objc_msgSend 源碼閱讀

objc_msgSend是OC中調(diào)用最為頻繁的方法，所有OC方法的調(diào)用都離不開這個(gè)它。蘋果已經(jīng)將其開源（https://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-750/runtime/Messengers.subproj/），這是使用匯編語言編寫的，其好處就是能提升函數(shù)的執(zhí)行速度。本文選用它的arm64為匯編代碼（objc-msg-arm64.s）進(jìn)行分析。

函數(shù)入口

首先，找到ENTRY _objc_msgSend這一行，它是objc_msgSend的函數(shù)入口，下面逐行進(jìn)行分析：

cmp p0, #0   將傳入的第一個(gè)參數(shù)與0判斷

這里的p0實(shí)際上就是x0，其定義在arm64-asm.h里面。

    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)

如果p0<0(即最高位為1),該對象是tagged pointer，實(shí)際上是一個(gè)為了節(jié)省空間而使用的特殊指針，關(guān)于它的詳細(xì)描述可以看這篇文章，而當(dāng)p0為0的時(shí)候，即代表傳入對象為nil，函數(shù)應(yīng)該立即返回，總之，都先要跳到LNilOrTagged進(jìn)行特殊處理。。

如果p0>0，則代碼會(huì)繼續(xù)執(zhí)行下去：

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

然后將x0指向內(nèi)存中的值（isa）賦值給p13，然后通過GetClassFromIsa_p16的宏后，p16得到了class的地址。GetClassFromIsa_p16的實(shí)現(xiàn)如下(剔除了SUPPORT_INDEXED_ISA的部分,因?yàn)樗轻槍atch的)：

.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */
    and p16, $0, #ISA_MASK
#endif

ISA_MASK是定義在isa.h的宏，其值為0x0000000ffffffff8ULL。

可以看出class的地址是isa指針跟ISA_MASK與運(yùn)算得來的，其中的關(guān)系可以參考這篇文章，這里就不展開講了。

LGetIsaDone:
    CacheLookup NORMAL

接下來，就是查緩存的流程，在講這個(gè)之前，先把其它分支條件過一遍。

LNilOrTagged

LNilOrTagged的實(shí)現(xiàn)723版本和750版本的不太一樣，不過原理是一樣的，先看下723版本的：

LNilOrTagged:
1   b.eq    LReturnZero     // nil check    

    // tagged
2   mov x10, #0xf000000000000000
    cmp x0, x10
    b.hs    LExtTag
    
3   adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
    
4   ubfx    x11, x0, #60, #4
5   ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
6   b   LGetIsaDone
  1. 首先，如果p0 = 0，則跳到LReturnZero返回。接下來就是處理tagged pointer的邏輯。
  2. tagged pointer有兩種，一種是系統(tǒng)的，其isa的前4位為標(biāo)志位，最高位位1。另一種是開發(fā)者擴(kuò)展的，其isa的前8位是標(biāo)志位，前4位都是1。因此，如果p0比0xf00....要大（這里是無符號比較），就跳到LExtTag進(jìn)行擴(kuò)展的處理，否則執(zhí)行系統(tǒng)tagged pointer的邏輯。
  3. 取出_objc_debug_taggedpointer_classes的地址加載到x10中
  4. 獲取x0的高4位保存到x11中（高4位也是isa指針在_objc_debug_taggedpointer_classes中的索引）
  5. 以x11作為索引，算出對應(yīng)isa指針的內(nèi)存地址存到x16中
  6. 取出class地址之后執(zhí)行LGetIsaDone

對于750的版本，邏輯是這樣的：

LNilOrTagged:
    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

750的版本并沒有區(qū)分tagged pointer是系統(tǒng)的還是擴(kuò)展的，直接就將其當(dāng)成系統(tǒng)的處理取出class地址，在這之后，又將___NSUnrecognizedTaggedPointer的地址賦給x10，如果取出的這個(gè)class地址跟NSUnrecognizedTaggedPointer相等，就代表這是一個(gè)擴(kuò)展指針（因?yàn)槿绻菙U(kuò)展指針的話，最高4位必須是1，通過前面的運(yùn)算之后x16存的地址只能是一個(gè)確定的值。也可以由此推斷出___NSUnrecognizedTaggedPointer在_objc_debug_taggedpointer_classes中的索引是0x1111。

我看不出750的實(shí)現(xiàn)方式優(yōu)越在哪個(gè)地方，看起來都是9條匯編代碼，希望有大神來解釋一下。

LExtTag

求擴(kuò)展的tagged pointer的class地址和系統(tǒng)的tagged pointer是類似的，其代碼如下：

1   adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
    
2   ubfx    x11, x0, #52, #8
    
3   ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    
4   b   LGetIsaDone
  1. 取出_objc_debug_taggedpointer_ext_classes的地址加載到x10中。
  2. 去x0（isa指針）的高8位放到x11
  3. 通過索引求出class的地址并將其放到x16
  4. 執(zhí)行LGetIsaDone

LReturnZero

如果p0=0，則說明傳入的類為nil，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該執(zhí)行返回nil的邏輯

LReturnZero:
    // x0 is already zero
    mov x1, #0
    movi    d0, #0
    movi    d1, #0
    movi    d2, #0
    movi    d3, #0
    ret

在arm64位中，函數(shù)整型的返回值會(huì)存在x0,x1中，而浮點(diǎn)數(shù)的返回值存在v1-v3中，由于不知道函數(shù)的調(diào)用者需要什么類型，因此會(huì)將上述寄存器都清空，x0已經(jīng)是0了，因此不需要清空。

CacheLookup

不管是哪個(gè)分支條件，來到CacheLookup這個(gè)宏之后，p16都已經(jīng)得到類的地址了，接下來就是查找緩存的過程

    ldp p10, p11, [x16, #CACHE] // p10 = buckets, p11 = occupied|mask

將class地址的CACHE偏移量的內(nèi)存賦值給p10和p11，對于CACHE的定義可以在本文件中找到：

/* Selected field offsets in class structure */
#define SUPERCLASS       __SIZEOF_POINTER__
#define CACHE            (2 * __SIZEOF_POINTER__)

其中SIZEOF_POINTER是8個(gè)字節(jié)，因此這里偏移了16個(gè)字節(jié)，在objc-runtime-new.h中，我們可以找到objc_class的實(shí)現(xiàn)如下(注意不是runtime.h里面的objc_class，后者已經(jīng)廢棄掉了)：

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    ...

對于其父結(jié)構(gòu)體objc_object,其定義在objc.h

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

這樣，我們可以推斷出isa指針的偏移量是0，superClass的偏移量是8，cache的偏移量是16。

對于cache_t的結(jié)構(gòu)體，定義如下：

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;

其中bucket_t占了8字節(jié)，而mark_t占了4個(gè)字節(jié),因此ldr p10, p11, [x16, #CACHE]的結(jié)果是p10存了_buckets，p11高32位存_occupied，低32位存_mask（因?yàn)閍rm64默認(rèn)是小端）
_buckets就是存緩存函數(shù)地址的地方，實(shí)際上是一個(gè)哈希表，_mask總是2的n次冪-1，也就是0x00....1111，通過它和函數(shù)方法可以求出函數(shù)在哈希表中的索引。

    and  w12, w1, w11       // x12 = _cmd & mask

通過上面的運(yùn)算，就可以得到函數(shù)方法在哈希表的索引，實(shí)際上就相當(dāng)于_cmd%哈希表的大小，可以看出，也就是說哈希表的構(gòu)造方法是除留余數(shù)法。

    add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))

PTRSHIFT 的定義在arm64-asm.h,也就是3。p10是_buckets的首地址，因?yàn)閎ucket_t的大小為16個(gè)字節(jié)，所以需要將索引乘以16,也就是左移3位。計(jì)算完之后，p12里面就是對應(yīng)的bucket的指針了。

    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket

將bucket加載到p17和p9,bucket_t的結(jié)構(gòu)如下：

struct bucket_t {
    MethodCacheIMP _imp;
    cache_key_t _key;
    ...

通過這一運(yùn)算，p17存放了_imp，p9存放了_key,而_key實(shí)際上就是sel。

1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
    b.ne    2f          //     scan more
    CacheHit $0         // call or return imp

找到sel后，就讓傳進(jìn)來的sel和找到的sel作對比，如果一樣，則跳到CacheHit執(zhí)行函數(shù)，如果沒找到，可能是出現(xiàn)哈希沖突了，開始繼續(xù)查找找的邏輯。

2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
    b.eq    3f
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket
    b   1b

CheckMiss的作用是找出來的sel是否為nil,是的話就跳出匯編用C語言的方式找，其實(shí)現(xiàn)一會(huì)再講，如果p12和p10相等，即找到的bucket是buckets的首地址，那就跳到3（跳到最后一個(gè)bucket繼續(xù)查找）如果不是，則倒序查找跳到前一個(gè)bucket，跳回1繼續(xù)查找。

3:  // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
    add p12, p12, w11, UXTW #(1+PTRSHIFT)
                                // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)

    // Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
    // The slow path may detect any corruption and halt later.

能來到3，說明找到的bucket是buckets的第一個(gè)，這個(gè)時(shí)候，跳到最后一個(gè)bucket開始找

1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
    b.ne    2f          //     scan more
    CacheHit $0         // call or return imp
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
    b.eq    3f
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket
    b   1b          // loop

3:  // double wrap
    JumpMiss $0

接下來執(zhí)行的1,2跟上面的1，2一樣，不一樣的是，如果再次碰到第一個(gè)bucket，就跳出匯編。

CacheHit的宏如下：

.macro CacheHit
    TailCallCachedImp x17, x12  // authenticate and call imp
.endmacro

對于TailCallCachedImp，它定義在arm64-asm.h

.macro TailCallCachedImp
    // $0 = cached imp, $1 = address of cached imp
    brab    $0, $1
.endmacro

這個(gè)時(shí)候，x12存了IMP的地址，x17存了保存的IMP，但是brab是什么命令我沒查到，大意應(yīng)該就是調(diào)用了這個(gè)緩存的函數(shù)。

總結(jié)一下CacheLookup這個(gè)流程，如果緩存高級語言的寫法，那應(yīng)該就是：

bucket_t bucket = class->cache->buctet[sel]
if (sel == bucket->_key){
    bucket]->_imp()
} else{
    //執(zhí)行C語言的邏輯
}

緩存找不到的case

不管是JumpMiss還是CheckMiss的時(shí)候sel為空（也就是沒有找到緩存的sel）最后都會(huì)來到
_class_lookupMethodAndLoadCache3這個(gè)C函數(shù)這個(gè)函數(shù)定義在objc-runtime-new.mm，代碼如下：

IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{
    return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, 
                              YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/); 
}

這個(gè)方法返回查找過后IMP指針，供匯編代碼調(diào)用，這里就不貼出返回之后的邏輯了。而lookUpImpOrForward是一個(gè)查找方法的函數(shù)

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = nil;
    bool triedResolver = NO;

    runtimeLock.assertUnlocked();
    
    //因?yàn)閭魅氲腸ache為NO，所以不會(huì)執(zhí)行（匯編已經(jīng)執(zhí)行過一遍了）
    if (cache) { 
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) return imp;
    }

    runtimeLock.lock();
    
    //檢查類是否是已知的類，如果是NSClassFromString()方法得到的，那有可能是未知的
    checkIsKnownClass(cls);

    // 判斷類是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，如果沒有先將其實(shí)現(xiàn)
    if (!cls->isRealized()) {
        realizeClass(cls);
    }
    //檢查類是否被初始化，如果沒有，則將其初始化
    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        runtimeLock.unlock();
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        runtimeLock.lock();
    }

    
 retry:    
    runtimeLock.assertLocked();

    // Try this class's cache.
    //嘗試在緩存里找
    imp = cache_getImp(cls, sel);
    if (imp) goto done;

    // 在本類的方法列表中查找
    {
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel);
        if (meth) {
            log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, cls);
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
    }

    // 在父類中查找,也是先找緩存，再找方法列表，如果找到，則將該方法緩存到該類中
    {
        unsigned attempts = unreasonableClassCount();
        for (Class curClass = cls->superclass;
             curClass != nil;
             curClass = curClass->superclass)
        {
            if (--attempts == 0) {
                _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
            }
            
            // Superclass cache.
            imp = cache_getImp(curClass, sel);
            if (imp) {
                    //判斷這是不是消息轉(zhuǎn)發(fā)的方法
                if (imp != (IMP)_objc_msgForward_impcache) {
                    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
                    goto done;
                }
                else {
                    //如果是消息轉(zhuǎn)發(fā)，先不調(diào)用
                    //先調(diào)用resolveInstanceMethod
                        break;
                }
            }
            
            // Superclass method list.
            Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
            if (meth) {
                log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, curClass);
                imp = meth->imp;
                goto done;
            }
        }
    }

    // 如果沒找到實(shí)現(xiàn)，則調(diào)用+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
    //和+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel方法，重新試一次

    if (resolver  &&  !triedResolver) {
        runtimeLock.unlock();
        _class_resolveMethod(cls, sel, inst);
        runtimeLock.lock();
        triedResolver = YES;
        goto retry;
    }
    
    //如果還是找不到，走消息轉(zhuǎn)發(fā)
    imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
    cache_fill(cls, sel, imp, inst);

 done:
    runtimeLock.unlock();

    return imp;
}

這個(gè)方法其實(shí)就是在類中查找方法的整套流程實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程是線程安全的。找到的方法都會(huì)調(diào)用cache_fill存到緩存里面。一旦方法被緩存起來，下次調(diào)用的時(shí)候則只需要執(zhí)行匯編的代碼就可以找到方法。大大地提高代碼執(zhí)行的效率。

參考文獻(xiàn)

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