objc_msgSend流程分析

一.什么是 Runtime？

  • 我們都知道，將源代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的程序，通常要經(jīng)過三個步驟：編譯、鏈接、運行。不同的編譯語言，在這三個步驟中所進行的操作又有些不同。
  • C 語言 作為一門靜態(tài)類語言，在編譯階段就已經(jīng)確定了所有變量的數(shù)據(jù)類型，同時也確定好了要調(diào)用的函數(shù)，以及函數(shù)的實現(xiàn)。
  • 而 Objective-C 語言 是一門動態(tài)語言。在編譯階段并不知道變量的具體數(shù)據(jù)類型，也不知道所真正調(diào)用的哪個函數(shù)。只有在運行時間才檢查變量的數(shù)據(jù)類型，同時在運行時才會根據(jù)函數(shù)名查找要調(diào)用的具體函數(shù)。這樣在程序沒運行的時候，我們并不知道調(diào)用一個方法具體會發(fā)生什么。
  • Objective-C 語言 把一些決定性的工作從編譯階段、鏈接階段推遲到 運行時階段 的機制，使得 Objective-C 變得更加靈活。我們甚至可以在程序運行的時候，動態(tài)的去修改一個方法的實現(xiàn)，這也為大為流行的『熱更新』提供了可能性。
  • 而實現(xiàn) Objective-C 語言 運行時機制 的一切基礎(chǔ)就是 Runtime。
  • Runtime 實際上是一個庫，這個庫使我們可以在程序運行時動態(tài)的創(chuàng)建對象、檢查對象，修改類和對象的方法

Runtime交互的三種方式

  • Objective-C Code直接調(diào)用，比如直接調(diào)用方法[self say]、#selector()等。

  • Framework&Serivce，比如NSSelectorFromString、isKindeofClass、isMemberOfClass等方法。

  • RuntimeAPI，比如sel_registerName、class_getInstanceSize等底層方法。

  • runtime 特性：動態(tài)類型,動態(tài)綁定,動態(tài)加載

二.objc_msgSend探索

1.什么是objc_msgSend?官方文檔給出這么一個解釋

When it encounters a method call, the compiler generates a call to one of the functions objc_msgSend, objc_msgSend_stret, objc_msgSendSuper, or objc_msgSendSuper_stret. Messages sent to an object’s superclass (using the super keyword) are sent using objc_msgSendSuper; other messages are sent using objc_msgSend. Methods that have data structures as return values are sent using objc_msgSendSuper_stret and objc_msgSend_stret.

大概意思是：
遇到方法調(diào)用時，編譯器會生成對objc_msgSend，objc_msgSend_stret，objc_msgSendSuper或objc_msgSendSuper_stret函數(shù)之一的調(diào)用。 發(fā)送到對象超類的消息（使用super關(guān)鍵字）是使用objc_msgSendSuper發(fā)送的； 其他消息使用objc_msgSend發(fā)送。 使用objc_msgSendSuper_stret和objc_msgSend_stret`發(fā)送具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為返回值的方法。

2.準備可運行objc源碼工程

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool { 
        PHPerson * person = [[PHPerson alloc]init];
        Class cls = object_getClass(person);
        [person doFirst];
        [person doSecond];
        [person doThird];
        NSLog(@"");
    }
    return 0;
}
  • 新建一個PHPerson類，對象方法doFirst/doSecond/doThird
  • cd到當前工程main.m文件所在到文件夾
  • 執(zhí)行 clang -rewrite-objc main.m 轉(zhuǎn)成.cpp文件
  • 找到.cpp文件
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        PHPerson * person = ((PHPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((PHPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("PHPerson"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        Class cls = object_getClass(person);
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("doFirst"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("doSecond"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("doThird"));
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_4j_v597272j6kb0q7g5x72k3xhw0000gn_T_main_d18b1e_mi_0);
    }
    return 0;
}

每次調(diào)用方法的時候都會存在((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("方法名"));
3.斷點調(diào)試

  • 下斷點


  • 開啟匯編調(diào)試




結(jié)果：我們通過給objc_msgSend下符號斷點得知objc_msgSend函數(shù)在我們的libobjc.A.dylib中。

4.匯編分析(筆者匯編不大懂，查資料理解，不正確的地方希望多多指正)

  • 關(guān)掉匯編分析，下符號斷點，并重新運行工程。


    image.png

    跳轉(zhuǎn)到_objc_msg-x86_64.s下 根據(jù)r10 = self->isa 可知此過程是獲取對象的isa指針


  • 接下來我們在libobjc.A.dylib中來查看我們的objc_msgSend源碼。

  • 由于app真機環(huán)境下基于arm64架構(gòu)，我們以objc-msg-arm64.s為研究對象。

我們發(fā)現(xiàn)objc_msgSend使用匯編來實現(xiàn)的，為什么要用匯編來實現(xiàn)呢？有以下幾點原

  • 匯編更加容易被機器識別，效率更高。
  • C語言中不可以通過一個函數(shù)來保留未知的參數(shù)并且跳轉(zhuǎn)到任意的函數(shù)指針。C語言沒有滿足這些事情的必要特性。
  • 截取部分代碼
    ENTRY _objc_msgSend
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
    NilTest NORMAL
    GetIsaFast NORMAL       // r10 = self->isa
    // calls IMP on success
    CacheLookup NORMAL, CALL, _objc_msgSend
    NilTestReturnZero NORMAL

    GetIsaSupport NORMAL

我們可以看到在獲取isa之后在方法的緩存列表繼續(xù)查找

  • 緩存查找

全局搜索CacheLookup

image.png

截取代碼

.macro CacheLookup
LLookupStart$1:

    // p1 = SEL, p16 = isa
    ldr p11, [x16, #CACHE]              // p11 = mask|buckets

#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets
    and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    and p10, p11, #~0xf         // p10 = buckets
    and p11, p11, #0xf          // p11 = maskShift
    mov p12, #0xffff
    lsr p11, p12, p11               // p11 = mask = 0xffff >> p11
    and p12, p1, p11                // x12 = _cmd & mask
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif

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

    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket
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:  // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    add p12, p12, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    add p12, p12, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif
{imp, sel} = *bucket
    // Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
    // The slow path may detect any corruption and halt later.

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

LLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3:  // double wrap
    JumpMiss $0

.endmacro

可以看到CacheHit和CheckMiss兩個函數(shù)，CacheHit是命中緩存（call or return imp，方法返回的imp指針），CheckMiss是沒有在緩存方法列表找到方法的函數(shù)，此時主要分析CheckMiss這個函數(shù)內(nèi)部

.macro CheckMiss
    // miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP
    cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
    cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
    cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

由于現(xiàn)在的$0是NORMAL，繼續(xù)查找__objc_msgSend_uncached，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部都調(diào)用了MethodTableLookup函數(shù)返回

  • arm64架構(gòu)下MethodTableLookup函數(shù)部分源碼

.macro MethodTableLookup
    
....
    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    bl  _lookUpImpOrForward
....
    mov sp, fp
    ldp fp, lr, [sp], #16
    AuthenticateLR
.endmacro

內(nèi)部調(diào)用了_lookUpImpOrForward函數(shù)，看看這個函數(shù)內(nèi)部干了啥

IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
...
}
  • 注釋中有一段比較重要段話翻譯如下

runtimeLock在isrealization和isInitialized檢查期間被保持，以防止與并發(fā)實現(xiàn)的競爭。runtimeLock在方法搜索期間進行，使方法查找+緩存填充相對于方法添加具有原子性。
否則，可能會添加一個類別，但會無限期地忽略它，因為在緩存刷新后會用舊值重新填充緩存。

if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) {
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) goto done_nolock;
   }

如果sel == initialize，則class_initialize將發(fā)送+initialize，然后信使將在此過程結(jié)束后再次發(fā)送+initialize。當然，如果這不是被信使調(diào)用，那么它不會發(fā)生。

if (slowpath(!cls->isRealized())) {
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) {
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

遞歸超找父類方法緩存列表


可以看到在查找方法實現(xiàn)的時候有個cache_getImp函數(shù)，繼續(xù)跟進

END_ENTRY _cache_getImp


/********************************************************************
*
* id _objc_msgForward(id self, SEL _cmd,...);
*
* _objc_msgForward is the externally-callable
*   function returned by things like method_getImplementation().
* _objc_msgForward_impcache is the function pointer actually stored in
*   method caches.
*
********************************************************************/
    STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache
    // No stret specialization.
    b   __objc_msgForward
    END_ENTRY __objc_msgForward_impcache

    ENTRY __objc_msgForward

    adrp    x17, __objc_forward_handler@PAGE
    ldr p17, [x17, __objc_forward_handler@PAGEOFF]
    TailCallFunctionPointer x17

    END_ENTRY __objc_msgForward
    cache_fill
    ENTRY _objc_msgSend_noarg
    b   _objc_msgSend
    END_ENTRY _objc_msgSend_noarg
realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked
    ENTRY _objc_msgSend_debug
    b   _objc_msgSend
    END_ENTRY _objc_msgSend_debug

    ENTRY _objc_msgSendSuper2_debug
    b   _objc_msgSendSuper2
    END_ENTRY _objc_msgSendSuper2_debug

    ENTRY _method_invoke
    // x1 is method triplet instead of SEL
    add p16, p1, #METHOD_IMP
    ldr p17, [x16]
    ldr p1, [x1, #METHOD_NAME]
    TailCallMethodListImp x17, x16
    END_ENTRY _method_invoke

注釋的一段話大概意思是:_objc_msgForward是外部可調(diào)用的函數(shù)，由method_getImplementation()等函數(shù)返回。_objc_msgForward_impcache是實際存儲在方法緩存中的函數(shù)指針。

method_getImplementation(Method m)
{
    return m ? m->imp : nil;
}

三.總結(jié)

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