【iOS】消息传递和消息转发机制
消息传递机制
在OC语言中，调用对象的方法被叫做消息传递。消息有名称和选择子(selector)，可以接受参数，还可能有返回值。
在Objective-C中，如果向某对象传递消息，那就会使用动态绑定机制来决定需要调用的方法。在底层，所有方法都是普通的C语言函数，然而对象收到消息之后，究竟该调用那个方法则完全运行期决定，甚至可以在程序运行时改变，这些特性使得Objective-C成为一门真正的动态语言。
例：OC消息表达式：
id returnValue = [someObject messageName:parameter];
这一段会被编译器处理成：
id returnValue = objc_msgSend(someObject, @selector(messageName:), parameter);
someObject称为接受者（receiver），messageName称为“选择子”，选择子和参数一起称为“消息”，编译器看到这条消息会转换成一条标准的 C 语言函数调用。
选择子SEL
OC在编译时会根据方法的名字（包括参数序列），生成一个用来区分这个办法的唯一的一个ID，这个ID就是SEL类型的。我们需要注意的是，只要方法的名字（包括参数序列）相同，那么他们的ID就是相同的。所以不管是父类还是子类，名字相同那么ID就是一样的。
SEL sell1 = @selector(eat:);
NSLog(@"sell1:%p", sell1);
SEL sell2 = @selector(eat);
NSLog(@"sell2:%p", sell2);
//sell1:0x100000f63
//sell2:0x100000f68
这样的机制大大的增加了我们的程序的灵活性，我们可以通过给一个方法传递SEL参数，让这个方法动态的执行某一个方法；我们也可以通过配置文件指定需要执行的方法，程序读取配置文件之后把方法的字符串翻译成为SEL变量然后给相应的对象发送这个消息。
从效率的角度上来说，执行的时候不是通过方法名字而是方法ID也就是一个整数来查找方法，由于整数的查找和匹配比字符串要快得多，所以这样可以在某种程度上提高执行的效率
我们需要注意，@selector等同于是把方法名翻译成SEL方法名，其仅仅关心方法名和参数个数，并不关心返回值与参数类型
生成SEL的过程是固定的，因为它只是一个表明方法的ID，不管是在哪个类写这个dayin方法，SEL值都是固定一个
在Runtime中维护了一个SEL的表，这个表存储SEL不按照类来存储，只要相同的SEL就会被看做一个，并存储到表中。在项目加载时，会将所有方法都加载到这个表中，而动态生成的方法也会被加载到表中。
那么不同的类可以拥有相同的方法，不同类的实例对象执行相同的selector时会在各自的方法列表中去根据SEL去寻找自己类对应的IMP。
IMP本质就是一个函数指针，这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id，调用方法的SEL，以及一些方法参数，并返回一个id。因此我们可以通过SEL获得它所对应的IMP，在取得了函数指针之后，也就意味着我们取得了需要执行方法的代码入口，这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。
objc_msgSend
我们可以看到转换中，使用到了objc_msgSend 函数，这个函数将消息接收者和方法名作为主要参数，如下所示：
objc_msgSend(receiver, selector) // 不带参数
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2,...) // 带参数
objc_msgSend 通过以下几个步骤实现了动态绑定机制：
- 首先，获取 selector 指向的方法实现。由于相同的方法可能在不同的类中有着不同的实现，因此根据 receiver 所属的类进行判断。
- 其次，传递 receiver 对象、方法指定的参数来调用方法实现。
- 最后，返回方法实现的返回值。
消息传递的关键在于objc_class结构体，其有三个关键的字段：
- isa：指向类的指针。
- superclass：指向父类的指针。
- methodLists：类的方法分发表（dispatch table）。
当创建一个新对象时，先为其分配内存，并初始化其成员变量。其中 isa 指针也会被初始化，让对象可以访问类及类的继承链。
下图所示为消息传递过程的示意图：
- 当消息传递给一个对象时，首先从运行时系统缓存objc_cache中进行查找。如果找到，则执行。否则，继续执行下面步骤。
- objc_msgSend通过对象的isa指针获取到类的结构体，然后在方法分发表methodLists中查找方法的selector。如果未找到，将沿着类的superclass找到其父类，并在父类的分发表methodLists中继续查找。
- 以此类推，一直沿着类的继承链追溯至NSObject类。一旦找到selector，传入相应的参数来执行方法的具体实现，并将该方法加入缓存objc_cache。如果最后仍然没有找到selector，则会进入消息转发流程。
源码解析
快速查找
objc_msgSend在不同架构下都有实现：以arm64为例，代码实现是汇编。为什么选用汇编来实现？速度更快，直接使用参数，免去大量参数的拷贝的开销。在函数和全局变量前面会加下划线“_”，防止符号冲突。
汇编过程：
//进入objc_msgSend流程
ENTRY _objc_msgSend
//流程开始，无需frame
UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
//判断p0（消息接收者）是否存在，不存在则重新开始执行objc_msgSend
cmp p0, #0 // nil check and tagged pointer check
//如果支持小对象类型，返回小对象或空
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
//b是进行跳转，b.le是小于判断，也就是p0小于0的时候跳转到LNilOrTagged
b.le LNilOrTagged // (MSB tagged pointer looks negative)
#else
//等于，如果不支持小对象，就跳转至LReturnZero退出
b.eq LReturnZero
#endif
//通过p13取isa
ldr p13, [x0] // p13 = isa
//通过isa取class并保存到p16寄存器中
GetClassFromIsa_p16 p13, 1, x0 // p16 = class
- 首先从cmp p0,#0开始，这里p0是寄存器，存放的是消息接受者。当进入消息发送入口时，先判断消息接收者是否存在，不存在则重新执行objc_msgSend
- b.le LNilOrTagged，b是跳转到的意思。le是如果p0小于等于0，总体意思是若p0小于等于0，则跳转到LNilOrTagged，执行b.eq LReturnZero直接退出这个函数
- 如果消息接受者不为nil,汇编继续跑，到CacheLookup NORMAL，在cache中查找imp。
来看一下具体的实现：
//在cache中通过sel查找imp的核心流程
.macro CacheLookup Mode, Function, MissLabelDynamic, MissLabelConstant
//
// Restart protocol:
//
// As soon as we're past the LLookupStart\Function 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\Function,
// then our PC will be reset to LLookupRecover\Function 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
//
//从x16中取出class移到x15中
mov x15, x16 // stash the original isa
//开始查找
LLookupStart\Function:
// p1 = SEL, p16 = isa
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRS
//ldr表示将一个值存入到p10寄存器中
//x16表示p16寄存器存储的值，当前是Class
//#数值 表示一个值，这里的CACHE经过全局搜索发现是2倍的指针地址，也就是16个字节
//#define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__)
//经计算，p10就是cache
ldr p10, [x16, #CACHE] // p10 = mask|buckets
lsr p11, p10, #48 // p11 = mask
and p10, p10, #0xffffffffffff // p10 = buckets
and w12, w1, w11 // x12 = _cmd & mask
//真机64位看这个
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//CACHE 16字节，也就是通过isa内存平移获取cache，然后cache的首地址就是 (bucket_t *)
ldr p11, [x16, #CACHE] // p11 = mask|buckets
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
//获取buckets
#if __has_feature(ptrauth_calls)
tbnz p11, #0, LLookupPreopt\Function
and p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = buckets
#else
//and表示与运算，将与上mask后的buckets值保存到p10寄存器
and p10, p11, #0x0000fffffffffffe // p10 = buckets
//p11与#0比较，如果p11不存在，就走Function，如果存在走LLookupPreopt
tbnz p11, #0, LLookupPreopt\Function
#endif
//按位右移7个单位，存到p12里面，p0是对象，p1是_cmd
eor p12, p1, p1, LSR #7
and p12, p12, p11, LSR #48 // x12 = (_cmd ^ (_cmd >> 7)) & mask
#else
and p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = buckets
//LSR表示逻辑向右偏移
//p11, LSR #48表示cache偏移48位，拿到前16位，也就是得到mask
//这个是哈希算法，p12存储的就是搜索下标（哈希地址）
//整句表示_cmd & mask并保存到p12
and p12, p1, p11, LSR #48 // x12 = _cmd & mask
#endif // CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
ldr p11, [x16, #CACHE] // p11 = mask|buckets
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
//去除掩码后bucket的内存平移
//PTRSHIFT经全局搜索发现是3
//LSL #(1+PTRSHIFT)表示逻辑左移4位，也就是*16
//通过bucket的首地址进行左平移下标的16倍数并与p12相与得到bucket，并存入到p13中
add p13, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
// p13 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))
// do {
//ldp表示出栈，取出bucket中的imp和sel分别存放到p17和p9
1: ldp p17, p9, [x13], #-BUCKET_SIZE // {imp, sel} = *bucket--
//cmp表示比较，对比p9和p1，如果相同就找到了对应的方法，返回对应imp，走CacheHit
cmp p9, p1 // if (sel != _cmd) {
//b.ne表示如果不相同则跳转到3f
b.ne 3f // scan more
// } else {
2: CacheHit \Mode // hit: call or return imp
// }
//向前查找下一个bucket，一直循环直到找到对应的方法，循环完都没有找到就调用_objc_msgSend_uncached
3: cbz p9, \MissLabelDynamic // if (sel == 0) goto Miss;
//通过p13和p10来判断是否是第一个bucket
cmp p13, p10 // } while (bucket >= buckets)
b.hs 1b
// wrap-around:
// p10 = first bucket
// p11 = mask (and maybe other bits on LP64)
// p12 = _cmd & mask
//
// A full cache can happen with CACHE_ALLOW_FULL_UTILIZATION.
// So stop when we circle back to the first probed bucket
// rather than when hitting the first bucket again.
//
// Note that we might probe the initial bucket twice
// when the first probed slot is the last entry.
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRS
add p13, p10, w11, UXTW #(1+PTRSHIFT)
// p13 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
add p13, p10, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))
// p13 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
// see comment about maskZeroBits
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
add p13, p10, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)
// p13 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif
add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
// p12 = first probed bucket
// do {
4: ldp p17, p9, [x13], #-BUCKET_SIZE // {imp, sel} = *bucket--
cmp p9, p1 // if (sel == _cmd)
b.eq 2b // goto hit
cmp p9, #0 // } while (sel != 0 &&
ccmp p13, p12, #0, ne // bucket > first_probed)
b.hi 4b
LLookupEnd\Function:
LLookupRecover\Function:
b \MissLabelDynamic
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
#if CACHE_MASK_STORAGE != CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
#error config unsupported
#endif
LLookupPreopt\Function:
#if __has_feature(ptrauth_calls)
and p10, p11, #0x007ffffffffffffe // p10 = buckets
autdb x10, x16 // auth as early as possible
#endif
// x12 = (_cmd - first_shared_cache_sel)
adrp x9, _MagicSelRef@PAGE
ldr p9, [x9, _MagicSelRef@PAGEOFF]
sub p12, p1, p9
// w9 = ((_cmd - first_shared_cache_sel) >> hash_shift & hash_mask)
#if __has_feature(ptrauth_calls)
// bits 63..60 of x11 are the number of bits in hash_mask
// bits 59..55 of x11 is hash_shift
lsr x17, x11, #55 // w17 = (hash_shift, ...)
lsr w9, w12, w17 // >>= shift
lsr x17, x11, #60 // w17 = mask_bits
mov x11, #0x7fff
lsr x11, x11, x17 // p11 = mask (0x7fff >> mask_bits)
and x9, x9, x11 // &= mask
#else
// bits 63..53 of x11 is hash_mask
// bits 52..48 of x11 is hash_shift
lsr x17, x11, #48 // w17 = (hash_shift, hash_mask)
lsr w9, w12, w17 // >>= shift
and x9, x9, x11, LSR #53 // &= mask
#endif
// sel_offs is 26 bits because it needs to address a 64 MB buffer (~ 20 MB as of writing)
// keep the remaining 38 bits for the IMP offset, which may need to reach
// across the shared cache. This offset needs to be shifted << 2. We did this
// to give it even more reach, given the alignment of source (the class data)
// and destination (the IMP)
ldr x17, [x10, x9, LSL #3] // x17 == (sel_offs << 38) | imp_offs
cmp x12, x17, LSR #38
.if \Mode == GETIMP
b.ne \MissLabelConstant // cache miss
sbfiz x17, x17, #2, #38 // imp_offs = combined_imp_and_sel[0..37] << 2
sub x0, x16, x17 // imp = isa - imp_offs
SignAsImp x0
ret
.else
b.ne 5f // cache miss
sbfiz x17, x17, #2, #38 // imp_offs = combined_imp_and_sel[0..37] << 2
sub x17, x16, x17 // imp = isa - imp_offs
.if \Mode == NORMAL
br x17
.elseif \Mode == LOOKUP
orr x16, x16, #3 // for instrumentation, note that we hit a constant cache
SignAsImp x17
ret
.else
.abort unhandled mode \Mode
.endif
5: ldursw x9, [x10, #-8] // offset -8 is the fallback offset
add x16, x16, x9 // compute the fallback isa
b LLookupStart\Function // lookup again with a new isa
.endif
#endif // CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
.endmacro
1. 流程：
- 获取到指向 cache 和 _bucketsAndMaybeMask；
- 从 _bucketsAndMaybeMask 中分别取出 buckets 和 mask，并由 mask 根据哈希算法计算出哈希下标；
- 根据所得的哈希下标 begin 和 buckets 首地址，取出哈希下标对应的 bucket；
- 进入 do-while 循环，根据 bucket 中的 sel 查找；
通过内存平移获得cache 和 _bucketsAndMaybeMask， _bucketsAndMaybeMask中高16位存mask，低48位存buckets（高16位 | 低48位 = mask | buckets）， 即_bucketsAndMaybeMask = mask(高位16) + buckets指针(低48位)。
将objc_msgSend的参数p1（即第二个参数_sel）& mask，通过哈希算法，得到需要查找存储sel-imp的bucket下标begin，即p12 = begin = _sel & mask，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。
static inline mask_t cache_hash(SEL sel, mask_t mask)
{
return (mask_t)(uintptr_t)sel & mask;
}
根据计算的哈希下标begin 乘以单个bucket占用的内存大小，得到buckets首地址距离begin下标指向的bucket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begin对应的bucket。bucket是有sel和imp两个属性组成，每个属性都是8个字节的大小，所以bucket的大小是16
在do-while循环中：
- 第一次do-while循环，从begin —> 0 查找一遍，如果没命中，p9不为nil，开始第二次do-while循环；
- 第二次do-while循环，从mask —> 0再次查找一遍；
- 依然如此，则执行__objc_msgSend_uncached —> MethodTableLookup —> _lookUpImpOrForward开始查找方法列表。
在缓存中找到了方法那就直接调用，找到sel就会进入CacheHit，去return or call imp：返回或调用方法的实现(imp)。
2. CacheHit的内容：上图的Mode代表走下面的NORMAL流程，authenticate and call imp意思验证并调用方法实现。
#define NORMAL 0
#define GETIMP 1
#define LOOKUP 2
// CacheHit: x17 = cached IMP, x10 = address of buckets, x1 = SEL, x16 = isa
.macro CacheHit
.if $0 == NORMAL
TailCallCachedImp x17, x10, x1, x16 // authenticate and call imp//调用imp
.elseif $0 == GETIMP
mov p0, p17
cbz p0, 9f // don't ptrauth a nil imp
AuthAndResignAsIMP x0, x10, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMP
9: ret // return IMP//返回imp
.elseif $0 == LOOKUP// 执行__objc_msgSend_uncached，开始方法列表查找
// 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, x10, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMP
cmp x16, x15
cinc x16, x16, ne // x16 += 1 when x15 != x16 (for instrumentation ; fallback to the parent class)
ret // return imp via x17
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
3. 缓存中没有找到方法
如果没有找到缓存，查找下一个bucket，一直循环直到找到对应的方法，循环完都没有找到就调用__objc_msgSend_uncached
下面是上述判断跳转代码：
//LGetIsaDone是一个入口
LGetIsaDone:
// calls imp or objc_msgSend_uncached
//进入到缓存查找或者没有缓存查找方法的流程
CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend, __objc_msgSend_uncached
__objc_msgSend_uncached源码汇编：
STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves
// THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
// Out-of-band p15 is the class to search
MethodTableLookup
TailCallFunctionPointer x17
END_ENTRY __objc_msgSend_uncached
其中调用了MethodTableLookup宏: 从方法列表中去查找方法。
看一下它的结构：
.macro MethodTableLookup
SAVE_REGS MSGSEND
// 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_REGS MSGSEND
.endmacro
其中bl表示调用了方法_lookUpImpOrForward，_lookUpImpOrForward在汇编里找不到，因为汇编的函数比C++的多一个下划线，需要去掉下划线，去找到lookUpImpOrForward方法实现
至此快速查找imp汇编部分就结束了，接下来到了慢速查找过程：c/c++环节。
总结消息发送快速查找imp(汇编):
objc_msgSend(receiver, sel, …)
- 检查消息接收者receiver是否存在，为nil则不做任何处理
- 通过receiver的isa指针找到对应的class类对象
- 找到class类对象进行内存平移，找到cache
- 从cache中获取buckets
- 从buckets中对比参数sel，看在缓存里有没有同名方法
- 如果buckets中有对应的sel --> cacheHit --> 调用imp
- 如果buckets中没有对应的sel --> _objc_msgSend_uncached -> _lookUpImpOrForward (c/c++慢速查找)
慢速查找
方法缓冲
苹果认为如果一个方法被调用了，那个这个方法有更大的几率被再此调用，既然如此直接维护一个缓存列表，把调用过的方法加载到缓存列表中，再次调用该方法时，先去缓存列表中去查找，如果找不到再去方法列表查询。这样避免了每次调用方法都要去方法列表去查询，大大的提高了速率。
查找过程
先看lookUpImpOrForward函数的实现：
NEVER_INLINE
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
IMP imp = nil;
Class curClass;
runtimeLock.assertUnlocked();
if (slowpath(!cls->isInitialized())) {
// The first message sent to a class is often +new or +alloc, or +self
// which goes through objc_opt_* or various optimized entry points.
//
// However, the class isn't realized/initialized yet at this point,
// and the optimized entry points fall down through objc_msgSend,
// which ends up here.
//
// We really want to avoid caching these, as it can cause IMP caches
// to be made with a single entry forever.
//
// Note that this check is racy as several threads might try to
// message a given class for the first time at the same time,
// in which case we might cache anyway.
behavior |= LOOKUP_NOCACHE;
}
// runtimeLock is held during isRealized and isInitialized checking
// to prevent races against concurrent realization.
// runtimeLock is held during method search to make
// method-lookup + cache-fill atomic with respect to method addition.
// Otherwise, a category could be added but ignored indefinitely because
// the cache was re-filled with the old value after the cache flush on
// behalf of the category.
runtimeLock.lock();
// We don't want people to be able to craft a binary blob that looks like
// a class but really isn't one and do a CFI attack.
//
// To make these harder we want to make sure this is a class that was
// either built into the binary or legitimately registered through
// objc_duplicateClass, objc_initializeClassPair or objc_allocateClassPair.
// 检查当前类是个已知类
checkIsKnownClass(cls);
// 确定当前类的继承关系
cls = realizeAndInitializeIfNeeded_locked(inst, cls, behavior & LOOKUP_INITIALIZE);
// runtimeLock may have been dropped but is now locked again
runtimeLock.assertLocked();
curClass = cls;
// The code used to lookup the class's cache again right after
// we take the lock but for the vast majority of the cases
// evidence shows this is a miss most of the time, hence a time loss.
//
// The only codepath calling into this without having performed some
// kind of cache lookup is class_getInstanceMethod().
for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) {
if (curClass->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true)) {
// 如果是常量优化缓存
// 再一次从cache查找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 CONFIG_USE_PREOPT_CACHES // iOS操作系统且真机的情况下
imp = cache_getImp(curClass, sel); //cache中找IMP
if (imp) goto done_unlock; //找到就直接返回了
curClass = curClass->cache.preoptFallbackClass();
#endif
} else { //如果不是常量优化缓存
// 当前类的方法列表。
method_t *meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
if (meth) {
imp = meth->imp(false);
goto done;
}
// 每次判断都会把curClass的父类赋值给curClass
if (slowpath((curClass = curClass->getSuperclass()) == nil)) {
// No implementation found, and method resolver didn't help.
// Use forwarding.
imp = forward_imp;
break;
}
}
// 如果超类链中存在循环，则停止。
if (slowpath(--attempts == 0)) {
_objc_fatal("Memory corruption in class list.");
}
// Superclass cache.
imp = cache_getImp(curClass, sel);
if (slowpath(imp == forward_imp)) {
// Found a forward:: entry in a superclass.
// Stop searching, but don't cache yet; call method
// resolver for this class first.
break;
}
if (fastpath(imp)) {
// 在超类中找到方法。在这个类中缓存它。
goto done;
}
}
// 没有实现，尝试一次方法解析器。
// 这里就是消息转发机制第一层的入口
if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
behavior ^= LOOKUP_RESOLVER;
return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
}
done:
if (fastpath((behavior & LOOKUP_NOCACHE) == 0)) {
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES // iOS操作系统且真机的情况下
while (cls->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true)) {
cls = cls->cache.preoptFallbackClass();
}
#endif
log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
}
done_unlock:
runtimeLock.unlock();
if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
return nil;
}
return imp;
}
方法首先是定义一个消息的转发forward_imp；接着判断类的初始化、加锁、检查是否已知的类…等等，先不管这些。重点在于接下来的for循环：
// unreasonableClassCount()表示循环的上限；
for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) {
if (curClass->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true)) {
// 如果是常量优化缓存
// 再一次从cache查找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 CONFIG_USE_PREOPT_CACHES // iOS操作系统且真机的情况下
imp = cache_getImp(curClass, sel);
if (imp) goto done_unlock;
curClass = curClass->cache.preoptFallbackClass();
#endif
} else {
// curClass方法列表。
method_t *meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
if (meth) {
imp = meth->imp(false);
goto done;
}
// 每次判断都会把curClass的父类赋值给curClass
if (slowpath((curClass = curClass->getSuperclass()) == nil)) {
// 没有找到实现，方法解析器没有帮助。
// 使用转发。
imp = forward_imp;
break;
}
}
// 如果超类链中存在循环，则停止。
if (slowpath(--attempts == 0)) {
_objc_fatal("Memory corruption in class list.");
}
// 超类缓存。
imp = cache_getImp(curClass, sel);
if (slowpath(imp == forward_imp)) {
// 在超类中找到forward::条目。
// 停止搜索，但不要缓存;调用方法
// 首先为这个类解析器。
break;
}
if (fastpath(imp)) {
// 在超类中找到方法。在这个类中缓存它。
goto done;
}
}
进入了一个循环逻辑：
- 从本类的method list查找imp(查找的方式是getMethodNoSuper_nolock，一会分析)；
- 从本类的父类的cache查找imp（cache_getImp汇编写的）
- 从本类的父类的method list查找imp
- …继承链遍历…（父类->…->根父类）
- 若上面环节有任何一个环节查找到了imp，跳出循环，缓存方法到本类的cache（log_and_fill_cache）；
直到查找到nil，指定imp为消息转发，跳出循环。
查找方式
看看在类和父类继承链中查找imp是个什么样的查找方式的（getMethodNoSuper_nolock）：
/***********************************************************************
* getMethodNoSuper_nolock
* fixme
* Locking: runtimeLock must be read- or write-locked by the caller
**********************************************************************/
static method_t *
getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel)
{
runtimeLock.assertLocked();
ASSERT(cls->isRealized());
// fixme nil cls?
// fixme nil sel?
// 找到方法列表
auto const methods = cls->data()->methods();
for (auto mlists = methods.beginLists(),
end = methods.endLists();
mlists != end;
++mlists)
{
// getMethodNoSuper_nolock is the hottest
// caller of search_method_list, inlining it turns
// getMethodNoSuper_nolock into a frame-less function and eliminates
// any store from this codepath.
method_t *m = search_method_list_inline(*mlists, sel);
if (m) return m;
}
return nil;
}
跳转search_method_list_inline()
ALWAYS_INLINE static method_t *
search_method_list_inline(const method_list_t *mlist, SEL sel)
{
int methodListIsFixedUp = mlist->isFixedUp();
int methodListHasExpectedSize = mlist->isExpectedSize();
// 已排序的二分查找
if (fastpath(methodListIsFixedUp && methodListHasExpectedSize)) {
return findMethodInSortedMethodList(sel, mlist);
} else {
// Linear search of unsorted method list
// 未排序的线性查找
if (auto *m = findMethodInUnsortedMethodList(sel, mlist))
return m;
}
#if DEBUG
// sanity-check negative results
if (mlist->isFixedUp()) {
for (auto& meth : *mlist) {
if (meth.name() == sel) {
_objc_fatal("linear search worked when binary search did not");
}
}
}
#endif
return nil;
}
fastpath()代表大概会走的路径，以下是两种情况的查找。
- findMethodInSortedMethodList：从Sorted可知从已排序的方法列表里查找，采用二分查找。
- findMethodInUnsortedMethodList：从Unsorted可知从未排序方法列表用的线性查找，通过for循环遍历一个个对比sel从而取出method_t：。
看一下findMethodInSortedMethodList函数，跳转findMethodInSortedMethodList，ALWAYS_INLINE代表这是始终内联的。
// 方法内联
ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
if (list->isSmallList()) {
if (CONFIG_SHARED_CACHE_RELATIVE_DIRECT_SELECTORS && objc::inSharedCache((uintptr_t)list)) {
return findMethodInSortedMethodList(key, list, [](method_t &m) { return m.getSmallNameAsSEL(); });
} else {
return findMethodInSortedMethodList(key, list, [](method_t &m) { return m.getSmallNameAsSELRef(); });
}
} else {
return findMethodInSortedMethodList(key, list, [](method_t &m) { return m.big().name; });
}
}
编译后走的是以下流程，这是通过二分查找进行方法查找的。
/***********************************************************************
* search_method_list_inline
**********************************************************************/
template<class getNameFunc>
ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list, const getNameFunc &getName)
{
ASSERT(list);
// 二分查找
// auto 代表自动匹配类型；
auto first = list->begin();
auto base = first;
// decltype: declare type，译为声明类型。这里获取表达式类型；
decltype(first) probe;
uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key;
uint32_t count;
for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
probe = base + (count >> 1);
uintptr_t probeValue = (uintptr_t)getName(probe);
if (keyValue == probeValue) {
// `probe` is a match.
// Rewind looking for the *first* occurrence of this value.
// This is required for correct category overrides.
while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)getName((probe - 1))) {
probe--;
}
return &*probe;
}
if (keyValue > probeValue) {
base = probe + 1;
count--;
}
}
return nil;
}
函数获取 probe 的方法名称，并将其与传入的 key 进行比较。如果相等，表示找到了匹配的方法。然后，函数会回溯查找该方法名称在方法列表中的第一个出现位置，以处理类别（Category）对方法的重写。
跳出循环后
done:
if (fastpath((behavior & LOOKUP_NOCACHE) == 0)) {
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES // iOS操作系统且真机的情况下
while (cls->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true)) {
cls = cls->cache.preoptFallbackClass();
}
#endif
log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
}
done_unlock:
runtimeLock.unlock();
if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
return nil;
}
return imp;
如果找到了imp，就会把imp缓存到本类cache里（log_and_fill_cache）。（注意这里不管是本类还是本类的父类找到了imp，都会缓存到本类中去）
跳转 log_and_fill_cache :
/***********************************************************************
* log_and_fill_cache
* Log this method call. If the logger permits it, fill the method cache.
* cls is the method whose cache should be filled.
* implementer is the class that owns the implementation in question.
**********************************************************************/
static void
log_and_fill_cache(Class cls, IMP imp, SEL sel, id receiver, Class implementer)
{
#if SUPPORT_MESSAGE_LOGGING
if (slowpath(objcMsgLogEnabled && implementer)) {
bool cacheIt = logMessageSend(implementer->isMetaClass(),
cls->nameForLogging(),
implementer->nameForLogging(),
sel);
if (!cacheIt) return;
}
#endif
cls->cache.insert(sel, imp, receiver);
}
这段代码用于在方法调用时记录消息日志，并将频繁调用的方法缓存起来，以加快后续对该方法的调用速度。
总结消息发送慢速查找imp(c/c++): IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
- 从本类的 method list (二分查找/遍历查找)查找imp；
- 从本类的父类的cache查找imp(汇编)；
- 从本类的父类的method list (二分查找/遍历查找)查找imp；
- …继承链遍历…（父类->…->根父类）里找cache和method list的imp；
- 若上面环节有任何一个环节查找到了imp，跳出循环，缓存方法到本类的cache，并返回imp；
- 直到查找到nil，指定imp为消息转发，跳出循环，执行动态方法解析resolveMethod_locked。
消息转发
动态决议
上面介绍了方法调用的本质是消息发送。那如果经过查找后，没有找到方法，系统会怎么处理？这就是接下来介绍的方法动态决议和消息转发。
动态决议过程
当本类和本类继承链下的cache和method list都查找不到imp，imp被赋值成了_objc_msgForward_impcache但是它没有调用，会进入动态方法解析流程，并且只会执行一次。
resolveMethod_locked的源码声明：
/***********************************************************************
* resolveMethod_locked
* Call +resolveClassMethod or +resolveInstanceMethod.
*
* Called with the runtimeLock held to avoid pressure in the caller
* Tail calls into lookUpImpOrForward, also to avoid pressure in the callerb
**********************************************************************/
static NEVER_INLINE IMP
resolveMethod_locked(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
runtimeLock.assertLocked();
ASSERT(cls->isRealized());
runtimeLock.unlock();
//判断是不是元类
if (! cls->isMetaClass()) {
// 不是元类，则是实例方法的动态方法解析
// try [cls resolveInstanceMethod:sel]
resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
}
else {
// 是元类，则是类方法的动态方法解析
// try [nonMetaClass resolveClassMethod:sel]
// and [cls resolveInstanceMethod:sel]
resolveClassMethod(inst, sel, cls); // inst：类对象 cls： 元类
if (!lookUpImpOrNilTryCache(inst, sel, cls)) {
resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
}
}
// chances are that calling the resolver have populated the cache
// so attempt using it
return lookUpImpOrForwardTryCache(inst, sel, cls, behavior);
}
这段代码是用于解析方法的函数 resolveMethod_locked。它根据类的类型（元类或非元类）来进行动态方法解析，并尝试从缓存中查找方法实现。
函数的主要逻辑如下：
- 首先，函数会断言运行时锁
runtimeLock已经被持有，以避免在调用过程中产生竞争。 - 接着，函数检查类是否已经被实例化
（realized）。如果类还没有被实例化，那么它不会有任何方法可以解析，直接返回。 - 然后，函数释放运行时锁，以允许其他线程访问运行时。
- 根据类的类型，进行不同类型方法的动态解析：
- 如果类不是元类，表示解析实例方法。调用
[cls resolveInstanceMethod:sel]尝试解析方法。 - 如果类是元类，表示解析类方法。首先调用
[nonMetaClass resolveClassMethod:sel]尝试解析方法，如果找不到，则继续调用[cls resolveInstanceMethod:sel]尝试解析实例方法。
- 如果类不是元类，表示解析实例方法。调用
- 解析完方法后，函数尝试从缓存中查找方法实现。如果能够从缓存中找到方法实现，则直接返回该实现。否则，函数会根据给定的行为
behavior进行进一步处理，可能进行方法转发或查找父类方法实现。
两个方法：resolveInstanceMethod和resolveClassMethod。也称为方法的动态决议。
执行完上述代码后返回lookUpImpOrForwardTryCache：
IMP lookUpImpOrForwardTryCache(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
return _lookUpImpTryCache(inst, sel, cls, behavior);
}
这个方法调用的是_lookUpImpTryCache方法：
ALWAYS_INLINE
static IMP _lookUpImpTryCache(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
runtimeLock.assertUnlocked();
if (slowpath(!cls->isInitialized())) {
// see comment in lookUpImpOrForward
return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior);
}
IMP imp = cache_getImp(cls, sel);
if (imp != NULL) goto done;
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
if (fastpath(cls->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true))) {
imp = cache_getImp(cls->cache.preoptFallbackClass(), sel);
}
#endif
if (slowpath(imp == NULL)) {
return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior);
}
done:
if ((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == (IMP)_objc_msgForward_impcache) {
return nil;
}
return imp;
}
进入_lookUpImpTryCache源码，可以看到这里有cache_getImp；也就是说在进行一次动态决议之后，还会通过cache_getImp从cache里找一遍方法的sel。
如果还是没找到(imp == NULL)？也就是无法通过动态添加方法的话，还会执行一次lookUpImpOrForward，这时候进lookUpImpOrForward方法，这里behavior传的值会发生变化。
第二次进入lookUpImpOrForward方法后，执行到if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER))这个判断时：
// 这里就是消息转发机制第一层的入口
if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
behavior ^= LOOKUP_RESOLVER;
return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
}
根据变化后的behavior值和LOOKUP_RESOLVER值之间的关系导致该if语句内部只能进入第一次，因此这个判断相当于单例。解释了为什么开头说的该动态解析resolveMethod_locked为什么只执行一次。
动态解析测试
resolveClassMethod:默认返回值是NO,如果你想在这个函数里添加方法实现，需要借助class_addMethod
class_addMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name, IMP _Nonnull imp, const char * _Nullable types)
@cls : 给哪个类对象添加方法
@name ： SEL类型，给哪个方法名添加方法实现
@imp : IMP类型的，要把哪个方法实现添加给给定的方法名
@types ： 就是表示返回值和参数类型的字符串
实现一个类，类在.h文件中声明一个方法，但在.m文件中并没有实现这个方法。在外部调用这个方法就会导致程序崩溃
原因：
- 第一步查找方法中，在自己的类对象以及父类的类对象中都没有找到这个方法的实现
- 所以转向动态方法解析，动态方法解析我们什么也没做，
- 所以进行第三步，转向消息转发，消息转发我们也什么都没做，最后产生崩溃
此时我们在动态方法解析这一步补救它：
- 当调用的是对象方法时，动态方法解析是在
resolveInstanceMethod方法中实现的 - 当调用的是类方法时，动态方法解析是在
resolveClassMethod中实现的
利用动态方法解析和runtime，我们可以给一个没有实现的方法添加方法实现。
#import <Foundation/Foundation.h>
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface person : NSObject
- (void)test;
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END
#import "person.h"
#import <objc/message.h>
#import <objc/runtime.h>
@implementation person
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
NSLog(@"%s, self = %@", __func__, NSStringFromSelector(sel));
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
@end
运行如下：
可以看到为什么会有2次执行呢？放到最后再讲。类方法也是如此。
既然是因为找不到imp而崩溃，那么我们可以在这个方法里通过runtime的class_addMethod，给sel动态的生成imp。其中第四个参数是返回值类型，用void用字符串描述：“v@:”
BOOL
class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)
{
if (!cls) return NO;
mutex_locker_t lock(runtimeLock);
return ! addMethod(cls, name, imp, types ?: "", NO);
}
方法修改：
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
NSLog(@"%s, self = %@", __func__, NSStringFromSelector(sel));
if (sel == @selector(test)) {
IMP imp = class_getMethodImplementation(self.class, @selector(addMethod));
class_addMethod(self.class, sel, imp, "v@:");
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
- (void)addMethod {
NSLog(@"%s", __func__);
}
可以看到运行正常：
消息转发
如果系统在动态决议阶段没有找到实现，就会进入消息转发阶段。
消息快速转发
当cache没有找到imp，类的继承链里的方法列表都没有找到imp，并且resolveInstanceMethod / resolveClassMethod 返回NO就会进入消息转发。
我们在 lookUpImpOrForward 的时候就看到 imp 被指定成了_objc_msgForward_impcache。
//如果上述在类对象和父类对象中没有查到方法
//我们就进入动态方法解析
if (resolver && !triedResolver) {//triedResolver用来判断是否曾经进行过动态方法解析，如果没有那就进入动态方法解析，如果进行过，就跳过
runtimeLock.unlock();
_class_resolveMethod(cls, sel, inst); //动态方法解析函数
runtimeLock.lock();
// Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have
// changed already. Re-do the search from scratch instead.
triedResolver = YES; //进行过动态方法解析就把这个标识为设置为YES
goto retry;//retry是前面的发送消息的过程
}
//如果动态方法解析失败，就进入消息转发
imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; //由这一步进入消息转发
cache_fill(cls, sel, imp, inst);
//如果消息转发失败，程序崩溃
done:
runtimeLock.unlock();
所以如果本类没有能力去处理这个消息，那么就转发给其他的类，让其他类去处理。
看一下进行消息转发的函数__objc_msgForward_impcache的具体实现, 它就是消息转发的流程；又到了我们的源码汇编阶段：
STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache
// Method cache version
// THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
// Out-of-band condition register is NE for stret, EQ otherwise.
jne __objc_msgForward_stret
jmp __objc_msgForward
END_ENTRY __objc_msgForward_impcache
ENTRY __objc_msgForward
// Non-stret version
movq __objc_forward_handler(%rip), %r11
jmp *%r11
END_ENTRY __objc_msgForward
但__objc_forward_handler并没有开源。
消息快速转发测试
- Person类中定义func1方法但是不实现，利用-(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 方法进行消息快速转发
- Blank类中定义func1方法且实现
#import <Foundation/Foundation.h>
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface Person : NSObject
- (void)func1;
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END
#import "Person.h"
#import "Blank.h"
#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>
@implementation Person
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
NSLog(@"%s, aSelector = %@", __func__, NSStringFromSelector(aSelector));
if (aSelector == @selector(func1)) {
return [Blank alloc];
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end
#import <Foundation/Foundation.h>
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface Blank : NSObject
- (void)func1;
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END
#import "Blank.h"
@implementation Blank
- (void)func1 {
NSLog(@"%s", __func__);
}
@end
main.m文件，新建person对象并调用func1方法
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
#import <objc/runtime.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
Person* person = [[Person alloc] init];
[person func1];
}
return 0;
}
运行如下：
转发的作用在于，如果当前对象无法响应消息，就将它转发给能响应的对象。
这时候方法缓存在哪？接收转发消息的对象
应用场景：专门搞一个类，来处理这些无法响应的消息。方法找不到时的crash收集。
演示的是实例方法，如果是类方法，只需要将 - 改成 + ；
消息的慢速转发
如果消息的快速转发也没有找到方法；后面还有个methodSignatureForSelector方法，作用是方法有效性签名。它还需要搭配另一个方法：forwardInvocation
forwardInvocation方法提供了一个入参，类型是NSInvocation；它提供了target和selector用于指定目标里查找方法实现。
将刚才使用快速转发forwardingTargetForSelector方法注释后，添加上methodSignatureForSelector方法和forwardInvocation方法。
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
NSLog(@"%s, aSelector = %@", __func__, NSStringFromSelector(aSelector));
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
}
运行正常:
总结
OC方法调用的本质就是消息发送，消息发送是SEL-IMP的查找过程
动态决议
- 通过消息发送机制也找不到方法，系统在进入消息转发前，还会进行动态决议。
实例方法的动态决议
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;
// 系统通过该方法调用上面OC类里的实现
static void resolveInstanceMethod(id inst, SEL sel, Class cls)
类方法的动态决议
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;
消息转发
- 动态决议也找不到方法，才真正进入消息转发环节。
- 动态决议、快速转发、慢速转发合称为三个救命稻草，用于防止方法查找导致的系统崩溃。
消息快速转发
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
消息慢速转发
// 方法签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
// 正向调用
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;
消息转发机制基本上分为三个步骤，也被称为消息的三次拯救：
- 动态方法解析
- 备援接收者
- 完整消息转发
我们可以通过控制这三个步骤其中一环来解决这一个问题
特别注意：如果是正常类的消息，是不会走到这三个步骤的。所以走到这三个不步骤的前提条件已经确定该消息为未知消息
流程图
一些问题
runtime是如何通过selector找到对应的IMP地址的？
缓存查找–>当前类查找–>父类逐级查找
如果子类调用父类方法，缓存在哪个类？
当子类调用父类的方法时，Objective-C runtime 会首先检查子类的方法缓存。如果父类的方法已经存在于子类的方法缓存中，则直接从缓存中获取方法的实现并调用。这样可以提高方法查找的速度，避免了每次调用都需要进行完整的方法查找。
如果子类的方法缓存中不存在父类的方法，则会继续向上查找方法实现。首先会查找父类的缓存，然后是父类的父类，依此类推，直到找到方法的实现或者到达继承链的顶端。
需要注意的是，如果子类重写了父类的方法并且在子类中调用了 super 关键字来调用父类的方法，那么这个方法调用不会使用缓存，而是通过完整的方法查找来确定方法的实现。
总结起来，子类调用父类的方法时，缓存是存储在子类的方法缓存中的，但如果子类重写了父类的方法并使用 super 调用父类的方法，则不会使用缓存。
两次动态决议的原因
打断点测试一下:
运行后，lldb输入指令bt可以看到打印的信息
第一次进入该断点输入bt显示如下：
第二次进入该断点输入bt显示如下：
调用了___forwarding___符号，还有熟悉的慢速转发methodSignatureForSelector方法 ，可知第二次是消息转发；
在消息的第一次动态决议和快速转发都没找到方法后，进入到慢速转发。过程中，runtime还会调用一次lookUpImpOrForward，这个方法里包含了动态决议，这才造成了二次动态决议。