iOS：Category中的方法都在App啟動時才添加嗎？

前言：Category在Objc中非常重要，在平時的iOS的面試中針對Category的問題更是層出不窮，如：1）Category中的方法加載順序？2）Category中的方法“覆蓋”的原理？3）Category能添加屬性嗎？等等。更深入的可能會問Category中的方法是怎么加到方法列表中的？今天我們再來看看Category，還有沒有新的發(fā)現(xiàn)。

一、從runtime看Category的加載

_objc_init 作為OC的入口，主要的工作是注冊dyld的回調(diào)，當(dāng)dyld中的image（鏡像）卸載，加載狀態(tài)（符號綁定完，靜態(tài)初始化完）發(fā)生變化時給與OC回調(diào)。

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;

    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    lock_init();
    exception_init();

    // Register for unmap first, in case some +load unmaps something
    _dyld_register_func_for_remove_image(&unmap_image);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound,
                                             1/*batch*/, &map_2_images);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0/*not batch*/, &load_images);
}

Category的加載發(fā)生在map_2_images回調(diào)函數(shù)中，即動態(tài)鏈接器（dyld）完成符號綁定時的dyld_image_state_bound的回調(diào)。這里我們省略掉中間的調(diào)用，最后在void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount) 中讀?。?/p> 

void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount)
{
    //...
    // Discover categories. 
    for (EACH_HEADER) {
        category_t **catlist = 
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[i];
            Class cls = remapClass(cat->cls);

            if (!cls) {
                // Category's target class is missing (probably weak-linked).
                // Disavow any knowledge of this category.
                catlist[i] = nil;
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
                                 "missing weak-linked target class", 
                                 cat->name, cat);
                }
                continue;
            }

            // Process this category. 
            // First, register the category with its target class. 
            // Then, rebuild the class's method lists (etc) if 
            // the class is realized. 
            bool classExists = NO;
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
                ||  cat->instanceProperties) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                if (cls->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name, 
                                 classExists ? "on existing class" : "");
                }
            }

            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
                /* ||  cat->classProperties */) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
                if (cls->ISA()->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls->ISA());
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name);
                }
            }
        }
    }    
   //...
}

對于Category，_read_images做了如下事情：

1.通過_getObjc2CategoryList獲取Categorylist;
2.將Category中的實例方法，協(xié)議，屬性通過addUnattachedCategoryForClass映射到對應(yīng)的類上，然后通過remethodizeClass添加到對應(yīng)的類；
3.同上，將Category中的類方法，協(xié)議添加到類的元類上；
后續(xù)添加方法的實現(xiàn)在void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount)中，大家應(yīng)該比較熟悉了。

我們發(fā)現(xiàn)，Category是從_getObjc2CategoryList拿到的，我們看下它的實現(xiàn)：

#define GETSECT(name, type, sectname)                                   \
    type *name(const headerType *mhdr, size_t *outCount) {              \
        return getDataSection<type>(mhdr, sectname, nil, outCount);     \
    }                                                                   \
    type *name(const header_info *hi, size_t *outCount) {               \
        return getDataSection<type>(hi->mhdr, sectname, nil, outCount); \
    }

//      function name                 content type     section name
//...
GETSECT(_getObjc2CategoryList,        category_t *,    "__objc_catlist");
//...

很顯然，_getObjc2CategoryList的作用就是從Mach-O文件的__objc_catlist段獲取Category的數(shù)據(jù)。
好了，通過Runtime的源碼我們不難理解Category的"加載"過程：當(dāng)動態(tài)鏈接器（dyld）完成符號的綁定后，通過dyld_register_image_state_change_handler的回調(diào)到Objc,Objc通過_getObjc2CategoryList從Mach-O文件的__objc_catlist段獲取Category的數(shù)據(jù)，然后先通過addUnattachedCategoryForClass把Category映射到對應(yīng)的類上，最后通過remethodizeClass添加到對應(yīng)的類。

二、就這？

從本文的題目不能猜出，Category應(yīng)該還不止這些，實際上關(guān)于Category的原理我在N年前就讀過源碼。甚至產(chǎn)生過疑慮：Category中的方法在啟動時添加明明會消耗性能，為什么不能在編譯/鏈接期間就完成呢，蘋果沒這么傻吧...直到在研究Mach-O文件格式時有了點新的發(fā)現(xiàn)，下面我們通過Demo來看下，為了減少其他因素的干擾，我們創(chuàng)建一個最簡單的MacOS的控制臺程序，工程中創(chuàng)建一個Person類和它的分類。

//Person.h
@interface Person : NSObject
- (void)go;
@end

//Person+test.h
@interface Person (test)
- (void)goTest;
@end

運行下，使用MachOView看下Mach-O中的數(shù)據(jù)：

_objc_catlist

_objc_catlist中居然是空的，我們新增的Category方法goTest并沒有保存在這里。Category的數(shù)據(jù)保存在哪里了呢？我們再看下保存類方法的__objc_const段：

__objc_const

從上圖我們發(fā)現(xiàn)：Category中的方法已經(jīng)和主類中的方法合并到方法列表中了并且內(nèi)存地址連續(xù)，同時Category中的方法還"規(guī)規(guī)矩矩"的放在了主類方法的前面。如果是個同名方法呢？

同名方法

嗯...沒錯，和Category的特性一致...方法"覆蓋"這時已經(jīng)發(fā)生。
那么，這個優(yōu)化發(fā)生在編譯期還是靜態(tài)鏈接期間呢？很簡單，我們只需要把工程的類型Mach-O Type改成Static Libaray,因為靜態(tài)庫是經(jīng)過編譯，但還沒鏈接的中間產(chǎn)物，同樣通過MachOView看下數(shù)據(jù)：

Static Libaray

上圖可知：Category和它的主類分別生成了一個.o目標(biāo)文件，Category的信息還沒有合并。從這里我們可以看出優(yōu)化過程發(fā)生在靜態(tài)鏈接期間，了解靜態(tài)鏈接的同學(xué)可能會更容易理解，因為那時候才是真正給符號分配虛擬內(nèi)存地址的時候。

好了，既然Category的方法保存到了__objc_const段，那_objc_catlist是擺設(shè)？或者說什么情況下會保存到_objc_catlist呢？我們可以想一下：既然靜態(tài)鏈接的時候會進(jìn)行優(yōu)化，那么有沒有什么情況給類添加Category的時候已經(jīng)過了靜態(tài)鏈接的時期呢？這種情況會不會保存到_objc_catlist呢？
答案是：動態(tài)庫。
動態(tài)庫是已經(jīng)經(jīng)過鏈接（靜態(tài)鏈接）后的產(chǎn)物，如果給動態(tài)庫中的某個類添加Category應(yīng)該不能優(yōu)化了吧...這個猜想非常好驗證，我們只需要給系統(tǒng)庫中的類添加Category即可。

@interface NSString (Trim)
- (NSString *)trim;
@end

我們給NSString類添加trim方法，然后看下Mach-O文件：

_objc_catlist

果然，_objc_catlist已經(jīng)有數(shù)據(jù)了，但是_objc_catlist中沒有直接保存Category，真正的數(shù)據(jù)保存在_objc_const的Objc2 Caterory段中。

三、還有？

本以為這就結(jié)束了，多謝 @皮拉夫大王在此的提示：“分類未實現(xiàn)load和實現(xiàn)了load方法后保存是不一樣的”。我們知道在load方法的調(diào)用時會先調(diào)用當(dāng)前鏡像中的所有類的load方法，然后再調(diào)用分類的load方法，調(diào)用是分開的。再者，load方法作為特殊的存在，如果像上文所述進(jìn)行優(yōu)化的話，比較困難：如果優(yōu)化了怎么方便的調(diào)用呢？這種情況蘋果索性新增了一塊區(qū)域保存,我們看下runtime中獲取分類中l(wèi)oad方法的代碼：

void prepare_load_methods(const headerType *mhdr)
{
    size_t count, i;

    runtimeLock.assertLocked();

    classref_t const *classlist = 
        _getObjc2NonlazyClassList(mhdr, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        schedule_class_load(remapClass(classlist[i]));
    }

    category_t * const *categorylist = _getObjc2NonlazyCategoryList(mhdr, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        category_t *cat = categorylist[i];
        Class cls = remapClass(cat->cls);
        if (!cls) continue;  // category for ignored weak-linked class
        if (cls->isSwiftStable()) {
            _objc_fatal("Swift class extensions and categories on Swift "
                        "classes are not allowed to have +load methods");
        }
        realizeClassWithoutSwift(cls, nil);
        ASSERT(cls->ISA()->isRealized());
        add_category_to_loadable_list(cat);
    }
}

_getObjc2NonlazyCategoryList的實現(xiàn)：

GETSECT(_getObjc2NonlazyCategoryList, category_t * const,    "__objc_nlcatlist");

實現(xiàn)了load方法的Caterory在__objc_nlcatlist和__objc_catlist中都保存一份：

__objc_nlcatlist

總結(jié)

從上面的分析我們可以看出蘋果對Caterory的優(yōu)化已經(jīng)非常細(xì)致：對于非動態(tài)庫中的類的Caterory中的方法會在靜態(tài)鏈接期間優(yōu)化，知道這個特性后我們可以在自己的模塊內(nèi)使用Caterory干更多的事情（比如功能解耦），不用擔(dān)心會影響啟動速度。最后在這里再拋出一個問題：蘋果既然對Caterory中的方法進(jìn)行了優(yōu)化，那其他的特性（如"屬性"）呢？

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