分析之前,首先了解什么是Runtime
Runtime 介绍
runtime
称为运行时,它区别于编译时
。
编译时
是源代码翻译成机器能识别的代码
的过程,主要是对语言进行最基本的检查报错,即语法分析
等,是一个静态
的阶段。运行时
是代码跑起来,被装载到内存中
的过程,如果此时出错,则程序会崩溃
,是一个动态
阶段。
runtime
的使用
有以下三种方式,其三种实现方法与编译层和底层的关系如图所示
- 通过
OC代码
,例如[person sayNB]
- 通过
NSObject方法
,例如isKindOfClass
- 通过
Runtime API
,例如class_getInstanceSize
其中的compiler
就是我们了解的编译器
,即LLVM
,例如OC的alloc
对应底层的objc_alloc
, runtime system libarary
就是底层库
。
探索方法的本质
方法的本质
使用clang
编译main.cpp
文件,通过查看main
函数中方法调用的实现,如下所示
//main.m中方法的调用
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
[person sayNB];
[person sayHello];
//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"));
通过上述代码可以看出,方法的本质
就是objc_msgSend消息发送
。
为了验证,通过objc_msgSend
方法来完成[person sayNB]
的调用,查看其打印是否是一致
注:
1、直接调用objc_msgSend
,需要导入头文件#import
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
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
objc_msgSend(person,sel_registerName("sayNB"));
[person sayNB];
其打印结果如下,发现是一致的,所以 [person sayNB]
等价于objc_msgSend(person,sel_registerName("sayNB"))
对象方法调用-实际执行是父类的实现
除了验证,我们还可以尝试让person
的调用执行父类中实现,通过objc_msgSendSuper
实现
- 定义两个类:
LGPerson
和LGTeacher
,父类中实现了sayHello
方法
- main中的调用
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
LGTeacher *teacher = [LGTeacher alloc];
[person sayHello];
struct objc_super lgsuper;
lgsuper.receiver = person; //消息的接收者还是person
lgsuper.super_class = [LGTeacher class]; //告诉父类是谁
//消息的接受者还是自己 - 父类 - 请你直接找我的父亲
objc_msgSendSuper(&lgsuper, sel_registerName("sayHello"));
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receiver
和 super_class
两个属性,源码实现 & 定义如下
-
objc_msgSendSuper
方法参数
-
objc_super
源码定义
打印结果如下
发现不论是[person sayHello]
还是objc_msgSendSuper
都执行的是父类
中sayHello
的实现,所以这里,我们可以作一个猜测:方法调用,首先是在类中查找,如果类中没有找到,会到类的父类中查找。
带着我们的猜测,下面我们来探索objc_msgSend的源码实现
objc_msgSend 快速查找流程分析
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,发现是汇编实现
,其汇编整体执行的流程图如下
objc_msgSend 汇编源码
objc_msgSend
是消息发送的源码的入口,其使用汇编实现的,_objc_msgSend
源码实现如下
//---- 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
LReturnZero:
// x0 is already zero
mov x1, #0
movi d0, #0
movi d1, #0
movi d2, #0
movi d3, #0
ret
END_ENTRY _objc_msgSend
主要有以下几步
- 【第一步】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
- 如果
小对象
不为空,则处理小对象的isa
,走到【第二步】
- 如果
- 如果即不是小对象,
receiver
也不为空,有以下两步- 从
receiver
中取出isa
存入p13
寄存器, - 通过
GetClassFromIsa_p16
中,arm64
架构下通过isa & ISA_MASK
获取shiftcls
位域的类信息,即class
,GetClassFromIsa_p16
的汇编实现如下,然后走到【第二步】
- 从
- 如果支持
.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */
//---- 此处用于watchOS
#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
- 【第二步】获取isa完毕,进入慢速查找流程
CacheLookup NORMAL
CacheLookup 缓存查找汇编源码
//!!!!!!!!!重点!!!!!!!!!!!!
.macro CacheLookup
//
// Restart protocol:
//
// As soon as we're past the LLookupStart$1 label we may have loaded
// an invalid cache pointer or mask.
//
// When task_restartable_ranges_synchronize() is called,
// (or when a signal hits us) before we're past LLookupEnd$1,
// then our PC will be reset to LLookupRecover$1 which forcefully
// jumps to the cache-miss codepath which have the following
// requirements:
//
// 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:
//---- 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]
//---- 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
//--- 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
//--- 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cacheHit 缓存命中,直接返回imp
CacheHit $0 // call or return imp
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
// 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
主要分为以下几步
【第一步】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isa首地址
占8
字节,superClass
占8
字节),获取cahce
,cache中高16位存mask
,低48位存buckets
,即p11 = cache
【第二步】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
和掩码(即0x0000ffffffffffff)
的&
运算,将高16位mask抹零
,得到buckets指针地址,即p10 = buckets
- 将
cache
右移48
位,得到mask
,即p11 = mask
- 将
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
,如下所示
- 【第三步】根据所得的
哈希下标index
和buckets首地址
,取出哈希下标对应的bucket
- 其中
PTRSHIFT
等于3,左移4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_t
中sel
占8
字节,imp
占8
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
【第四步】根据获取的
bucket
,取出其中的imp
存入p17
,即p17 = imp
,取出sel
存入p9
,即p9 = sel
【第五步】第一次递归循环
- 比较获取的
bucket
中sel
与objc_msgSend
的第二个参数的_cmd(即p1)
是否相等
*如果相等
,则直接跳转至CacheHit
,即缓存命中
,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$0
是normal
,会跳转至__objc_msgSend_uncached
,即进入慢速查找流程
- 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
),然后继续进行递归循环(第一个
递归循环嵌套第二个
递归循环),即【第六步】- 如果
当前bucket
不等于buckets的第一个元素
,则继续向前查找
,进入第一次递归循环
- 【第六步】第二次递归循环:重复【第五步】的操作,与【第五步】中
唯一区别
是,如果当前的bucket还是等于 buckets的第一个元素
,则直接跳转至JumpMiss
,此时的$0
是normal
,也是直接跳转至__objc_msgSend_uncached
,即进入慢速查找流程
以下是整个快速查找
过程值的变化
过程