iOS底层原理 - 探寻Runtime本质 之 消息机制

面试题引发的思考：

Q: 简述消息转发机制？

• 消息发送阶段：负责从 类及父类 的 缓存列表及方法列表 查找方法；
• 动态解析阶段：如果消息发送阶段没有找到方法，则会进入动态解析阶段，负责 动态的添加 方法实现；
• 消息转发阶段：如果也没有实现动态解析方法，则会进行消息转发阶段，将消息 转发 给可以处理消息的 接收者 来处理；
• 报错：如果也没有实现消息转发方法，会报错unrecognzied selector sent to instance。

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1. 方法调用的本质

前两章分别对isa结构的本质、Class结构的本质做了探究，下面探究方法调用的本质。

// TODO: ----------------- main -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        [person test];
    }
    return 0;
}

转成C++代码：

C++代码

由以上代码可知：
OC的方法调用都是转化为objc_msgSend()函数，即消息机制，通过Runtime给方法调用者发送消息。
而objc_msgSend(person, @selector(test));的作用是给消息接收者person发送test消息。
那么接下来我们探究objc_msgSend()函数的调用过程：

objc_msgSend()的执行流程可以分为三个阶段：

• 消息发送阶段：负责从类及父类的缓存列表及方法列表查找方法；
• 动态解析阶段：如果消息发送阶段没有找到方法，则会进入动态解析阶段，负责动态的添加方法实现；
• 消息转发阶段：如果也没有实现动态解析方法，则会进行消息转发阶段，将消息转发给可以处理消息的接收者来处理；
• 报错：如果也没有实现消息转发方法，会报错unrecognzied selector sent to instance。

接下来通过源码探寻以上三个阶段的实现。

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(1) 消息发送阶段

OC源码中搜索_objc_msgSend，在objc-msg-arm64.s汇编文件找到_objc_msgSend函数的实现：

_objc_msgSend函数

判断消息接收者是否为nil：
如果为nil，直接退出程序；
否则继续执行代码至CacheLookup NORMAL，去缓存查找：

CacheLookup宏

判断缓存中找到对应的方法：
如果可以找到，执行CacheHit $0，进而调用方法；
否则执行CheckMiss $0：

CheckMiss宏

如果缓存中没有找到对应方法，执行__objc_msgSend_uncached函数：

__objc_msgSend_uncached函数

执行MethodTableLookup即方法列表查找：

MethodTableLookup宏

内部核心代码为__class_lookupMethodAndLoadCache3函数：
汇编的函数比C++的多一个下划线，所以查找_class_lookupMethodAndLoadCache3即可：

_class_lookupMethodAndLoadCache3函数

以上步骤进流程图如下：

objc_msgSend()执行流程

下面对lookUpImpOrForward函数进行分析：

lookUpImpOrForward函数

通过getMethodNoSuper_nolock函数在类的方法列表查找方法：

getMethodNoSuper_nolock函数

通过getMethodNoSuper_nolock函数遍历得到类对象的方法列表，然后通过search_method_list函数查找方法：

search_method_list函数

如果方法列表是有序的，通过二分查找方法；
否则遍历列表查找方法。

二分查找实现原理如下：

findMethodInSortedMethodList函数

以上步骤进流程图如下：

方法查找执行流程

如果消息发送阶段没有找到方法，就会进入动态解析阶段。

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(2) 动态解析阶段

lookUpImpOrForward函数

由以上代码可知：
如果消息发送阶段没有找到方法，就会进入动态解析阶段；
动态解析方法之后，triedResolver = YES;，然后goto retry，那么会重新查找一遍方法，并跳过动态解析阶段。

动态解析阶段主要函数为_class_resolveMethod：

_class_resolveMethod函数

_class_resolveMethod函数会根据类对象或者元类对象，分别调用resolveInstanceMethod方法或resolveClassMethod方法。

动态解析进流程图如下：

动态解析执行流程

动态解析过程实例

a> 实例方法动态解析

// TODO: ----------------- Person类 -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)test;
@end

@implementation Person
@end

// TODO: ----------------- main -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        [person test];
    }
    return 0;
}

以上代码运行报错：unrecognized selector sent to instance 0x1006088b0，因为在Person类中声明了test方法，却并没有实现。

接下来通过动态解析解决问题，相关API为：

class_addMethod函数

// TODO: ----------------- Person类 -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)test;
@end

@implementation Person
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(test)) {
        // 获取其他方法
        Method otherMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(other));
        // 动态添加方法
        class_addMethod(self, sel, method_getImplementation(otherMethod), method_getTypeEncoding(otherMethod));
        // 返回YES表示有动态添加方法
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
};
- (void)other {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

// 打印结果
Demo[1234:567890] -[Person other]

由打印结果可知：
person在调用test方法时经过动态解析成功调用了other方法。

b> 类方法动态解析

// TODO: ----------------- Person类 -----------------
@interface Person : NSObject
+ (void)classTest;
@end

@implementation Person
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(classTest)) {
        // 获取其他方法
        Method otherMethod = class_getClassMethod(self, @selector(classOther));
        // 动态添加方法
        class_addMethod(object_getClass(self), sel, method_getImplementation(otherMethod), method_getTypeEncoding(otherMethod));
        // 返回YES表示有动态添加方法
        return YES;
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
}
+ (void)classOther {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

// TODO: ----------------- main -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [Person classTest];
    }
    return 0;
}

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(3) 消息转发阶段

如果消息发送阶段没有找到方法，动态解析阶段没有对方法进行动态解析，接下来就会进入消息转发阶段。

lookUpImpOrForward函数

消息转发阶段，会调用_objc_msgForward_impcache函数：

_objc_msgForward_impcache函数

汇编中找到__objc_msgForward_impcache函数实现，该函数调用__objc_msgForward函数；
__objc_msgForward函数实现调用__objc_forward_handler函数；
无法找到__objc_forward_handler函数实现，查找资料了解到消息转发机制是不开源的。

消息转发过程实例

a> 实例方法消息转发

// TODO: ----------------- Person类 -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)test;
@end

@implementation Person
@end

// TODO: ----------------- main -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        [person test];
    }
    return 0;
}

由以上代码可知：
Person类中只声明test方法，不实现方法，此时调用test方法会崩溃。

在Student类中实现一个test方法，在Person类中通过forwardingTargetForSelector:方法将消息转发对象设置为Student对象：

// TODO: ----------------- Person类 -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)test;
@end

@implementation Person
/**
 消息转发
 @param aSelector 方法
 @return 返回能够处理消息的对象
 */
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return [[Student alloc] init];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end

// TODO: ----------------- Student类 -----------------
@interface Student : NSObject
@end

@implementation Student
- (void)test {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

// TODO: ----------------- main -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        [person test];
    }
    return 0;
}

// 打印结果
// Runtime[939:123812] -[Student test]

如果forwardingTargetForSelector函数返回为nil或者没有实现的话，就会调用methodSignatureForSelector函数，用来返回一个方法签名;
然后调用forwardInvocation函数，其内部参数为NSInvocation类型，NSInvocation类型封装一个方法的调用，包括方法调用者、方法、方法的参数；
然后在forwardInvocation函数内修改方法调用对象。

// TODO: ----------------- Person类 -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)test;
@end

@implementation Person
/**
 消息转发
 @param aSelector 方法
 @return 返回能够处理消息的对象
 */
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(test)) {
        // 返回nil则会调用methodSignatureForSelector方法
        return nil;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
/**
 为另一个类实现的消息创建一个有效的方法签名
 @param aSelector 方法
 @return 方法签名：返回值类型、参数类型
 */
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return [[[Student alloc] init] methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
/**
 将选择器转发给一个真正实现了该消息的对象
 @param anInvocation 封装了一个方法调用，包括：方法调用者，方法，方法的参数
 @param anInvocation.target 方法调用者
 @param anInvocation.selector 方法
 @param [anInvocation getArgument: NULL atIndex: 0]; 方法的参数
 */
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    // 此时anInvocation.target 还是person对象，需要修改target为可以执行方法的方法调用者。
    [anInvocation invokeWithTarget:[[Student alloc] init]];
}
@end

// 打印结果
// Runtime[1016:190175] -[Student test]

消息转发流程图如下：

消息转发执行流程

b> 类方法消息转发

// TODO: ----------------- Person类 -----------------
@interface Person : NSObject
+ (void)test;
@end

@implementation Person
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return [Student class];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end

// TODO: ----------------- Student类 -----------------
@interface Student : NSObject
@end

@implementation Student
+ (void)test {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

// TODO: ----------------- main -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [Person test];
    }
    return 0;
}

// 打印结果
// Runtime[1245:167577] +[Student test]

如果forwardingTargetForSelector函数返回为nil或者没有实现的话：

// TODO: ----------------- Person类 -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)test;
@end

@implementation Person
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return nil;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return [[Student class] methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    [anInvocation invokeWithTarget:[Student class]];
}
@end

// 打印结果
// Runtime[1335:187977] +[Student test]

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(4) 总结

• OC的方法调用都是转化为objc_msgSend()函数，即消息机制，通过Runtime给方法调用者发送消息。
• 方法调用分为三个阶段：
  消息发送、动态方法解析、消息转发。
  以上三个阶段的具体分析以及流程图可从上文得知。