在 Effective Objective-C 2.0 - 52 Specific Ways to Improve Your iOS and OS X Programs 一书中, tip 11 主要讲述了Objective-C中的消息传递机制。这也是Objective-C在C的基础上,做的最基础也是最重要的封装。
C中的函数调用方式,是使用的静态绑定(static binding),即 在编译期就能决定运行时所应调用的函数 。而在Objective-C中,如果向某对象传递消息,就会使用动态绑定机制来决定需要调用的方法。而对于Objective-C的底层实现,都是C的函数。对象在收到消息之后,调用了哪些方法,完全取决于Runtime来决定,甚至可以在Runtime期间改变。
一般地,对对象发送消息,我们使用这种写法:
id returnValue = [DGObject test];
其中 someObject
为接收者(receiver), messageName
为选择子(selector)。当Compiler看的这条语句时,会将其转换成为一条标准的消息传递的C函数, objc_msgSend
,形如:
void objc_msgSend(id self, SEL cmd, ...)
其中, SEL
也就是之前对应的选择子,即为此文讨论的重点。我们对应的写出之前代码在Compiler处理后的C语句:
id returnValue = objc_msgSend(DGObject, @selector(test));
对于 SEL
类型,也就是我们经常使用的 @selector()
,在很多的书籍资料中的定义是这样:
typedef struct objc_selector *SEL;
而至于这个 objc_selector
的结构体是如何定义的,这就要取决于我们Runtime框架的类型,在iOS开发中,我们使用的是Apple的 <objc/runtime.h>
(GNU也有Runtime的framework)。在OS X中 SEL
被映射成为一个C字符串(char[]),这个字符串也就是方法名。
我们在lldb中,进行测试:
(图释: test
是在 DGObject
Class中已经定义的方法名,而 not_define_test
和 not_define_test_2
没有定义)
第一行我们验证了 @selector
是一个char[]类型。其他的结果我们可以总结出: @selector()
选择子 只与函数名有关 。而且还有一个规律,那就是倘若选择子方法已经在编译期由Compiler进行静态绑定,则其存储的地址就会更加的具体。
发送消息所依托的选择子只与函数名有关,我们便可以猜想到为什么Objective-C中没有像C++、C#那样的 函数重载 特性,因为 选择子并不由参数和函数名共同决定 。
那么为什么要有这个选择子呢?在 从源代码看 ObjC 中消息的发送 一文中,作者 Draveness 对其原因进行了推断:
@selector()
时会从这个选择子表中根据选择子的名字查找对应的 SEL
。如果没有找到,则会生成一个 SEL
并添加到表中 @selector()
生成的选择子加入到选择子表中 在选择子拿到对应的地址后, objc_msgSend
会依据接收者与选择子的类型来调用适当方法。为了学习此过程,我从 opensource.apple.com的git仓库中 clone了Runtime源码,并在 x86_64
架构下macOS环境进行运行。
另外,我在整个工程中增加了一个Class:
// DGObject.h @interface DGObject : NSObject - (void)test; @end // DGObject.m #import "DGObject.h" @implementation DGObject - (void)test { printf("Hello World. "); } @end
并在main入口函数中进行改动:
int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { DGObject *obj = [[DGObject alloc]init]; NSLog(@"%p", @selector(test)); [obj test]; } return 0; }
然后我们在 objc-runtime-new.mm
中,进行debug。为了研究清楚Runtime是如何查询到调用函数,我们在 lookUpImpOrForward
下断点。当程序执行 [obj test]
后,我们发现到达断点位置,并且观察此时的调用栈情况:
objc_msgSend
并不是直接调用查询方法,而是先调用了 _class_lookupMethodAndLoadCache3
这个函数。看下它的源码:
IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls){ return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/); }
_class_lookupMethodAndLoadCache3
就好像一个中转函数,并给出了在查询IMP指针前默认参量的几个布尔值。而由于我们的方法没有进行方法转发,则直接调用了 _class_lookupMethodAndLoadCache3
这个函数。而当对象在收到无法解读的消息之后,即启动消息转发机制,这时候应该会进入 lookUpImpOrNil
这个方法。这也是objc_msgSend的一种优化方式。
这里还要注意一点,就是关于Cache的默认参数是 NO
,因为在objc_msgSend中已经进行过缓存查询。以下是objc_msgSend的汇编实现:
ENTRY _objc_msgSend MESSENGER_START // NilTest:宏,判断被发送消息的对象是否为nil。 // 如果为nil直接返回。 NilTest NORMAL // GetIsaFast快速获取isa指针地址,并放入r11寄存器 GetIsaFast NORMAL // r11 = self->isa // 查找类缓存中selector的IMP指针,并放到r10寄存器 // 如果不存在,则在class的方法list中查询 CacheLookup NORMAL // calls IMP on success // NilTest的许可量以及GetIsaFast的许可量 NilTestSupport NORMAL GetIsaSupport NORMAL // cache miss: go search the method lists LCacheMiss: // isa still in r11 // MethodTableLoopup这个宏是__class_lookupMethodAndLoadCache3函数的入口 // 调用条件是在缓存中没有查询到方法对应IMP MethodTableLookup %a1, %a2 // r11 = IMP cmp %r11, %r11 // set eq (nonstret) for forwarding jmp *%r11 // goto *imp END_ENTRY _objc_msgSend
趁热打铁,再来看一下 MethodTableLoopup 这个宏的实现:
.macro MethodTableLookup MESSENGER_END_SLOW SaveRegisters // _class_lookupMethodAndLoadCache3(receiver, selector, class) // 从a1, a2, a3中分别拿到对应参数 movq $0, %a1 movq $1, %a2 movq %r11, %a3 // 调用__class_lookupMethodAndLoadCache3 call __class_lookupMethodAndLoadCache3 // IMP is now in %rax // 将IMP从r11挪至rax movq %rax, %r11 RestoreRegisters .endmacro
而在 objc-msg-x86_64.s
中有多个以objc_msgSend为前缀的方法,这个是根据返回值类型和调用者类型分别处理的,我列举三个常用的
objc_msgSend_stret | 待发送的消息要返回结构体 前提是只有当CPU的寄存器能够容纳的下消息返回类型。 |
---|---|
objc_msgSend_fpret | 消息返回的是浮点数。 因为某些架构的CPU调用函数,需要对浮点数寄存器做特殊处理。 |
objc_msgSendSuper | 需要向superClass发送消息时调用。 |
之后我们随着调用栈往上看,在接受到消息入口的命令后,Runtime要开始进行查找方法的操作,源码如下:
IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, bool initialize, bool cache, bool resolver) { Class curClass; IMP imp = nil; Method meth; bool triedResolver = NO; runtimeLock.assertUnlocked(); // 检查是否添加缓存锁,如果没有进行缓存查询。 // 查到便返回IMP指针 if (cache) { imp = cache_getImp(cls, sel); if (imp) return imp; } // 通过调用realizeClass方法,分配可读写`class_rw_t`的空间 if (!cls->isRealized()) { rwlock_writer_t lock(runtimeLock); realizeClass(cls); } // 倘若未进行初始化,则初始化 if (initialize && !cls->isInitialized()) { _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst)); } // 保证方法查询,并进行缓存填充(cache-fill) retry: runtimeLock.read(); // 是否忽略GC垃圾回收机制(仅用在macOS中) if (ignoreSelector(sel)) { imp = _objc_ignored_method; cache_fill(cls, sel, imp, inst); goto done; } // 当前类的缓存列表中进行查找 imp = cache_getImp(cls, sel); if (imp) goto done; // 从类的方法列表中进行查询 meth = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel); if (meth) { log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, cls); imp = meth->imp; goto done; } // 从父类中循环遍历 curClass = cls; while ((curClass = curClass->superclass)) { // 父类的缓存列表中查询 imp = cache_getImp(curClass, sel); if (imp) { if (imp != (IMP)_objc_msgForward_impcache) { // 如果在父类中发现方法,则填充到该类缓存列表 log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); goto done; } else { break; } } // 从父类的方法列表中查询 meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel); if (meth) { log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, curClass); imp = meth->imp; goto done; } } // 进入method resolve过程 if (resolver && !triedResolver) { runtimeLock.unlockRead(); // 调用_class_resolveMethod,解析没有实现的方法 _class_resolveMethod(cls, sel, inst); // 进行二次尝试 triedResolver = YES; goto retry; } // 没有找到方法,启动消息转发 imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; cache_fill(cls, sel, imp, inst); done: runtimeLock.unlockRead(); return imp; }
以上就是整个的查找方法流程,然后我们再对其中的一些方法逐一解读。
static method_t *getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel) { runtimeLock.assertLocked(); // 遍历所在类的methods,这里的methods是List链式类型,里面存放的都是指针 for (auto mlists = cls->data()->methods.beginLists(), end = cls->data()->methods.endLists(); mlists != end; ++mlists) { method_t *m = search_method_list(*mlists, sel); if (m) return m; } return nil; }
这里的对于 class 存储方式,我在以后的博文中会分析其存储结构。
而对于没有实现方法的解析过程中,会有以下过程:
void _class_resolveMethod(Class cls, SEL sel, id inst) { if (! cls->isMetaClass()) { // try [cls resolveInstanceMethod:sel] // 针对于对象方法的操作 // 这个方法是动态方法解析中,当收到无法解读的消息后调用。 // 这个方法也会用在@dynamic,以后会在消息转发机制的源码分析中介绍 _class_resolveInstanceMethod(cls, sel, inst); } else { // try [nonMetaClass resolveClassMethod:sel] // and [cls resolveInstanceMethod:sel] // 针对于类方法的操作,说明同上 _class_resolveClassMethod(cls, sel, inst); // 再次启动查询,并且判断是否拥有缓存中消息标记_objc_msgForward_impcache if (!lookUpImpOrNil(cls, sel, inst, NO/*initialize*/, YES/*cache*/, NO/*resolver*/)) { // 说明可能不是 metaclass 的方法实现,当做对象方法尝试 _class_resolveInstanceMethod(cls, sel, inst); } } }
来单步调试一下程序,由于我们的test方法属于正常的类方法,所以会进入正常地查询类方法列表中查到,进入done函数块,返回到objc_msgSend方法,最终会到我们的函数调用位置:
来简单总结一下在第一次调用某个对象方法的消息传递流程:当代码执行到某个对象(第一次)调用某个方法后,首先会确定这个方法的接收者和选择子,并组装成C的objc_msgSend函数形式,启动消息传递机制。
objc_msgSend函数是使用汇编语言实现的,其中我们先尝试的从缓存表中(也就是常说的快速映射表)查询缓存,倘若查询失败,则会将具体的类对象、选择子、接收者在指定的内存单元中存储,并调用 __class_lookupMethodAndLoadCache3
函数。 __class_lookupMethodAndLoadCache3
我们俗称为 在方法列表中查询的入口函数 ,他会直接调用 lookUpImpOrForward
进行查询方法对应的IMP指针。由于我们是方法函数,在获取方法列表后,即可查询到IMP指针。由于是第一次调用,则会把我们的方法加入缓存,并goto到done代码块,返回IMP指针。当objc_msgSend接收到IMP指针后存储至 rax
寄存器,返回调用函数位置,完成整个消息传递流程。
其实消息传递及转发流程是一个相对来说比较复杂的机制。本文所讲述的流程是我们最常见的一种形式。在之后的消息传递与转发的博文中,还会更加深入的探讨这一机制相关流程并深入的阅读源码。
若想查看更多的iOS Source Probe文章,收录在这个 Github仓库中 。
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