在iOS開發(fā)中，我們常常會(huì)調(diào)用各種方法，既包括對(duì)象方法也包括類方法牍汹，那我們方法調(diào)用內(nèi)部到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢铐维？我們今天就來一起探索一下。

一慎菲、objc_msgSend和objc_msgSendSuper

首先嫁蛇，創(chuàng)建工程，并新建一個(gè)LPPerson類露该，并添加一個(gè)對(duì)象方法和一個(gè)類方法睬棚。并在main.m中完成調(diào)用：

@interface LPPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *lgName;
@property (nonatomic, strong) NSString *nickName;

- (void)sayHello;
+ (void)sayHi;
}
@implementation LPPerson
- (void)sayHello{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
+ (void)sayHi{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
@end


@interface LPSon : LPPerson

@end


int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        LPPerson *person = [LPPerson alloc];
        [person sayHello];
        [LPPerson sayHi];    
    }
    return 0;
}

然后我們使用clang編譯器胆数，將main.m編譯成main.cpp看下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)见秤。因?yàn)榇a很多，并且main在最后撬碟，所以我們直接滑到最后即可：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 


        LPPerson *person = ((LPPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LPPerson"), sel_registerName("alloc"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LPPerson"), sel_registerName("sayHi"));

    }
    return 0;
}

可以看到撵摆，不管是對(duì)象方法還是類方法底靠，包括alloc方法他們都是調(diào)用了一個(gè)叫做objc_msgSend的函數(shù)。它的字面意思就是消息發(fā)送特铝，在Objc源碼中進(jìn)行全局查找：

objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, ...)
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
objc_msgSendSuper(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

我們看到有objc_msgSend和objc_msgSendSuper這兩個(gè)函數(shù)暑中，他們的都有兩個(gè)參數(shù)：

• 第一個(gè)參數(shù)：表示消息接收者
• 第二個(gè)參數(shù)SEL：表示需要執(zhí)行的方法

既然我們調(diào)用方法就是執(zhí)行了消息發(fā)送，那我們是不是可以直接調(diào)用objc_msgSend或者objc_msgSendSuper呢鲫剿？
我們實(shí)驗(yàn)一下：

• 1鳄逾、首先導(dǎo)入#import <objc/message.h>

• 2、在main.m中添加以下代碼：

#import <objc/message.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        LPPerson *person = [LPPerson alloc];
        [person sayHello];
        objc_msgSend(person,sel_registerName("sayHello"));
        [LPPerson sayHi];
        objc_msgSend(objc_getClass("LPPerson"),sel_registerName("sayHi"));
    }
    return 0;
}

• 3灵莲、但是發(fā)現(xiàn)報(bào)錯(cuò)了：

image.png

這是因?yàn)橄到y(tǒng)默認(rèn)開啟的方法檢查严衬，我們需要手動(dòng)關(guān)閉。在target下選中當(dāng)前target笆呆，選擇buildSetting请琳，然后搜索msg，將Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls設(shè)置為NO即可：

image.png

現(xiàn)在直接運(yùn)行：

2020-09-22 16:13:47.379526+0800[44411:14029752] -[LPPerson sayHello]
2020-09-22 16:13:47.380326+0800[44411:14029752] -[LPPerson sayHello]
2020-09-22 16:13:47.380457+0800[44411:14029752] +[LPPerson sayHi]
2020-09-22 16:13:47.380536+0800[44411:14029752] +[LPPerson sayHi]

結(jié)果證明赠幕，直接通過objc_msgSend調(diào)用方法是可以的俄精，objc_msgSendSuper也是一樣的，又興趣的同學(xué)可以自己試驗(yàn)一下榕堰。

總結(jié)：方法調(diào)用的本質(zhì)就是消息發(fā)送竖慧，具體是調(diào)用runtime中objc_msgSend和objc_msgSendSuper函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

那么objc_msgSend和objc_msgSendSuper中又是如何查找方法sel和imp呢逆屡？接下里我們就來從源碼中一探究竟圾旨，因?yàn)?code>objc_msgSend和objc_msgSendSuper內(nèi)部邏輯實(shí)際是一樣的，所以我們接下來主要分析objc_msgSend原理魏蔗。

二砍的、objc_msgSend原理

進(jìn)入源碼中，我們可以發(fā)現(xiàn)objc_msgSend是使用匯編實(shí)現(xiàn)的莺治，這是因?yàn)閰R編主要的特性是：
速度快：匯編更容易被機(jī)器識(shí)別廓鞠。
方法參數(shù)的動(dòng)態(tài)性：匯編調(diào)用函數(shù)時(shí)傳遞的參數(shù)是不確定的帚稠，那么發(fā)送消息時(shí)，直接調(diào)用一個(gè)函數(shù)就可以發(fā)送所有的消息：
而在iOS中床佳，方法查找有兩種實(shí)現(xiàn)方式：

• 快速查找滋早，從cache中查找，也就是我們前面講到的cache_t中存儲(chǔ)的緩存
• 慢速查找砌们，從methodList中查找以及消息轉(zhuǎn)發(fā)杆麸，下一篇我們會(huì)講到

在Objc源碼中搜索objc_msgSend，前面提到了objc_msgSend是基于匯編的浪感，所以我們直接以.s結(jié)尾的文件角溃，然后找到ENTRY _objc_msgSend即可：

image.png

    ENTRY _objc_msgSend
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
        ///P0是objc_msgSend的第一個(gè)參數(shù)，即消息接受者篮撑，這里需要判斷消息接受者是否為空
    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check
 ///判斷是支持tagged_pointer
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)
//再次判斷消息接受者是否為空
#else
    b.eq    LReturnZero
#endif
        ///獲取當(dāng)前消息接受者的isa
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa
        ///獲取當(dāng)前消息接受者的class
    GetClassFromIsa_p16 p13     // p16 = class
LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached
        ///緩存中尋找imp
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend

接下來减细，我們繼續(xù)查看CacheLookup的源碼：
全局搜索CacheLookup，同樣找.s結(jié)尾的文件赢笨，如下圖所示：

image.png

.macro CacheLookup
LLookupStart$1:

    // p1 = SEL, p16 = isa    
        //第一步：通過內(nèi)存平移16字節(jié)獲取當(dāng)前的mask_buckets
    ldr p11, [x16, #CACHE]              // p11 = mask|buckets

#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
        //第二步：獲取buckets    通過p11 & 0x0000ffffffffffff 得到后48位 buckets
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets
         //第三步：獲取hash 搜索下標(biāo)：邏輯右移48位 得到mask未蝌；然后p1 & mask給p12 得到hash存儲(chǔ)的key
    and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask
         ///此處不會(huì)執(zhí)行
#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

    //第四步：p12是獲取到的下標(biāo)，然后邏輯左移4位茧妒，再由p10(buckets)平移萧吠，得到對(duì)應(yīng)的bucket保存到p12中
    add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))
     ///第五步：1、將p12屬性imp 和 sel分別賦值為p17 和 p9
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket
///第五步：2桐筏、判斷當(dāng)前bucket的sel和傳入的sel是否相等
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
///第五步：3纸型、如果不相同，則跳入2f
    b.ne    2f          //     scan more
///第五步：4梅忌、如果相同狰腌，命中緩存，直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp
///第五步：5牧氮、 沒有找到 進(jìn)入2f 
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
///第五步：6琼腔、如果p12(在第四步獲取到的bucket) == p10(在第二步獲取到的buckets)，說明p12指針已經(jīng)到了buckets的首地址了踱葛。
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
///第五步：7丹莲、如果相等 跳入3f
    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
///第五步：8、再將p12的指針指到buckets的最后一個(gè)元素
    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

    // Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
    // The slow path may detect any corruption and halt later.
///第五步：9尸诽、然后在繼續(xù)查找甥材，直到找到或者再次 bucket 與 buckets再次相等，跳出循環(huán)性含。
    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

上述流程大概分為5個(gè)步驟洲赵。接下來我們具體分析下：

• 第一步：獲取mask_buckets

struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
......
}

前面我們已經(jīng)分析過objc_class，知道其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以我們?cè)谀玫疆?dāng)前類的首地址后板鬓，因?yàn)?code>isa和superclass各占8個(gè)字節(jié)悲敷，所以我們?cè)谀玫疆?dāng)前類的首地址后究恤，我們平移16個(gè)字節(jié)俭令，即可獲取到cache的地址。

• 第二步：獲取buckets

同樣的部宿，我們知道在arm64也就是真機(jī)中抄腔，cache的首地址是_maskAndBuckets，我們查看_maskAndBuckets的源碼：

{
    uintptr_t buckets = (uintptr_t)newBuckets;
    uintptr_t mask = (uintptr_t)newMask;
    
    ASSERT(buckets <= bucketsMask);
    ASSERT(mask <= maxMask);
    //maskShift 是 48 
    //將mask左移48位只留下16位理张，剩余的補(bǔ)0赫蛇，
    _maskAndBuckets.store(((uintptr_t)newMask << maskShift) | (uintptr_t)newBuckets, std::memory_order_relaxed);
    _occupied = 0;
}

通過源碼我們可以發(fā)現(xiàn)，mask有左右48位雾叭，所以·高16位 | 低48位 = mask | buckets
因此悟耘，我們將p11 & 0x0000ffffffffffff獲取到低48位，即buckets织狐。

• 第三步：獲取hash 搜索下標(biāo)

在前面cache_t我們有分析到暂幼，方法存儲(chǔ)到cache中，是使用hash算法存儲(chǔ)移迫，其中開始下標(biāo)則是 sel & mask旺嬉。

static inline mask_t cache_hash(SEL sel, mask_t mask) 
{
    return (mask_t)(uintptr_t)sel & mask;
}

所以我們要拿到下標(biāo)，就需要分別拿到mask和sel：

• mask:上面有看到在_maskAndBuckets中mask左移48位厨埋，所以我們要取到mask邪媳，只需要_maskAndBuckets右移48位即可

• sel：object_msgSend中傳入的兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)是消息接受者荡陷，即isa雨效，也就是P0。第二個(gè)就是sel废赞，即P1

• 第四步：根據(jù)下標(biāo)找到對(duì)應(yīng)的bucket

#if __arm64__

#if __LP64__
// true arm64

#define SUPPORT_TAGGED_POINTERS 1
#define PTR .quad
#define PTRSIZE 8
#define PTRSHIFT 3  // 1<<PTRSHIFT == PTRSIZE
// "p" registers are pointer-sized
#define UXTP UXTX
...

搜索源碼找到PTRSHIFT设易，發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)宏定義，值是3蛹头。而我們知道顿肺，buckets是一個(gè)數(shù)組，如果想得到數(shù)組中的元素 我們可以根據(jù)首地址進(jìn)行指針平移獲取到對(duì)應(yīng)下標(biāo)的值渣蜗。

將第三步獲取的P12開始下標(biāo) 邏輯左移4位 或者 可以理解為 bucket是有sel和imp兩個(gè)屬性組成屠尊，每個(gè)屬性都是8個(gè)字節(jié)的大小，所以bucket的大小是16耕拷。

將buckets指針平移上一步得到的值讼昆，然后將平移后的bucket存到p12中。

• 第五步：根據(jù)bucket中的sel查找

  • 1骚烧、將bucket中的屬性屬性imp 和 sel分別賦值為p17 和p9
  • 2浸赫、判斷當(dāng)前bucket的sel和傳入的sel是否相等：如果相等返回對(duì)應(yīng)imp=>p17;不相等進(jìn)入2f闰围。
  • 3、此時(shí)是不相等既峡，2f部分羡榴，這是一個(gè)循環(huán)。由于匯編中的查找是向上查找运敢，所以p12-1獲取到上一個(gè)bucket指針校仑。如果當(dāng)前p12 bucket與buckets的首地址(第一個(gè)元素)相等，那么就直接跳入3f部分传惠。
  • 4迄沫、此時(shí)是p12 bucket與buckets的首地址(第一個(gè)元素)相等，3f部分卦方。
  • 5羊瘩、mask是buckets數(shù)組的個(gè)數(shù)減一，將mask左移4位盼砍，
  • 6尘吗、將buckets首地址地址平移上一步的結(jié)果，就到了buckets的最后一位衬廷，再將buckets最后一位的指針地址賦值給p12摇予，
  • 7、然后在繼續(xù)進(jìn)行比較sel吗跋，如果有相等就返回相應(yīng)的imp侧戴，如果沒有相等則就繼續(xù)向上查詢。
  • 8跌宛、 如果p12又一次指到的首地址酗宋，那么說明整個(gè)buckets中不存在方法sel，則退出循環(huán)疆拘，并返回
    具體流程可以參考下圖：
    
    objc_msgSend流程分析.png

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