iOS-Category原理

參考篇：iOS-分類(lèi)（Category）

前言：本文簡(jiǎn)述Category原理，如有錯(cuò)誤請(qǐng)留言指正。

第一部分：有關(guān)分類(lèi)的本質(zhì)、原理

Q：分類(lèi)的對(duì)象方法，類(lèi)方法都存在哪里？

一個(gè)類(lèi)的所有分類(lèi)的 對(duì)象方法放在類(lèi)對(duì)象中，所有分類(lèi)的類(lèi)方法存放在元類(lèi)中
clang查看編譯文件
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc NSObject+Test.m
編譯文件NSObject+Test.cpp中有關(guān)分類(lèi)內(nèi)容

//聲明結(jié)構(gòu)體
struct _category_t {
    const char *name;
    struct _class_t *cls;
    const struct _method_list_t *instance_methods;
    const struct _method_list_t *class_methods;
    const struct _protocol_list_t *protocols;
    const struct _prop_list_t *properties;
};
//對(duì)結(jié)構(gòu)體賦值
static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = 
{
    "NSObject",
    0, // &OBJC_CLASS_$_NSObject,
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_NSObject_$_Test,
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_NSObject_$_Test,
    (const struct _protocol_list_t *)&_OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_NSObject_$_Test,
    0,
};

Runtime中Category源碼解讀順序
objc-os.mm

  • _objc_init
  • map_images
  • map_images_nolock

objc-runtime-new.mm

  • _read_images
  • remethodizeClass
  • attachCategories
  • attachLists
  • realloc、memmove、 memcpy

Runtime中Category的底層結(jié)構(gòu)

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    struct property_list_t *_classProperties;

    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }

    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};

objc-runtime-new.mm

// cls 類(lèi)
// cats 分類(lèi)列表
static void 
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

    bool isMeta = cls->isMetaClass();

    // fixme rearrange to remove these intermediate allocations
    /*方法數(shù)組
    [
        [method_t,method_t]
        [method_t,method_t]
    ]
     */
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    //屬性數(shù)組
    property_list_t **proplists = (property_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
    //協(xié)議數(shù)組
    protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*protolists));

    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int propcount = 0;
    int protocount = 0;
    int i = cats->count;
    bool fromBundle = NO;
    while (i--) {
        //取出分類(lèi)
        auto& entry = cats->list[i];
        
        //取出分類(lèi)對(duì)象方法
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }

        property_list_t *proplist = 
            entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
        if (proplist) {
            proplists[propcount++] = proplist;
        }

        protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
        if (protolist) {
            protolists[protocount++] = protolist;
        }
    }

    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);

    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);

    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);
}

Q：分類(lèi)的方法何時(shí)合并到類(lèi)對(duì)象中？

通過(guò)runtime動(dòng)態(tài)將分類(lèi)的方法合并到類(lèi)對(duì)象、元類(lèi)對(duì)象中的

Q：分類(lèi)的方法是如何添加到類(lèi)對(duì)象方法列表中的？

runtime源碼展示

void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
        if (addedCount == 0) return;

        if (hasArray()) {
            // many lists -> many lists
            uint32_t oldCount = array()->count;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            //array()->lists:原來(lái)類(lèi)對(duì)象的方法列表
            //內(nèi)存移動(dòng)
            memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                    oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
            //addedLists:所有分類(lèi)的方法列表
            //內(nèi)存拷貝
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            List* oldList = list;
            uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
    }

重要代碼：

//array()->lists:原來(lái)類(lèi)對(duì)象的方法列表
//內(nèi)存移動(dòng)
memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists,  oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
//addedLists:所有分類(lèi)的方法列表
 //內(nèi)存拷貝
memcpy(array()->lists, addedLists, addedCount * sizeof(array()->lists[0]));

演示圖例

分類(lèi)方法添加到對(duì)象方法列表中

大概流程

  • 1.獲取分類(lèi)列表的count，然后原來(lái)的類(lèi)方法列表內(nèi)存移動(dòng)count
  • 2.分類(lèi)列表內(nèi)存拷貝到原來(lái)的類(lèi)方法列表的前方
  • 3.同樣的方法，優(yōu)先調(diào)用分類(lèi)的方法
  • 4.分類(lèi)具有同樣的方法，根據(jù)編譯順序決定，取最后編譯分類(lèi)的方法列表

Q：Category的加載處理過(guò)程？

  • 1.通過(guò)Runtime加載某個(gè)類(lèi)的所有Category數(shù)據(jù)
  • 2.把所有Category的方法、屬性、協(xié)議數(shù)據(jù)，合并到一個(gè)大數(shù)組中
  • 3.后面參與編譯的Category數(shù)據(jù)，會(huì)在數(shù)組的前面
  • 4.將合并后的分類(lèi)數(shù)據(jù)（方法、屬性、協(xié)議），插入到類(lèi)原來(lái)數(shù)據(jù)的前面

Q：Category的實(shí)現(xiàn)原理

  • Category編譯之后的底層結(jié)構(gòu)是struct category_t，里面存儲(chǔ)著分類(lèi)的對(duì)象方法、類(lèi)方法、屬性、協(xié)議信息
  • 在程序運(yùn)行的時(shí)候，runtime會(huì)將Category的數(shù)據(jù)，合并到類(lèi)信息中（類(lèi)對(duì)象、元類(lèi)對(duì)象中）

Q：Category和Class Extension的區(qū)別是什么？

  • Class Extension在編譯的時(shí)候，它的數(shù)據(jù)就已經(jīng)包含在類(lèi)信息中
  • Category是在運(yùn)行時(shí)，才會(huì)將數(shù)據(jù)合并到類(lèi)信息中

Q：memmove和memcpy的區(qū)別？

memmove會(huì)根據(jù)內(nèi)存大小，移動(dòng)方向，數(shù)量來(lái)移動(dòng)內(nèi)存；memcpy是按照一定規(guī)則一個(gè)地址一個(gè)地址拷貝。memmove能保證原數(shù)據(jù)完整性，內(nèi)部移動(dòng)最好不要使用memcpy，外部?jī)?nèi)存移動(dòng)可以使用。

第二部分：+load 和 +initialize方法

Q: +load方法調(diào)用原理？

objc4源碼解讀過(guò)程：

objc-os.mm
_objc_init

load_images

prepare_load_methods
schedule_class_load
add_class_to_loadable_list
add_category_to_loadable_list

call_load_methods
call_class_loads
call_category_loads
(*load_method)(cls, SEL_load)

objc-loadmethod.mm

struct loadable_class {
    Class cls;  // may be nil
    IMP method; // +load
};

struct loadable_category {
    Category cat;  // may be nil
    IMP method; // 分類(lèi)的+load
};

調(diào)用視圖


調(diào)用視圖

Q：+load方法調(diào)用順序？

1. 先調(diào)用類(lèi)的+load方法
  • 1.1按照編譯先后順序調(diào)用（先編譯，先調(diào)用）
  • 1.2先調(diào)用父類(lèi)的+load再調(diào)用子類(lèi)的+load
2. 再調(diào)用分類(lèi)的+load方法
  • 2.1按照編譯先后順序調(diào)用（先編譯，先調(diào)用）
// 1. Repeatedly call class +loads until there aren't any more
while (loadable_classes_used > 0) {
    call_class_loads();
}

// 2. Call category +loads ONCE
more_categories = call_category_loads();
  • 每個(gè)類(lèi)、分類(lèi)的+load，在程序運(yùn)行過(guò)程中只調(diào)用一次，只有在加載類(lèi)時(shí)候調(diào)用一次
  • 不存在分類(lèi)的+load方法覆蓋類(lèi)的+load方法

Q：+load方法為什么和其他的類(lèi)方法調(diào)用方式不同？

其他分類(lèi)類(lèi)方法是通過(guò)消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制調(diào)用的，isa和superclass來(lái)尋找的；而+load是通過(guò)函數(shù)指針指向函數(shù)，拿到函數(shù)地址，分開(kāi)來(lái)直接調(diào)用的，直接通過(guò)內(nèi)存地址查找調(diào)用的。

Q：Category中有l(wèi)oad方法嗎？load方法是什么時(shí)候調(diào)用的？load 方法能繼承嗎？

  • 有l(wèi)oad方法
  • load方法在runtime加載類(lèi)、分類(lèi)的時(shí)候調(diào)用
  • load方法可以繼承，但是一般情況下不會(huì)主動(dòng)去調(diào)用load方法，都是讓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用

Q：+initialize方法是怎么調(diào)用的？

+initialize方法會(huì)在類(lèi)第一次接收到消息時(shí)調(diào)用，消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制調(diào)用的（objc_send）

Q：+initialize方法調(diào)用順序？

先調(diào)用父類(lèi)的+initialize，再調(diào)用子類(lèi)的+initialize；(先初始化父類(lèi)，再初始化子類(lèi)，每個(gè)類(lèi)只會(huì)初始化1次），子類(lèi)內(nèi)部+initialize會(huì)主動(dòng)調(diào)用父類(lèi)的+initialize

runtime探索objc_msgSend內(nèi)部調(diào)用initialize

objc4源碼解讀過(guò)程

objc-msg-arm64.s
objc_msgSend

objc-runtime-new.mm
class_getInstanceMethod
lookUpImpOrNil
lookUpImpOrForward
_class_initialize
callInitialize
objc_msgSend(cls, SEL_initialize)

部分源碼展示：

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
//.......中間省略一部分源碼

//下面代碼展示如果initialize需要初始化 && 類(lèi)未被初始化過(guò)就執(zhí)行以下函數(shù)
if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        runtimeLock.read();
        // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 
        // then the messenger will send +initialize again after this 
        // procedure finishes. Of course, if this is not being called 
        // from the messenger then it won't happen. 2778172
    }
}

Q：+initialize和+load的很大區(qū)別是？

  • +initialize是通過(guò)objc_msgSend進(jìn)行調(diào)用的
  • 如果子類(lèi)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)+initialize，會(huì)調(diào)用父類(lèi)的+initialize（所以父類(lèi)的+initialize可能會(huì)被調(diào)用多次）
  • 如果分類(lèi)實(shí)現(xiàn)了+initialize，就覆蓋類(lèi)本身的+initialize調(diào)用
  • +load是通過(guò)函數(shù)指針指向函數(shù)，拿到函數(shù)地址，分開(kāi)來(lái)直接調(diào)用的，直接通過(guò)內(nèi)存地址查找調(diào)用的。

Q：load、initialize方法的區(qū)別什么？

  • 1.調(diào)用方式
    1> load是根據(jù)函數(shù)地址直接調(diào)用
    2> initialize是通過(guò)objc_msgSend調(diào)用

  • 2.調(diào)用時(shí)刻
    1> load是runtime加載類(lèi)、分類(lèi)的時(shí)候調(diào)用（只會(huì)調(diào)用1次）
    2> initialize是類(lèi)第一次接收到消息的時(shí)候調(diào)用，每一個(gè)類(lèi)只會(huì)initialize一次（父類(lèi)的initialize方法可能會(huì)被調(diào)用多次）

Q：load、initialize的調(diào)用順序？

1.load

  • 1> 先調(diào)用類(lèi)的load
    a) 先編譯的類(lèi)，優(yōu)先調(diào)用load
    b) 調(diào)用子類(lèi)的load之前，會(huì)先調(diào)用父類(lèi)的load

  • 2> 再調(diào)用分類(lèi)的load
    a) 先編譯的分類(lèi)，優(yōu)先調(diào)用load

2.initialize

1> 先初始化父類(lèi)
2> 再初始化子類(lèi)（可能最終調(diào)用的是父類(lèi)的initialize方法）

第三部分：關(guān)聯(lián)對(duì)象

Q：分類(lèi)聲明屬性，系統(tǒng)都做了什么？

分類(lèi)聲明屬性，系統(tǒng)只生成setter和getter方法的聲明，但是成員變量、setter和getter方法的實(shí)現(xiàn)均沒(méi)有。

Q：為什么不能用字典為分類(lèi)增加實(shí)例變量

  • 字典為分類(lèi)增加實(shí)例變量存在全局變量中，內(nèi)存泄漏
  • 多線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)會(huì)存在同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)變量的情況，還得加鎖處理
  • 每增加一個(gè)變量，字典、setter、getter方法就得重新編寫(xiě)

Q：Category能否添加成員變量？如果可以，如何給Category添加成員變量？

  • 不能直接給Category添加成員變量，但是可以間接實(shí)現(xiàn)Category有成員變量的效果
  • 默認(rèn)情況下，因?yàn)榉诸?lèi)底層結(jié)構(gòu)的限制，不能添加成員變量到分類(lèi)中。但可以通過(guò)關(guān)聯(lián)對(duì)象來(lái)間接實(shí)現(xiàn)

Q：如何給分類(lèi)關(guān)聯(lián)對(duì)象？

  • 添加關(guān)聯(lián)對(duì)象
// object：當(dāng)前對(duì)象
// key：標(biāo)記key
//value ：關(guān)聯(lián)屬性值
//objc_AssociationPolicy：關(guān)聯(lián)對(duì)象策略
void objc_setAssociatedObject(id object, const void * key,
                                id value, objc_AssociationPolicy policy)
  • 獲得關(guān)聯(lián)對(duì)象
    id objc_getAssociatedObject(id object, const void * key)
  • 移除所有的關(guān)聯(lián)對(duì)象
    void objc_removeAssociatedObjects(id object)

關(guān)聯(lián)對(duì)象策略

關(guān)聯(lián)對(duì)象策略

關(guān)聯(lián)對(duì)象代碼示例：

#import "Person.h"
@interface Person (Test1)
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

#import "Person+Test1.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation Person (Test1)
//保證nameKey唯一即可
static void * nameKey = &nameKey;
- (void)setName:(NSString *)name{
    objc_setAssociatedObject(self, nameKey, name, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
    
}
- (NSString *)name{
    return objc_getAssociatedObject(self, nameKey);
}
@end

保證關(guān)聯(lián)對(duì)象key唯一的其他方法

static void *MyKey = &MyKey;
objc_setAssociatedObject(obj, MyKey, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, MyKey)

//static char MyKey;
objc_setAssociatedObject(obj, &MyKey, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, &MyKey)

//使用屬性名作為key
//直接使用的@"name"類(lèi)似的變量是存在常量區(qū)的，所以地址會(huì)相同
objc_setAssociatedObject(obj, @"property", value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
objc_getAssociatedObject(obj, @"property");

//使用get方法的@selecor作為key
objc_setAssociatedObject(obj, @selector(getter), value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, @selector(getter))
objc_getAssociatedObject(self, _cmd);
//_cmd：表示當(dāng)前方法的selector方法

Q：關(guān)聯(lián)對(duì)象的原理

實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)對(duì)象技術(shù)的核心對(duì)象有

  • AssociationsManager
  • AssociationsHashMap
  • ObjectAssociationMap
  • ObjcAssociation

objc4源碼解讀：objc-references.mm



void _object_set_associative_reference(id object, void *key, id value, uintptr_t policy) {
    // retain the new value (if any) outside the lock.
    ObjcAssociation old_association(0, nil);
    id new_value = value ? acquireValue(value, policy) : nil;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        if (new_value) {
            // break any existing association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i != associations.end()) {
                // secondary table exists
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    j->second = ObjcAssociation(policy, new_value);
                } else {
                    (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                }
            } else {
                // create the new association (first time).
                ObjectAssociationMap *refs = new ObjectAssociationMap;
                associations[disguised_object] = refs;
                (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                object->setHasAssociatedObjects();
            }
        } else {
            // setting the association to nil breaks the association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i !=  associations.end()) {
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    refs->erase(j);
                }
            }
        }
    }
    // release the old value (outside of the lock).
    if (old_association.hasValue()) ReleaseValue()(old_association);
}

核心對(duì)象內(nèi)部：

//AssociationsManager內(nèi)包含AssociationsHashMap
class AssociationsManager {
    static AssociationsHashMap *_map;
}
//AssociationsHashMap內(nèi)包含ObjectAssociationMap
class AssociationsHashMap : public unordered_map<disguised_ptr_t, ObjectAssociationMap *, DisguisedPointerHash, DisguisedPointerEqual, AssociationsHashMapAllocator> 
//ObjectAssociationMap內(nèi)包含ObjcAssociation
class ObjectAssociationMap : public std::map<void *, ObjcAssociation, ObjectPointerLess, ObjectAssociationMapAllocator>

//ObjcAssociation 內(nèi)包含策略和屬性值
class ObjcAssociation {
        uintptr_t _policy;
        id _value;
}
關(guān)聯(lián)對(duì)象原理

Q：關(guān)聯(lián)對(duì)象是否儲(chǔ)存在類(lèi)對(duì)象內(nèi)存中？

答案：不是的

  • 關(guān)聯(lián)對(duì)象并不是存儲(chǔ)在被關(guān)聯(lián)對(duì)象本身內(nèi)存中
  • 關(guān)聯(lián)對(duì)象存儲(chǔ)在全局的統(tǒng)一的一個(gè)AssociationsManager，AssociationsHashMap中

Q：設(shè)置關(guān)聯(lián)對(duì)象為nil，會(huì)發(fā)生什么？

相當(dāng)于是移除關(guān)聯(lián)對(duì)象，內(nèi)部會(huì)有一個(gè)erase操作

Q：如何移除所有關(guān)聯(lián)對(duì)象？

移除所有的關(guān)聯(lián)對(duì)象
void objc_removeAssociatedObjects(id object)

Q：如果類(lèi)對(duì)象銷(xiāo)毀，分類(lèi)的關(guān)聯(lián)對(duì)象會(huì)移除么？

會(huì)的

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