iOS原理探索08--objc_msgSend慢速查找流程分析

上篇文章中objc_msgSend快速查找流程分析如果第二次递归还是找不到,即当前的bucket等于buckets的第一个元素,那么开启慢速查找,那么本篇则是objc_msgSend慢速查找流程分析。

慢速查找源码跟进分析

上篇文章知道在快速查找中苹果使用的是汇编实现的,在快速查找完成后会走到__objc_msgSend_uncached,在工程中全局搜索__objc_msgSend_uncached,在objc-msg-arm64.s中可以找到具体的汇编实现,慢速查找实际超找的是方法列表MethodTableLookup

    STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
    UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves

    // THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
    // Out-of-band p16 is the class to search
    
    MethodTableLookup
    TailCallFunctionPointer x17

    END_ENTRY __objc_msgSend_uncached
  • MethodTableLookup具体实现,主要的步骤会跳转到_lookUpImpOrForward,下一步我们具体查看_lookUpImpOrForward具体实现步骤。
.macro MethodTableLookup
    
    // push frame
    SignLR
    stp fp, lr, [sp, #-16]!
    mov fp, sp

    // save parameter registers: x0..x8, q0..q7
    sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
    stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    str x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    mov x2, x16
    mov x3, #3
    bl  _lookUpImpOrForward

    // IMP in x0
    mov x17, x0
    
    // restore registers and return
    ldp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    ldp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    ldp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    ldp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    ldp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    ldp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    ldp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    ldp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    ldr x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    mov sp, fp
    ldp fp, lr, [sp], #16
    AuthenticateLR

.endmacro
  • 源码工程搜索_lookUpImpOrForward查看一下实现的流程,然而在项目工程中没有找到,我们可以使用源码汇编调试一下。

方法如下:
【步骤一】我们在main函数中定义一个LGPerson对象,使用该对象调用sayHello方法,然后在sayHello方法打一个断点,运行程序,最后我们通过Debug -- Debug worlflow -- 勾选Always show Disassembly打开汇编调试。

iOS原理探索08--objc_msgSend慢速查找流程分析_第1张图片
步骤一
可以看到其实方法的调用走的是 objc_msgSend方法。
【步骤二】按住 control键+ stepinto,可以具体查看一下 objc_msgSend方法的汇编实现,走的是 _objc_msgSend_uncached方法,查看缓存中是否存在。
iOS原理探索08--objc_msgSend慢速查找流程分析_第2张图片
`objc_msgSend`方法的汇编实现

【步骤三】按住 control键+ stepinto,可以具体查看一下 _objc_msgSend_uncached方法的汇编实现,可以看到走的是 lookUpImpOrForward方法,在 objc-runtime-new.mm文件的6099行实现的
iOS原理探索08--objc_msgSend慢速查找流程分析_第3张图片
`_objc_msgSend_uncached`方法的汇编实现

【步骤四】在 objc-runtime-new.mm文件的6099行查看一下 lookUpImpOrForward方法的具体实现流程,发现使用的是 c++实现的。下面重点分析一下 lookUpImpOrForward方法的具体实现流程。

  • lookUpImpOrForward源码分析
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    // 定义的消息转发
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 
    IMP imp = nil;
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 快速查找,如果找到则直接返回imp
    //目的:防止多线程操作时,刚好调用函数,此时缓存进来了
    if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) { 
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) goto done_nolock;
    }
    
    //加锁,目的是保证读取的线程安全
    runtimeLock.lock();
    
    //判断是否是一个已知的类:判断当前类是否是已经被认可的类,即已经加载的类
    checkIsKnownClass(cls); 
    
    //判断类是否实现,如果没有,需要先实现,此时的目的是为了确定父类链,方法后续的循环
    if (slowpath(!cls->isRealized())) { 
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }

    //判断类是否初始化,如果没有,需要先初始化
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) { 
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

    runtimeLock.assertLocked();
    curClass = cls;

    //----查找类的缓存
    
    // unreasonableClassCount -- 表示类的迭代的上限
    //(猜测这里递归的原因是attempts在第一次循环时作了减一操作,然后再次循环时,仍在上限的范围内,所以可以继续递归)
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) { 
        //---当前类方法列表(采用二分查找算法),如果找到,则返回,将方法缓存到cache中
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
        //当前类 = 当前类的父类,并判断父类是否为nil
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //--未找到方法实现,方法解析器也不行,使用转发
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        // 如果父类链中存在循环,则停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // --父类缓存
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) { 
            // 如果在父类中找到了forward,则停止查找,且不缓存,首先调用此类的方法解析器
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            //如果在父类中,找到了此方法,将其存储到cache中
            goto done;
        }
    }

    //没有找到方法实现,尝试一次方法解析

    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //动态方法决议的控制条件,表示流程只走一次
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

 done:
    //存储到缓存
    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); 
    //解锁
    runtimeLock.unlock();
 done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;
}
  • 源码解析

【第一步】定义消息转发
【第二步】先在类的缓存中进行快速查找,如果找到直接返回imp
【第三步】加锁保证一下线程的安全。
【第四步】判断这个类是不是已经加载的类,并且判断类是否已经实现,如果没有实现,这个时候需要确认父类链,方便后面的循环ls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
【第五步】判断类是否已经初始化,如果没有需要先初始化cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
【第六步】 根据当前类的上线2迭代次数进行for循环,采用二分查找算法,在当前类列表中进行查找,如果找到直接返回并将方法缓存到cache中。
【第七步】如果没有找到方法的实现,尝试一次方法解析。
【第八步】done进行缓存并解析操作。

  • 慢速查找流程图


    iOS原理探索08--objc_msgSend慢速查找流程分析_第4张图片
    慢速查找流程图--style_月月

getMethodNoSuper_nolock二分查找算法

  • 源代码
    先找到中间的位置比较,比如小于则向左查找,反之向右查找,直到找到为止或者循环完成没有找到直接返回nil
ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
    ASSERT(list);

    const method_t * const first = &list->first;
    const method_t *base = first;
    const method_t *probe;
    uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key; //key 等于 say666
    uint32_t count;
    //base相当于low,count是max,probe是middle,这就是二分
    for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
        //从首地址+下标 --> 移动到中间位置(count >> 1 左移1位即 count/2 = 4)
        probe = base + (count >> 1); 
        
        uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name;
        
        //如果查找的key的keyvalue等于中间位置(probe)的probeValue,则直接返回中间位置
        if (keyValue == probeValue) { 
            // -- while 平移 -- 排除分类重名方法
            while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) {
                //排除分类重名方法(方法的存储是先存储类方法,在存储分类---按照先进后出的原则,分类方法最先出,而我们要取的类方法,所以需要先排除分类方法)
                //如果是两个分类,就看谁先进行加载
                probe--;
            }
            return (method_t *)probe;
        }
        
        //如果keyValue 大于 probeValue,就往probe即中间位置的右边查找
        if (keyValue > probeValue) { 
            base = probe + 1;
            count--;
        }
    }
    
    return nil;
}
  • 流程图


    iOS原理探索08--objc_msgSend慢速查找流程分析_第5张图片
    二分查找流程图--style-月月
  • 开发中一般出现方法没找到的崩溃原理解析
    在方法的查找过程中,如果在方法的缓存和方法列表都没找到的情况下,会进行消息转发,即
  • __objc_msgForward_impcache消息转发汇编实现

    STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache

    // No stret specialization.
    b   __objc_msgForward

    END_ENTRY __objc_msgForward_impcache

  • __objc_forward_handler汇编实现
    ENTRY __objc_msgForward
    // Non-stret version

    MI_GET_EXTERN(r12, __objc_forward_handler)
    ldr r12, [r12]
    bx  r12

    END_ENTRY __objc_msgForward
  • 我们发现__objc_forward_handler 的具体实现本质上是void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;,下面我们可以跟进一下objc_defaultForwardHandler源码简单分析一下。
objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel)
{
    _objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
                "(no message forward handler is installed)", 
                class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? '+' : '-', 
                object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}

如果缓存,方法列表,动态决议都没有找到,那么直接报unrecognized selector sent to instance ....错误。

总结

  • 对于对象方法(即实例方法),即在类中查找,其慢速查找的父类链是:类--父类--根类--nil

  • 对于类方法,即在元类中查找,其慢速查找的父类链是:元类--根元类--根类--nil

  • 如果快速查找、慢速查找也没有找到方法实现,则尝试动态方法决议

  • 如果动态方法决议仍然没有找到,则进行消息转发

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