用的情况

分类的本质

前提：在main中定义LGperson的分类LG

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探索分类的本质，有以下三种方式

• 【方式一】通过clang
• 【方式二】通过Xcode文档搜索Category
• 【方式三】通过objc源码搜索 category_t

方式一：通过clang

• 【方式一】clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 查看底层编译，即 main.cpp，

  • 其中分类的 类型是_category_t
  • 分类的倒数第二个0，表示的是没有协议，所以赋值为0
    
    

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• 搜索struct _category_t，如下所示

  • 其中有两个method_list_t，分别表示实例方法 和 类方法
    
    

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• 搜索_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_LGPerson_，找到其底层实现
  

  

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  其中有3个方法，格式为：sel+签名+地址，是method_t结构体的属性即key
  
  

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• 搜索method_t，其中对应关系如下

  • name 对应 sel
  • type 对应 方法签名
  • imp 对应 函数地址
    
    

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同时，我们发现了一个问题：查看看_prop_list_t，明明分类中定义了属性，但是在底层编译中并没有看到属性，如下图所示，这是因为分类中定义的属性没有相应的set、get方法，我们可以通过关联对象来设置（关于如何设置关联对象，我们将在后续的扩展中进行说明）

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方式二：通过Xcode文档搜索 Category

如果不会clang，可以通过Xcode文档搜索 Category

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方式三：通过objc源码搜索 category_t

还可以通过objc源码搜索category_t类型

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总结

综上所述，分类的本质 是一个_category_t类型

• 有两个属性：name（类的名称） 和 cls（类对象）

• 有两个 method_list_t类型的方法列表，表示分类中实现的实例方法+类方法

• 一个protocol_list_t类型的协议列表，表示分类中实现的协议

• 一个prop_list_t类型的属性列表，表示分类中定义的属性，一般在分类中添加的属性都是通过关联对象来实现

• 需要注意的是，分类中的属性是没有set、get方法

分类的加载

前提：创建LGPerson的两个分类：LGA、LGB

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在上一篇iOS-底层原理 17：类的加载（上）文章中的realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass -> load_categories_nolock -> extAlloc ->attachCategories中提及了rwe的加载，其中分析了分类的data数据 时如何 加载到类中的，且分类的加载顺序是：LGA -> LGB的顺序加载到类中，即越晚加进来，越在前面

其中查看methodizeClass的源码实现，可以发现类的数据和 分类的数据是分开处理的，主要是因为在编译阶段，就已经确定好了方法的归属位置（即实例方法存储在类中，类方法存储在元类中），而分类是后面才加进来的

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其中分类需要通过attatchToClass添加到类，然后才能在外界进行使用，在此过程，我们已经知道了分类加载三步骤的后面两个步骤，分类的加载主要分为3步：

• 分类数据加载时机：根据类和分类是否实现load方法来区分不同的时机

• attachCategories准备分类数据

• attachLists将分类数据添加到主类中

分类的加载时机

下面我们来探索分类数据的加载时机，以主类LGPerson + 分类LGA、LGB 均实现+load方法为例

通过第二步数据准备反推第一步的加载时机

• 通过上一篇文章我们了解到，在走到attachCategories方法时，必然会有分类数据的加载，可以通过反推法查看 在什么时候调用attachCategories的，通过查找，有两个方法中调用

  • load_categories_nolock方法中
    
    

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  • addToClass方法中，这里经过调试发现，从来不会进到if流程中，除非加载两次，一般的类一般只会加载一次
    
    

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• 不加任何断点，运行objc代码，可以得出以下打印日志，通过日志可以发现addToClass方法的下一步就是load_categories_nolock方法就是加载分类数据
  

  

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• 全局搜索load_categories_nolock的调用，有两次调用

  • 一次在loadAllCategories方法中
    
    

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  • 一次在_read_images方法中
    
    

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• 但是经过调试发现，是不会走_read_images方法中的if流程的，而是走的loadAllCategories方法中的
  

  

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• 全局搜索查看loadAllCategories的调用，发现是在load_images时调用的
  

  

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通过堆栈信息分析

• 在attachCategories中加自定义逻辑的断点，bt查看堆栈信息
  
  

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所以综上所述，该情况下的分类的数据加载时机的反推路径为：attachCategories -> load_categories_nolock -> loadAllCategories -> load_images

而我们的分类加载正常的流程的路径为：realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass ->attachCategories

其中正向和反向的流程如下图所示：

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我们再来看一种情况：主类+分类LGA实现+load，分类LGB不实现+load方法

• 断点定在attachCategories中加自定义逻辑部分，一步步往下执行

  • p entry.cat
  • p *$0
    
    

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• 继续往下执行，会再次来到 attachCategories方法中断住

  • p entry.cat
  • p *$0
    
    

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总结：只要有一个分类是非懒加载分类，那么所有的分类都会被标记位非懒加载分类，意思就是加载一次 已经开辟了rwe，就不会再次懒加载，重新去处理 LGPerson

分类和类的搭配使用

通过上面的两个例子，我们可以大致将类 和 分类 是否实现+load的情况分为4种

类+分类
	分类实现+load	分类未实现+load
类实现+load	非懒加载类+非懒加载分类	非懒加载类+懒加载分类
类未实现+load	懒加载类+非懒加载分类	懒加载类+懒加载分类

• 【情况1】非懒加载类 + 非懒加载分类

• 【情况2】非懒加载类 + 懒加载分类

• 【情况3】懒加载类 + 懒加载分类

• 【情况4】懒加载类 + 非懒加载分类

非懒加载类 与 非懒加载分类

即主类实现了+load方法，分类同样实现了+load方法，在前文分类的加载时机时，我们已经分析过这种情况，所以可以直接得出结论，这种情况下

• 类的数据加载是通过_getObjc2NonlazyClassList加载，即ro、rw的操作，对rwe赋值初始化，是在extAlloc方法中

• 分类的数据加载是通过load_images加载到类中的

其调用路径为：

• map_images -> map_images_nolock -> _read_images -> readClass -> _getObjc2NonlazyClassList -> realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass ,此时的mlists是一维数组，然后走到load_images部分

• load_images --> loadAllCategories -> load_categories_nolock -> load_categories_nolock -> attachCategories -> attachLists，此时的mlists是二维数组

下面为源码中调试的打印日志

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非懒加载类 与 懒加载分类

即主类实现了+load方法，分类未实现+load方法

• 打开realizeClassWithoutSwift中的自定义断点，看一下ro

  • 查看kc_ro
    
    

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  • p kc_ro->baseMethodList

    
    
    

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  • p 1.get(4)
    
    

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  • p 1.get(10)
    
    

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    从上面的打印输出可以看出，方法的顺序是 LGB—LGA-LGPerson类，此时分类已经 加载进来了，但是还没有排序，说明在没有进行非懒加载时，通过cls->data读取Mach-O数据时，数据就已经编译进来了，不需要运行时添加进去

• 来到methodizeClass方法中断点部分

  • p list
  • p $0->get(0)- p $0->get(5)
    
    

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• 来到prepareMethodLists的for循环部分

  • p addedLists[0]
  • p addedLists[1]
  • p *$1

  • p *$2

    
    
    

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• 来到fixupMethodList方法中的if (sort) {部分

  • 其中SortBySELAddress的源码实现如下：根据名字的地址进行排序
    
    

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• 走到mlist->setFixedUp();，在读取list

  • p mlist
  • p $7->get(0) ~ p $7->get(3)
    
    

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  • p $7->get(4) ~ p $7->get(6)
    
    

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    通过打印发现，仅对同名方法进行了排序，而分类中的其他方法是不需要排序的，其你imp地址是有序的（从小到大） -- fixupMethodList中的排序只针对 name 地址进行排序
    
    

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• 不加任何断点，运行程序，获取打印日志

  
  
  

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总结：非懒加载类 与 懒加载分类的数据加载，有如下结论：

• 类 和 分类的加载是在read_images就加载数据了

• 其中data数据在编译时期就已经完成了

懒加载类 与 懒加载分类

即主类和分类均未实现+load方法

• 不加任何断点，运行程序，获取打印日志
  

  

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  其中realizeClassMaybeSwiftMaybeRelock是消息流程中慢速查找中有的函数，即在第一次调用消息时才有的函数

• 在readClass断住,然后读取kc_ro，即读取整个data
  

  

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  此时的baseMethodList的count还是16，说明也是从data中读取出来的，所以不需要经过一层缓慢的load_images加载进来

总结：懒加载类 与 懒加载分类的数据加载是在消息第一次调用时记载

懒加载类 与 非懒加载分类

即主类未实现+load方法， 分类实现了+load方法

• 不加任何断点，运行程序，获取打印日志

  
  
  

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• 在打印的日志中没有看到load_categories_nolock方法，查看attachCategories -- extAlloc -- attachToClass -- attachCategories，在attachToClass中加断点
  

  

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• 在readClass方法中断住，查看kc_ro
  

  

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  其中baseMethodList的count是8个，打印看看：对象方法3个+属性的setget方法共4个+1个cxx方法 ，即 现在只有主类的数据
  
  

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  • 查看kc_ro结构

    
    
    

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  • p kc_ro->baseMethodList
  • p 0->get(3)、p $0->get(7)
    
    

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• 为了调试分类的数据加载， 继续往下执行，bt查看堆栈：load_images -> loadAllCategories -> load_categories_nolock
  

  

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总结：懒加载类 + 非懒加载分类的数据加载，只要分类实现了load，会迫使主类提前加载,即 主类 强行转换为 非懒加载类样式

总结

类和分类搭配使用，其数据的加载时机总结如下：

• 【情况1】非懒加载类 + 非懒加载分类，其数据的加载在load_images方法中，首先对类进行加载，然后把分类的信息贴到类中

• 【情况2】非懒加载类 + 懒加载分类，其数据加载在read_image就加载数据，数据来自data，data在编译时期就已经完成，即data中除了类的数据，还有分类的数据，与类绑定在一起

• 【情况3】懒加载类 + 懒加载分类 ，其数据加载推迟到 第一次消息时，数据同样来自data，data在编译时期就已经完成

• 【情况4】懒加载类 + 非懒加载分类 ，只要分类实现了load，会迫使主类提前加载，即在_read_images中不会对类做实现操作，需要在load_images方法中触发类的数据加载，即rwe初始化，同时加载分类数据

如下图所示

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补充：load_images原理分析

load_images方法的主要作用是加载镜像文件，其中最重要的有两个方法：prepare_load_methods（加载） 和 call_load_methods（调用）

• 进入load_images源码实现
  

  

  load_images原理分析-1

• 进入prepare_load_methods源码

  • 进入_getObjc2NonlazyClassList -> schedule_class_load源码,这里主要是根据类的继承链递归调用获取load，直到cls不存在才结束递归，目的是为了确保父类的load优先加载
    

    

    load_images原理分析-2

  • 进入add_class_to_loadable_list，主要是将load方法和cls类名一起加到loadable_classes表中
    

    

    load_images原理分析-3
    • 进入getLoadMethod，主要是获取方法的sel为load的方法
      
      

      load_images原理分析-4

  • _getObjc2NonlazyCategoryList -> realizeClassWithoutSwift -> add_category_to_loadable_list ,主要是将非懒加载分类的load方法加入表中
    

    

    load_images原理分析-5
    • 进入add_category_to_loadable_list实现,获取所有的非懒加载分类中的load方法，将分类名+load加入表loadable_categories
      
      

      load_images原理分析-6

• 进入call_load_methods源码，主要有3部分操作

  • 反复调用类的+load，直到不再有

  • 调用一次分类的+load

  • 如果有类或更多未尝试的分类，则运行更多的+load

    
    
    

    load_images原理分析-7

  • 进入call_class_loads，主要是加载类的load方法
    

    

    load_images原理分析-8
    
    其中load方法中有两个隐藏参数，第一个为id 即self，第二个为sel，即cmd

  • call_category_loads，主要是加载一次分类的load方法
    

    

    load_images原理分析-9

综上所述，load_images方法整体调用过程及原理图示如下

• 调用过程图示

  
  
  

  调用过程图示

• 原理图示

  
  
  

  原理图示
  
  

  主要分为两步

  • 从所有的非懒加载类和分类中的+load分别添加到表中
  • 调用类和分类的+load方法