iOS底層消息流程-慢速查找

  • 消息轉(zhuǎn)發(fā)objc_msgSend 可以分為兩個部分：一部分是objc_msgSend本身自己的快速路徑（匯編編寫的部分），另一部分是慢速路徑（用C實現(xiàn)）。如果它是在匯編方式找到的緩存中的方法就跳轉(zhuǎn)它。如果方法不在緩存中，它將調(diào)用C代碼來處理事件。
  • 這篇主要內(nèi)容是分析消息轉(zhuǎn)發(fā)機制objc_msgSend慢速查找。繼續(xù)探究__objc_msgSend_uncached之后的內(nèi)容。

一 、調(diào)用方法的舉例分析

image

分析：
我們可以看到，我們使用[LGStudent performSelector:@selector(sayEasy)]，調(diào)用NSObject中的實例方法，也調(diào)用成功了；這個實際上，我們在之前的文章中也有提到過什么原因，這里再來回顧一下，首先類方法實際就是在元類中以實例方法的方式進行存儲的，而元類的根源類，也是繼承于NSObject的，所以在方法查找的過程中，類方法會最終查找到NSObject類的實例方法，找到并執(zhí)行了；但是還有一部分方法是在本類，以及父類都找不到的時候就會崩潰，下面我們就進行分析一下

經(jīng)典的isa圖分析：

image

總結(jié)：

對象的實例方法：

  • 自己有
  • 自己沒有-->父類有
  • 自己沒有-->父類沒有-->父類的父類----直到NSObject
  • 自己沒有-->父類沒有-->直到NSObject也沒有--->崩潰

對象的類方法：

  • 自己有
  • 自己沒有-->父類有
  • 自己沒有-->父類沒有-->父類的父類----直到NSObject
  • 自己沒有-->父類沒有-->直到NSObject類方法沒有-->NSObject實例方法
  • 自己沒有-->父類沒有-->直到NSObject類方法沒有-->NSObject實例方法沒有--崩潰

以上例子證明了方法的查找流程,這種一層層的在父類中查找的方式稱為慢速查找。

二 、慢速查找源碼分析

回憶匯編寫的快速查找流程中，如果check miss 就_ _objc_msgSend_uncached,查看源碼：

注：
1、C/C++中調(diào)用 匯編 ，去查找匯編時，C/C++調(diào)用的方法需要多加一個下劃線
2、匯編 中調(diào)用 C/C++方法時，去查找C/C++方法，需要將匯編調(diào)用的方法去掉一個下劃線


STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
    UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves

    // THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
    // Out-of-band p16 is the class to search
    // 開始查詢方法列表
    MethodTableLookup
    TailCallFunctionPointer x17

    END_ENTRY _ _objc_msgSend_uncached

MethodTableLookup的源碼：

.macro MethodTableLookup

    // push frame
    SignLR
    stp fp, lr, [sp, #-16]!
    mov fp, sp

    // save parameter registers: x0..x8, q0..q7
    sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
    stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    str x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    mov x2, x16
    mov x3, #3
    bl  _lookUpImpOrForward //關(guān)鍵方法：查找imp 找不到就 向前查找

    ......

匯編調(diào)試驗證：

  • 打斷點

  • 開啟匯編調(diào)試【Debug -- Debug worlflow -- 勾選Always show Disassembly】；

  • 按control + stepinto

    過程如下:

    image

  • lookUpImpOrForward 就是慢速查找的入口。

  • 在objc4 源碼中查找 lookUpImpOrForward的實現(xiàn) ，在objc-runtime-new.mm中：

// behavior 后面流程作為判斷的用來區(qū)分lookup的類型
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    // 定義的消息轉(zhuǎn)發(fā)
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 
    IMP imp = nil;
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 快速查找，如果找到則直接返回imp
    //目的：防止多線程操作時，剛好調(diào)用函數(shù)，此時緩存進來了
    if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) { 
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) goto done_nolock;
    }

    //加鎖，目的是保證讀取的線程安全
    runtimeLock.lock();

    //判斷是否是一個已知的類：判斷當前類是否是已經(jīng)被認可的類，即已經(jīng)加載的類
    checkIsKnownClass(cls); 

    //判斷類是否實現(xiàn)，如果沒有，需要先實現(xiàn)，此時的目的是為了確定父類鏈，方法后續(xù)的循環(huán)
    if (slowpath(!cls->isRealized())) { 
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }

    //判斷類是否初始化，如果沒有，需要先初始化
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) { 
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

    runtimeLock.assertLocked();
    curClass = cls;

    //----查找類的緩存

    // unreasonableClassCount -- 表示類的迭代的上限
    //（猜測這里遞歸的原因是attempts在第一次循環(huán)時作了減一操作，然后再次循環(huán)時,仍在上限的范圍內(nèi)，所以可以繼續(xù)遞歸）
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) { 
        //---當前類方法列表（采用二分查找算法），如果找到，則返回，將方法緩存到cache中
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
        //當前類 = 當前類的父類，并判斷父類是否為nil
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //--未找到方法實現(xiàn)，方法解析器也不行，使用轉(zhuǎn)發(fā)
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        // 如果父類鏈中存在循環(huán)，則停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // --父類緩存
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) { 
            // 如果在父類中找到了forward，則停止查找，且不緩存，首先調(diào)用此類的方法解析器
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            //如果在父類中，找到了此方法，將其存儲到cache中
            goto done;
        }
    }

    //沒有找到方法實現(xiàn)，嘗試一次方法解析

    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //動態(tài)方法決議的控制條件，表示流程只走一次
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

 done:
    //存儲到緩存
    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); 
    //解鎖
    runtimeLock.unlock();
 done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;
}

畫圖解釋其流程：

image

待分析1:
cache_getImp 源碼是匯編調(diào)用方法：_cache_getImp

image

待分析2:

  • realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked 實現(xiàn)類的加載和 initializeAndLeaveLocked的初始化，這個有關(guān)于，類 ，分類，父類的加載后面在分析類的加載流程的時候會詳細的探索。

  • 這里判斷的目的：類是否實現(xiàn)，如果沒有，則需要先實現(xiàn)，確定其父類鏈，此時實例化的目的是為了確定父類鏈、ro、以及rw等，方法后續(xù)數(shù)據(jù)的讀取以及查找的循環(huán)

待分析3:
getMethodNoSuper_nolock方法：二分查找方法列表

image
  • 二分查找分析：二分查找操作的數(shù)據(jù)集是一個有序的數(shù)據(jù)集 ；
  • Sel 會轉(zhuǎn)成相應的數(shù)值，所以method_list_t是遞增的。

源碼中分析：

/***********************************************************************
 * search_method_list_inline
 **********************************************************************/
ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
    ASSERT(list);

    const method_t * const first = &list->first; //獲取list中第一個method_t 為first
    const method_t *base = first;//創(chuàng)建臨時method_t 為 base
    const method_t *probe;  // 創(chuàng)建method_t變量 probe
    uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key; //創(chuàng)建臨時SEL ：keyValue 等價于  key ; 類型 ： unsigned long  說明：方法名“sey666” 被轉(zhuǎn)換為一個unsigned long類型
    uint32_t count; //count = list->count 為方法列表的中方法的總個數(shù)

    //count >>= 1 右移1 位 ；就是除以2 即二分查找  舉例 8 >> 1 = 4
    //假如count = 8
    for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
        probe = base + (count >> 1);  //第一次循環(huán) 取下標為probe = 0 + 4 = 4 的method_t
        uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name; //獲取probe的unsigned long類型的方法名
        if (keyValue == probeValue) { // 這里做判斷 probe如果等于  keyValue（“say666”）
            while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) { // 查看是否是分類方法
                probe--; // 為什么找到了還-- ？因為防止類的分類方法也加載進來了 ，分類方法存儲滯后，所以可能本類的方法在前面 所以優(yōu)先取本類的方法
            }
            return (method_t *)probe;
        }
        if (keyValue > probeValue) { //如果keyValue> probeValue 讓 count-- 并且 base = probe + 1; 進入下一次二分查找
            base = probe + 1;
            count--;
        }
    }

    return nil;
}

二分查找流程圖學習：

image
  • 如果找不到就返回nil

待分析4:

  • 沒有找到方法實現(xiàn)，嘗試一次方法解析：動態(tài)方法決議和消息轉(zhuǎn)發(fā) 詳細請看下篇 。
    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //動態(tài)方法決議的控制條件
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

進入動態(tài)方法決議階段，源碼如下

static NEVER_INLINE IMP
resolveMethod_locked(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    runtimeLock.assertLocked();
    ASSERT(cls->isRealized());
    runtimeLock.unlock();
//判斷是否是元類
    if (! cls->isMetaClass()) {
        resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);//類執(zhí)行解析方式
    } 
    else {
        resolveClassMethod(inst, sel, cls); //元類執(zhí)行解析方式
        if (!lookUpImpOrNil(inst, sel, cls)) {
            resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);//類執(zhí)行解析方式
        }
    }
//重新進入 lookUpImpOrForward  根據(jù) behavior | LOOKUP_CACHE進行判斷執(zhí)行方式
    return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior | LOOKUP_CACHE);
}

三、簡單介紹消息轉(zhuǎn)發(fā)

在方法查找過程中，經(jīng)過緩存查找，方法列表查找和動態(tài)方法決議，如果以上步驟都沒有查找到IMP，會分如下兩步：

  1. 如果動態(tài)方法決議仍然沒有找到實現(xiàn)，則進行消息轉(zhuǎn)發(fā)：
image

2 .沒有進行方法動態(tài)決議，消息轉(zhuǎn)發(fā)也沒實現(xiàn)，那么就會進入最后一步，找不到imp就崩潰處理unrecognized selector sent to instance。
如下圖:

image

四、總結(jié)

  • 1.當在 objc_msgSend 緩存中沒有找到方法，就會來到 CheckMiss -> __objc_msgSend_uncached -> MethodTableLookup -> lookUpImpOrForward 進行慢速查找流程;
  • 2.在 lookUpImpOrForward 里面會先去本類當中查找方法 ;getMethodNoSuper_nolock ，本類沒有找到就會去遞歸的去父類當中查找。
  • 3.如果本類和父類都沒有找到，就會進行動態(tài)方法決議_class_resolveMethod ;
  • 4.動態(tài)方法我們還不處理，最后就會走到 將 imp 置換成 forward_imp ,
    最終到 _objc_forward_handler 方法 崩潰報錯 unrecognized selector sent to instance ...
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