iOS 底层探索: objc_msgSend 快速查找

iOS 底层探索: 学习大纲 OC篇

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前言

  • 这篇主要内容是分析消息转发机制objc_msgSend。之前分析了cache_t的流程,只是探讨了Cache writers,这篇就来分析cache_fill之前的objc_msgSend,并引入方法本质的探索。

准备工作

  • 复习:iOS 底层探索:方法缓存(cache_t)的分析

一 、了解runtime

在分析objc_msgSend 之前,必须了解一下runtime的定义和基本内容。

    1. runtime的官方文档:Objective-C Runtime Programming Guide
    1. runtime版本信息

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
  • 早期版本⽤于Objective-C 1.0, 32位的Mac OS X的平台上
  • 现⾏版本:iPhone程序和Mac OS X v10.5 及以后的系统中的 64 位程序
    1. runtime 介绍:

将源代码转换为可执行的程序,通常要经过三个步骤:编译链接运行。不同的编译语言,在这三个步骤中所进行的操作又有些不同。

编译时 顾名思义就是正在编译的时候 . 那啥叫编译呢?就是编译器帮你把源代码翻译成机器能识别的代码 . 主要是对语言进行最基本的检查报错,即词法分析、语法分析等,是一个静态的阶段
运⾏时 就是代码跑起来了.被装载到内存中去了 .

Objective-C 语言 把一些决定性的工作从编译阶段、链接阶段推迟到 运行时阶段的机制,使得 Objective-C 变得更加灵活。

而实现 Objective-C 语言 运行时机制 的一切基础就是 Runtime

Runtime 实际上是一个库,这个库使我们可以在程序运行时动态的创建对象检查对象修改类对象的方法

  • 4 .runtime 在oc中编译层和底层的关系图:


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    注:其中的compiler就是编译器LLVM, runtime system libarary 就是底层库。

    1. runtime 常用使用方式:
  • 通过OC代码,例如 :[person doSometing]

  • 通过NSObject方法,例如:isKindOfClass

  • 通过Runtime API,例如:class_getInstanceSize

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二 、方法本质的探索

    1. 利用clang查看方法编译之后的代码:

clang使用步骤: isa与类关联的原理 有提过。

// - (void)sayHello;
// - (void)sayNB;
// + (void)sayCool;
/* @end */
// @implementation LGPerson

static void _I_LGPerson_sayNB(LGPerson * self, SEL _cmd) {
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_pw_vld75tl93j1cx5xjwrjd80f00000gn_T_main_350155_mi_1);
}
static void _C_LGPerson_sayCool(Class self, SEL _cmd) {
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_pw_vld75tl93j1cx5xjwrjd80f00000gn_T_main_ebda0d_mi_2);
}
// @end

//main.m中方法的调用
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
[person sayNB];
[person sayHello];
[LGPerson sayCool];

//clang编译后的底层实现
LGPerson *person = ((LGPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayNB"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("sayCool"));

可以看出:不论是类方法还是对象方法,被编译后都是执行objc_msgSend;所以方法的本质就是objc_msgSend消息发送;
结论:Objective-C 方法调用在编译时都会转化为对 C 函数objc_msgSend的调用。objc_msgSend(receiver,selector)[receiver selector] 对应的C 函数。

2 .lldb验证:
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注:

  • 1、直接调用objc_msgSend,需要导入头文件#import ,其中包含了#include
  • 2、需要将target --> Build Setting -->搜索msg -- 将enable strict checking of obc_msgSend calls由YES 改为NO,将严厉的检查机制关掉,否则objc_msgSend的参数会报错

3.拓展:子类调用父类的对象方法(objc_msgSend 和 objc_msgSendSuper)

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注:解析objc_msgSendSuper

OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_msgSendSuper(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
#endif

/// Specifies the superclass of an instance.  指定实例的父类。
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class. 指定类的实例。
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 指定message实例的特定父类。
#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 */
};
#endif
  • objc_msgSendSuper方法中有两个参数(结构体sel),其结构体类型是objc_super定义的结构体对象,且需要指定receiversuper_class两个属性

4 : 提出疑问:为什么LGPerson类中没有sayHello 方法 ,却还是能找到父类LGTeacher的sayHello的呢?是怎么找到的呢?是如何执行的呢? 带着疑问我们开始了objc_msgSend快速查找原理的探索。

二 、探索objc_msgSend 快速查找流程

老办法查看源码:在objc4-781源码中,搜索objc_msgSend,由于我们日常开发的都是架构是arm64,所以需要在arm64.s后缀的文件中查找objc_msgSend源码实现,打开一看全是汇编,瞬间懵逼。arm64汇编指令集如图:

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arm64汇编指令集

在源码进行注释:

/*
 ---- 消息发送 -- 汇编入口--objc_msgSend主要是拿到接收者的isa信息
 */
    ENTRY _objc_msgSend
/*
 ---- 无窗口
 */
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
/*
 ---- p0 和空#0对比,即判断接收者是否存在,其中p0是objc_msgSend的第一个参数-消息接收者receiver
 */
    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check
//---- le小于 --支持taggedpointer(小对象类型)的流程
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)
#else
//---- p0 等于 0 时,直接返回 空
    b.eq    LReturnZero
#endif
//---- p0即receiver 肯定存在的流程
//---- 根据对象拿出isa ,即从x0寄存器指向的地址 取出 isa,存入 p13寄存器
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa
//---- 在64位架构下通过 p16 = isa(p13) & ISA_MASK,拿出shiftcls信息,得到class信息
    GetClassFromIsa_p16 p13     // p16 = class
LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached
//---- 如果有isa,走到CacheLookup 即缓存查找流程,也就是所谓的sel-imp快速查找流程
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend

#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged:
//---- 等于空,返回空
    b.eq    LReturnZero     // nil check

    // tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #60, #4
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    adrp    x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGE
    add x10, x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEOFF
    cmp x10, x16
    b.ne    LGetIsaDone

    // ext tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #52, #8
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    b   LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endif

    1. 我们想在平时写oc的方法的时候假如需要传参,是不是也需要对参数进行判断,提高健壮性。当然在汇编中也是一样,我们在使用objc_msgSend(receiver,selector); 也需要判断传入receiver和selector;
    1. 我们需要明确我们我们的目的:找到cache中缓存的方法。

弄清这两点之后,我们再去慢慢解读源代码objc_msgSend。

流程解析:

【步骤1】:判断objc_msgSend方法的第一个参数receiver是否为空:

  • 如果支持tagged pointer,跳转至LNilOrTagged;
  • 如果小对象为空,则直接返回空,即LReturnZero

【步骤2】:receiver不为空,从receiver中取出isa,通过GetClassFromIsa_p16中,arm64架构下通过isa & ISA_MASK 获取shiftcls位域类信息,执行 CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend

注:

ldr p13, [x0] // p13 = isa
GetClassFromIsa_p16 p13 // p16 = class

这两句的意思就是将isa 赋值给13号寄存器,通过13号寄存器中的isa,找到类信息,然后将类信息赋值给16号寄存器。

GetClassFromIsa_p16源码如下:

.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */
#if SUPPORT_INDEXED_ISA 
    // Indexed isa
//---- 将isa的值存入p16寄存器
    mov p16, $0         // optimistically set dst = src 
    tbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f  // done if not non-pointer isa -- 判断是否是 nonapointer isa
    // isa in p16 is indexed
//---- 将_objc_indexed_classes所在的页的基址 读入x10寄存器
    adrp    x10, _objc_indexed_classes@PAGE 
//---- x10 = x10 + _objc_indexed_classes(page中的偏移量) --x10基址 根据 偏移量 进行 内存偏移
    add x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
//---- 从p16的第ISA_INDEX_SHIFT位开始,提取 ISA_INDEX_BITS 位 到 p16寄存器,剩余的高位用0补充
    ubfx    p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS  // extract index 
    ldr p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT] // load class from array
1:

//--用于64位系统
#elif __LP64__ 
    // 64-bit packed isa
//---- p16 = class = isa & ISA_MASK(位运算 & 即获取isa中的shiftcls信息)
    and p16, $0, #ISA_MASK 

#else
    // 32-bit raw isa ---- 用于32位系统
    mov p16, $0

#endif

.endmacro

【步骤3】 :缓存方法的查找

CacheLookup 缓存查找汇编源码

.macro CacheLookup 
    //   GETIMP:
    //     The cache-miss is just returning NULL (setting x0 to 0)
    //
    //   NORMAL and LOOKUP:
    //   - x0 contains the receiver
    //   - x1 contains the selector
    //   - x16 contains the isa
    //   - other registers are set as per calling conventions
    //
LLookupStart$1:

/****------------------step1---------------------****/

//---- p1 = SEL, p16 = isa --- #define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__),其中 __SIZEOF_POINTER__表示pointer的大小 ,即 2*8 = 16
//---- p11 = mask|buckets -- 从x16(即isa)中平移16字节,取出cache 存入p11寄存器 -- isa距离cache 正好16字节:isa(8字节)-superClass(8字节)-cache(mask高16位 + buckets低48位)
    ldr p11, [x16, #CACHE]     

/****------------------step2---------------------****/
    
//---- 64位真机
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16 
//--- p11(cache) & 0x0000ffffffffffff ,mask高16位抹零,得到buckets 存入p10寄存器-- 即去掉mask,留下buckets
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets 
    
//--- p11(cache)右移48位,得到mask(即p11 存储mask),mask & p1(msgSend的第二个参数 cmd-sel) ,得到sel-imp的下标index(即搜索下标) 存入p12(cache insert写入时的哈希下标计算是 通过 sel & mask,读取时也需要通过这种方式)
    and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask 

//--- 非64位真机
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4 
    and p10, p11, #~0xf         // p10 = buckets
    and p11, p11, #0xf          // p11 = maskShift
    mov p12, #0xffff
    lsr p11, p12, p11               // p11 = mask = 0xffff >> p11
    and p12, p1, p11                // x12 = _cmd & mask
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif

/****------------------step3---------------------****/

//--- p12是下标 p10是buckets数组首地址,下标 * 1<<4(即16) 得到实际内存的偏移量,通过buckets的首地址偏移,获取bucket存入p12寄存器
//--- LSL #(1+PTRSHIFT)-- 实际含义就是得到一个bucket占用的内存大小 -- 相当于mask = occupied -1-- _cmd & mask -- 取余数
    add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)   
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT)) -- PTRSHIFT是3
                     
//--- 从x12(即p12)中取出 bucket 分别将imp和sel 存入 p17(存储imp) 和 p9(存储sel)
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket 

/****------------------step4---------------------****/
    
//--- 比较 sel 与 p1(传入的参数cmd)
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd) 
//--- 如果不相等,即没有找到,请跳转至 2f
    b.ne    2f          //     scan more 
//--- 如果相等 即执行cacheHit ,直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp 
    
/****------------------step5 和 step6---------------------****/

2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
//--- 如果一直都找不到, 因为是normal ,跳转至__objc_msgSend_uncached
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0 
//--- 判断p12(下标对应的bucket) 是否 等于 p10(buckets数组第一个元素,),如果等于,则跳转至第3步
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets 
//--- 定位到最后一个元素(即第一个bucket)
    b.eq    3f 
//--- 从x12(即p12 buckets首地址)- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE,得到得到第二个bucket元素,imp-sel分别存入p17-p9,即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket 
//--- 跳转至第1步,继续对比 sel 与 cmd
    b   1b          // loop 

3:  // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//--- 人为设置到最后一个元素
//--- p11(mask)右移44位 相当于mask左移4位,直接定位到buckets的最后一个元素,缓存查找顺序是向前查找
    add p12, p12, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT)) 
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT) 
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    add p12, p12, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif

/****------------------step6---------------------****/
    // Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
    // The slow path may detect any corruption and halt later.
//--- 再查找一遍缓存()
//--- 拿到x12(即p12)bucket中的 imp-sel 分别存入 p17-p9
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket 
    
//--- 比较 sel 与 p1(传入的参数cmd)
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd) 
//--- 如果不相等,即走到第二步
    b.ne    2f          //     scan more 
//--- 如果相等 即命中,直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp  
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
//--- 如果一直找不到,则CheckMiss
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0 
//--- 判断p12(下标对应的bucket) 是否 等于 p10(buckets数组第一个元素)-- 表示前面已经没有了,但是还是没有找到
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets 
    b.eq    3f //如果等于,跳转至第3步
//--- 从x12(即p12 buckets首地址)- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE,得到得到第二个bucket元素,imp-sel分别存入p17-p9,即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket 
//--- 跳转至第1步,继续对比 sel 与 cmd
    b   1b          // loop 

LLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3:  // double wrap
//--- 跳转至JumpMiss 因为是normal ,跳转至__objc_msgSend_uncached

    JumpMiss $0 
.endmacro

//以下是最后跳转的汇编函数
.macro CacheHit
.if $0 == NORMAL
    TailCallCachedImp x17, x12, x1, x16 // authenticate and call imp
.elseif $0 == GETIMP
    mov p0, p17
    cbz p0, 9f          // don't ptrauth a nil imp
    AuthAndResignAsIMP x0, x12, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMP
9:  ret             // return IMP
.elseif $0 == LOOKUP
    // No nil check for ptrauth: the caller would crash anyway when they
    // jump to a nil IMP. We don't care if that jump also fails ptrauth.
    AuthAndResignAsIMP x17, x12, x1, x16    // authenticate imp and re-sign as IMP
    ret             // return imp via x17
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

.macro CheckMiss
    // miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP 
//--- 如果为GETIMP ,则跳转至 LGetImpMiss
    cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL 
//--- 如果为NORMAL ,则跳转至 __objc_msgSend_uncached
    cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP 
//--- 如果为LOOKUP ,则跳转至 __objc_msgLookup_uncached
    cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

.macro JumpMiss
.if $0 == GETIMP
    b   LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
    b   __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
    b   __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

以上内容分为以下几步

  • step1:通过cache首地址平移16字节(因为在objc_class中,首地址距离cache正好16字节,即isa8字节,superClass8字节),获取cahce,cache中高16位存mask低48位存bucketsldr p11, [x16, #CACHE] ,将p11赋值cahce;
    • CACHE 这是一个宏;
  • step2 :从cache中分别取出buckets和mask,并由mask根据哈希算法计算出哈希下标

  • 通过cache掩码(即0x0000ffffffffffff)& 运算,将高16位mask抹零,得到buckets指针地址,即p10 = buckets

  • cache右移48位,得到mask,即p11 = mask

  • objc_msgSend的参数p1(即第二个参数_cmd)& msak,通过哈希算法,得到需要查找存储sel-imp的bucket下标index,即p12 = index = _cmd & mask,为什么通过这种方式呢?因为在存储sel-imp时,也是通过同样哈希算法计算哈希下标进行存储,所以读取也需要通过同样的方式读取,如下

mask_t m = capacity - 1;
mask_t begin = cache_hash(sel, m);
mask_t i = begin;

static inline mask_t cache_hash(SEL sel, mask_t mask) 
{
   return (mask_t)(uintptr_t)sel & mask;
}
  • step3 :根据所得的哈希下标indexbuckets首地址,取出哈希下标对应的bucket

    • 其中PTRSHIFT等于3,左移1+3位(即2^4 = 16字节)的目的是计算出一个bucket实际占用的大小,结构体bucket_tsel8字节,imp8字节

    • 根据计算的哈希下标index 乘以 单个bucket占用的内存大小,得到buckets首地址在实际内存中的偏移量

    • 通过首地址 + 实际偏移量,获取哈希下标index对应的bucket

  • step4 :根据获取的bucket,取出其中的sel存入p17,即p17 = sel,取出imp存入p9,即p9 = imp

  • step5 :第一次递归循环

    • 比较获取的bucketselobjc_msgSend的第二个参数的_cmd(即p1)是否相等

    • 如果相等,则执行缓存命中CacheHit,返回imp

    • 如果不相等,有以下两种情况

      • 如果一直都找不到,直接跳转至CheckMiss,因为$0normal,会跳转至__objc_msgSend_uncached,进入慢速查找流程

      • 如果根据index获取的bucket 等于 buckets的第一个元素,则人为的将当前bucket设置为buckets的最后一个元素(通过buckets首地址+mask右移44位(等同于左移4位)直接定位到bucker的最后一个元素),然后继续向前查找,进行递归循环

  • step6 :第二次递归循环:重复step5的操作,与step5中唯一区别是,如果当前的bucket等于 buckets的第一个元素,则直接跳转至JumpMiss,此时的$0normal,也是直接跳转至__objc_msgSend_uncached,即进入慢速查找流程

三 、总结

  • objc_msgSend 用汇编写的原因:
    • 1.因为c语言中不可能通过写一个函数来保留未知的参数,并且跳转到一个任意的函数指针。c语言没有满足这件事的必要特性;
      1. objc_msgSend调用频繁,必须足够快,在 Objective-C Runtime 中调用频率较高的函数好多都用汇编写的。
  • objc_msgSend流程图
iOS 底层探索: objc_msgSend 快速查找_第7张图片
objc_msgSend流程

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