iOS 底层原理 文章汇总
引子
在前面两篇文章iOS-底层原理 12:objc_msgSend流程分析之快速查找和iOS-底层原理 13:objc_msgSend流程分析之慢速查找中,分别分析了objc_msgSend
的快速查找
和慢速查找
,在这两种都没找到方法实现的情况下,苹果给了两个建议
-
动态方法决议
:慢速查找流程未找到后,会执行一次动态方法决议 -
消息转发
:如果动态方法决议仍然没有找到实现,则进行消息转发
如果这两个建议都没有做任何操作,就会报我们日常开发中常见的方法未实现
的崩溃报错
,其步骤如下
-
定义
LGPerson
类,其中say666
实例方法 和sayNB
类方法均没有实现
-
main中 分别调用
LGPerson
的实例方法say666
和类方法sayNB
,运行程序,均会报错
,提示方法未实现
,如下所示-
调用实例方法say666的报错结果
-
调用类方法sayNB的报错结果
-
方法未实现报错源码
根据慢速查找
的源码,我们发现,其报错最后都是走到__objc_msgForward_impcache
方法,以下是报错流程的源码
STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache
// No stret specialization.
b __objc_msgForward
END_ENTRY __objc_msgForward_impcache
//
ENTRY __objc_msgForward
adrp x17, __objc_forward_handler@PAGE
ldr p17, [x17, __objc_forward_handler@PAGEOFF]
TailCallFunctionPointer x17
END_ENTRY __objc_msgForward
- 汇编实现中查找
__objc_forward_handler
,并没有找到,在源码中去掉一个下划线进行全局搜索_objc_forward_handler
,有如下实现,本质是调用的objc_defaultForwardHandler
方法
// Default forward handler halts the process.
__attribute__((noreturn, cold)) void
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);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;
看着objc_defaultForwardHandler
有没有很眼熟,这就是我们在日常开发中最常见的错误:没有实现函数,运行程序,崩溃时报的错误提示
。
下面,我们来讲讲如何在崩溃前,如何操作,可以防止方法未实现的崩溃。
三次方法查找的挽救机会
根据苹果的两个建议,我们一共有三次挽救的机会:
【第一次机会】
动态方法决议
-
消息转发流程
- 【第二次机会】
快速转发
- 【第三次机会】
慢速转发
- 【第二次机会】
【第一次机会】动态方法决议
在慢速查找
流程未找到
方法实现时,首先会尝试一次动态方法决议
,其源码实现如下:
static NEVER_INLINE IMP
resolveMethod_locked(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
runtimeLock.assertLocked();
ASSERT(cls->isRealized());
runtimeLock.unlock();
//对象 -- 类
if (! cls->isMetaClass()) { //类不是元类,调用对象的解析方法
// try [cls resolveInstanceMethod:sel]
resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
}
else {//如果是元类,调用类的解析方法, 类 -- 元类
// try [nonMetaClass resolveClassMethod:sel]
// and [cls resolveInstanceMethod:sel]
resolveClassMethod(inst, sel, cls);
//为什么要有这行代码? -- 类方法在元类中是对象方法,所以还是需要查询元类中对象方法的动态方法决议
if (!lookUpImpOrNil(inst, sel, cls)) { //如果没有找到或者为空,在元类的对象方法解析方法中查找
resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
}
}
// chances are that calling the resolver have populated the cache
// so attempt using it
//如果方法解析中将其实现指向其他方法,则继续走方法查找流程
return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior | LOOKUP_CACHE);
}
主要分为以下几步
- 判断类是否是元类
- 如果是
类
,执行实例方法
的动态方法决议resolveInstanceMethod
- 如果是
元类
,执行类方法
的动态方法决议resolveClassMethod
,如果在元类中没有找到
或者为空
,则在元类
的实例方法
的动态方法决议resolveInstanceMethod
中查找,主要是因为类方法在元类中是实例方法
,所以还需要查找元类中实例方法的动态方法决议
- 如果是
- 如果
动态方法决议
中,将其实现指向了其他方法
,则继续查找指定的imp
,即继续慢速查找lookUpImpOrForward
流程
其流程如下
实例方法
针对实例方法
调用,在快速-慢速查找均没有找到实例方法
的实现时,我们有一次挽救的机会,即尝试一次动态方法决议
,由于是实例方法
,所以会走到resolveInstanceMethod
方法,其源码如下
static void resolveInstanceMethod(id inst, SEL sel, Class cls)
{
runtimeLock.assertUnlocked();
ASSERT(cls->isRealized());
SEL resolve_sel = @selector(resolveInstanceMethod:);
// look的是 resolveInstanceMethod --相当于是发送消息前的容错处理
if (!lookUpImpOrNil(cls, resolve_sel, cls->ISA())) {
// Resolver not implemented.
return;
}
BOOL (*msg)(Class, SEL, SEL) = (typeof(msg))objc_msgSend;
bool resolved = msg(cls, resolve_sel, sel); //发送resolve_sel消息
// Cache the result (good or bad) so the resolver doesn't fire next time.
// +resolveInstanceMethod adds to self a.k.a. cls
//查找say666
IMP imp = lookUpImpOrNil(inst, sel, cls);
if (resolved && PrintResolving) {
if (imp) {
_objc_inform("RESOLVE: method %c[%s %s] "
"dynamically resolved to %p",
cls->isMetaClass() ? '+' : '-',
cls->nameForLogging(), sel_getName(sel), imp);
}
else {
// Method resolver didn't add anything?
_objc_inform("RESOLVE: +[%s resolveInstanceMethod:%s] returned YES"
", but no new implementation of %c[%s %s] was found",
cls->nameForLogging(), sel_getName(sel),
cls->isMetaClass() ? '+' : '-',
cls->nameForLogging(), sel_getName(sel));
}
}
}
主要分为以下几个步骤:
- 在
发送resolveInstanceMethod消息
前,需要查找cls类
中是否有该方法的实现
,即通过lookUpImpOrNil
方法又会进入lookUpImpOrForward
慢速查找流程查找resolveInstanceMethod
方法- 如果没有,则直接返回
- 如果有,则发送
resolveInstanceMethod
消息
- 再次慢速查找实例方法的实现,即通过
lookUpImpOrNil
方法又会进入lookUpImpOrForward
慢速查找流程查找实例方法
崩溃修改
所以,针对实例方法say666
未实现的报错崩溃,可以通过在类
中重写``resolveInstanceMethod
类方法,并将其指向其他方法的实现,即在LGPerson
中重写resolveInstanceMethod类方法
,将实例方法say666
的实现指向sayMaster
方法实现,如下所示
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
if (sel == @selector(say666)) {
NSLog(@"%@ 来了", NSStringFromSelector(sel));
//获取sayMaster方法的imp
IMP imp = class_getMethodImplementation(self, @selector(sayMaster));
//获取sayMaster的实例方法
Method sayMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(sayMaster));
//获取sayMaster的丰富签名
const char *type = method_getTypeEncoding(sayMethod);
//将sel的实现指向sayMaster
return class_addMethod(self, sel, imp, type);
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
重新运行,其打印结果如下
从结果中可以发现,resolveInstanceMethod
动态决议方法中“来了”打印了两次,这是为什么呢?通过堆栈信息可以看出
- 【第一次动态决议】第一次的“来了”是在查找
say666
方法时会进入动态方法决议
- 【第二次动态决议】第二次“来了”是在慢速转发流程中调用了
CoreFoundation
框架中的NSObject(NSObject) methodSignatureForSelector:
后,会再次进入动态决议
注:详细的分析流程请看文末的问题探索
类方法
针对类方法
,与实例方法类似,同样可以通过重写resolveClassMethod
类方法来解决前文的崩溃问题,即在LGPerson
类中重写该方法,并将sayNB
类方法的实现指向类方法lgClassMethod
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel{
if (sel == @selector(sayNB)) {
NSLog(@"%@ 来了", NSStringFromSelector(sel));
IMP imp = class_getMethodImplementation(objc_getMetaClass("LGPerson"), @selector(lgClassMethod));
Method lgClassMethod = class_getInstanceMethod(objc_getMetaClass("LGPerson"), @selector(lgClassMethod));
const char *type = method_getTypeEncoding(lgClassMethod);
return class_addMethod(objc_getMetaClass("LGPerson"), sel, imp, type);
}
return [super resolveClassMethod:sel];
}
resolveClassMethod
类方法的重写需要注意一点,传入的cls
不再是类,而是元类
,可以通过objc_getMetaClass
方法获取类的元类
,原因是因为类方法在元类中是实例方法
优化
上面的这种方式是单独在每个类中重写,有没有更好的,一劳永逸的方法呢?其实通过方法慢速查找流程可以发现其查找路径有两条
- 实例方法:
类 -- 父类 -- 根类 -- nil
- 类方法:
元类 -- 根元类 -- 根类 -- nil
它们的共同点是如果前面没找到,都会来到根类即NSObject中查找
,所以我们是否可以将上述的两个方法统一整合在一起呢?答案是可以的,可以通过NSObject添加分类
的方式来实现统一处理
,而且由于类方法的查找,在其继承链,查找的也是实例方法,所以可以将实例方法 和 类方法的统一处理放在resolveInstanceMethod
方法中,如下所示
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
if (sel == @selector(say666)) {
NSLog(@"%@ 来了", NSStringFromSelector(sel));
IMP imp = class_getMethodImplementation(self, @selector(sayMaster));
Method sayMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(sayMaster));
const char *type = method_getTypeEncoding(sayMethod);
return class_addMethod(self, sel, imp, type);
}else if (sel == @selector(sayNB)) {
NSLog(@"%@ 来了", NSStringFromSelector(sel));
IMP imp = class_getMethodImplementation(objc_getMetaClass("LGPerson"), @selector(lgClassMethod));
Method lgClassMethod = class_getInstanceMethod(objc_getMetaClass("LGPerson"), @selector(lgClassMethod));
const char *type = method_getTypeEncoding(lgClassMethod);
return class_addMethod(objc_getMetaClass("LGPerson"), sel, imp, type);
}
return NO;
}
这种方式的实现,正好与源码中针对类方法的处理逻辑是一致的,即完美阐述为什么调用了类方法动态方法决议,还要调用对象方法动态方法决议,其根本原因还是类方法在元类中的实例方法
。
当然,上面这种写法还是会有其他的问题,比如系统方法也会被更改
,针对这一点,是可以优化的,即我们可以针对自定义类中方法统一方法名的前缀
,根据前缀来判断是否是自定义方法,然后统一处理自定义方法
,例如可以在崩溃前pop到首页,主要是用于app线上防崩溃的处理
,提升用户的体验。
消息转发流程
在慢速查找的流程中,我们了解到,如果快速+慢速没有找到方法实现,动态方法决议也不行,就使用消息转发
,但是,我们找遍了源码也没有发现消息转发的相关源码,可以通过以下方式来了解,方法调用崩溃前都走了哪些方法
通过
instrumentObjcMessageSends
方式打印发送消息的日志通过
hopper/IDA反编译
通过instrumentObjcMessageSends
- 通过
lookUpImpOrForward --> log_and_fill_cache --> logMessageSend
,在logMessageSend源码下方找到instrumentObjcMessageSends
的源码实现,所以,在main中调用
instrumentObjcMessageSends
打印方法调用的日志信息,有以下两点准备工作1、打开
objcMsgLogEnabled
开关,即调用instrumentObjcMessageSends
方法时,传入YES
2、在
main
中通过extern
声明instrumentObjcMessageSends
方法
extern void instrumentObjcMessageSends(BOOL flag);
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
instrumentObjcMessageSends(YES);
[person sayHello];
instrumentObjcMessageSends(NO);
NSLog(@"Hello, World!");
}
return 0;
}
-
通过
logMessageSend
源码,了解到消息发送打印信息存储在/tmp/msgSends
目录,如下所示
-
运行代码,并前往
/tmp/msgSends
目录,发现有msgSends
开头的日志文件,打开发现在崩溃前,执行了以下方法- 两次
动态方法决议
:resolveInstanceMethod
方法 - 两次
消息快速转发
:forwardingTargetForSelector
方法 - 两次
消息慢速转发
:methodSignatureForSelector
+resolveInvocation
- 两次
通过hopper/IDA反编译
Hopper和IDA是一个可以帮助我们静态分析可视性文件的工具,可以将可执行文件反汇编成伪代码、控制流程图等,下面以Hopper为例(注:hopper高级版本是一款收费软件,针对比较简单的反汇编需求来说,demo版本足够使用了)
-
运行程序崩溃,查看堆栈信息
-
发现
___forwarding___
来自CoreFoundation
-
通过
image list
,读取整个镜像文件,然后搜索CoreFoundation
,查看其可执行文件的路径
-
通过文件路径,找到
CoreFoundation
的可执行文件
-
打开
hopper
,选择Try the Demo
,然后将上一步的可执行文件拖入hopper进行反汇编,选择x86(64 bits)
-
以下是反汇编后的界面,主要使用上面的三个功能,分别是 汇编、流程图、伪代码
-
通过左侧的搜索框搜索
__forwarding_prep_0___
,然后选择伪代码
-
以下是
__forwarding_prep_0___
的汇编伪代码,跳转至___forwarding___
-
以下是
___forwarding___
的伪代码实现,首先是查看是否实现forwardingTargetForSelector
方法,如果没有响应,跳转至loc_6459b
即快速转发没有响应,进入慢速转发
流程,
-
跳转至
loc_6459b
,在其下方判断是否响应methodSignatureForSelector
方法,
如果
没有响应
,跳转至loc_6490b
,则直接报错-
如果获取
methodSignatureForSelector
的方法签名
为nil,也是直接报错
-
-
如果
methodSignatureForSelector
返回值不为空,则在forwardInvocation
方法中对invocation
进行处理
所以,通过上面两种查找方式可以验证,消息转发的方法有3个
- 【快速转发】
forwardingTargetForSelector
- 【慢速转发】
methodSignatureForSelector
forwardInvocation
所以,综上所述,消息转发整体的流程如下
消息转发的处理主要分为两部分:
- 【快速转发】当慢速查找,以及动态方法决议均没有找到实现时,进行消息转发,首先是进行
快速消息转发
,即走到forwardingTargetForSelector
方法如果返回
消息接收者
,在消息接收者中还是没有找到,则进入另一个方法的查找流程如果返回
nil
,则进入慢速消息转发
- 【慢速转发】执行到
methodSignatureForSelector
方法如果返回的
方法签名
为nil
,则直接崩溃报错
如果返回的方法签名
不为nil
,走到forwardInvocation
方法中,对invocation事务进行处理,如果不处理也不会报错
【第二次机会】快速转发
针对前文的崩溃问题,如果动态方法决议也没有找到实现,则需要在LGPerson
中重写forwardingTargetForSelector
方法,将LGPerson的实例方法的接收者指定为LGStudent
的对象(LGStudent类中有say666的具体实现),如下所示
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"%s - %@",__func__,NSStringFromSelector(aSelector));
// runtime + aSelector + addMethod + imp
//将消息的接收者指定为LGStudent,在LGStudent中查找say666的实现
return [LGStudent alloc];
}
执行结果如下
也可以直接不指定消息接收者,直接调用父类的该方法
,如果还是没有找到,则直接报错
【第三次机会】慢速转发
针对第二次机会即快速转发
中还是没有找到,则进入最后的一次挽救机会,即在LGPerson
中重写methodSignatureForSelector
,如下所示
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"%s - %@",__func__,NSStringFromSelector(aSelector));
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
NSLog(@"%s - %@",__func__,anInvocation);
}
打印结果如下,发现forwardInvocation
方法中不对invocation进行处理,也不会崩溃报错
也可以处理invocation事务
,如下所示,修改invocation
的target
为[LGStudent alloc]
,调用 [anInvocation invoke]
触发 即LGPerson
类的say666
实例方法的调用会调用LGStudent
的say666
方法
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
NSLog(@"%s - %@",__func__,anInvocation);
anInvocation.target = [LGStudent alloc];
[anInvocation invoke];
}
打印结果如下
所以,由上述可知,无论在forwardInvocation
方法中是否处理invocation
事务,程序都不会崩溃
。
“动态方法决议为什么执行两次?” 问题探索
在前文中提及了动态方法决议
方法执行了两次,有以下两种分析方式
启用上帝视角的探索
在慢速查找流程中,我们了解到resolveInstanceMethod
方法的执行是通过lookUpImpOrForward --> resolveMethod_locked --> resolveInstanceMethod
来到resolveInstanceMethod
源码,在源码中通过发送resolve_sel
消息触发,如下所示
所以可以在resolveInstanceMethod
方法中IMP imp = lookUpImpOrNil(inst, sel, cls);
处加一个断点,通过bt
打印堆栈信息
来看到底发生了什么
-
在
resolveInstanceMethod
方法中IMP imp = lookUpImpOrNil(inst, sel, cls);
处加一个断点,运行程序,直到第一次“来了”
,通过bt查看第一次动态方法决议
的堆栈信息,此时的sel是say666
-
继续往下执行,直到第二次
“来了”打印
,查看堆栈信息,在第二次中,我们可以看到是通过CoreFoundation
的-[NSObject(NSObject) methodSignatureForSelector:]
方法,然后通过class_getInstanceMethod
再次进入动态方法决议,
-
通过上一步的堆栈信息,我们需要去看看CoreFoundation中到底做了什么?通过
Hopper
反汇编CoreFoundation
的可执行文件,查看methodSignatureForSelector
方法的伪代码
-
通过
methodSignatureForSelector
伪代码进入___methodDescriptionForSelector
的实现
-
进入
___methodDescriptionForSelector
的伪代码实现,结合汇编的堆栈打印,可以看到,在___methodDescriptionForSelector
这个方法中调用了objc4-781
的class_getInstanceMethod
-
在objc中的源码中搜索
class_getInstanceMethod
,其源码实现如下所示
这一点可以通过代码调试
来验证,如下所示,在class_getInstanceMethod
方法处加一个断点,在执行了methodSignatureForSelector
方法后,返回了签名,说明方法签名是生效的,苹果在走到invocation
之前,给了开发者一次机会再去查询
,所以走到class_getInstanceMethod
这里,又去走了一遍方法查询say666
,然后会再次走到动态方法决议
所以,上述的分析也印证了前文中resolveInstanceMethod
方法执行了两次的原因
无上帝视角的探索
如果在没有上帝视角的情况下,我们也可以通过代码
来推导
在哪里再次调用了动态方法决议
- LGPerson中重写
resolveInstanceMethod
方法,并加上class_addMethod
操作即赋值IMP
,此时resolveInstanceMethod
会走两次吗?
【结论】:通过运行发现,如果赋值了IMP,动态方法决议只会走一次
,说明不是在这里走第二次动态方法决议,
继续往下探索
-
去掉
resolveInstanceMethod
方法中的赋值IMP,在LGPerson
类中重写forwardingTargetForSelector
方法,并指定返回值为[LGStudent alloc]
,重新运行,如果resolveInstanceMethod
打印了两次,说明是在forwardingTargetForSelector
方法之前执行了 动态方法决议,反之,在forwardingTargetForSelector
方法之后
【结论】:发现resolveInstanceMethod
中的打印还是只打印了一次,数排名第二次动态方法决议 在forwardingTargetForSelector
方法后 -
在LGPerson中重写
methodSignatureForSelector
和forwardInvocation
,运行
【结论】:第二次动态方法决议
在methodSignatureForSelector
和forwardInvocation
方法之间
第二种分析同样可以论证前文中resolveInstanceMethod
执行了两次的原因
经过上面的论证,我们了解到其实在慢速小子转发流程中,在methodSignatureForSelector
和 forwardInvocation
方法之间还有一次动态方法决议,即苹果再次给的一个机会,如下图所示
总结
到目前为止,objc_msgSend发送消息的流程就分析完成了,在这里简单总结下
【快速查找流程】
首先,在类的缓存cache
中查找指定方法的实现【慢速查找流程】
如果缓存中没有找到,则在类的方法列表
中查找,如果还是没找到,则去父类链的缓存和方法列表
中查找【动态方法决议】
如果慢速查找还是没有找到时,第一次补救机会
就是尝试一次动态方法决议
,即重写resolveInstanceMethod
/resolveClassMethod
方法【消息转发】
如果动态方法决议还是没有找到,则进行消息转发
,消息转发中有两次补救机会:快速转发+慢速转发
如果转发之后也没有,则程序直接报错崩溃
unrecognized selector sent to instance