Runtime底層原理--IMP查找流程、動態(tài)方法解析鸠踪、消息轉(zhuǎn)發(fā)源碼分析

Runtime底層原理

了解了Runtime函數(shù)含義丙者，我們就可以直接使用Runtime的API了，那接下來繼續(xù)探究Runtime的源碼营密，經(jīng)過源碼分析來更加深刻的了解Runtime原理械媒。

開發(fā)應(yīng)用

都知道Runtime很重要，但是有很多小伙伴根本不了解，或者只是知道可以替換方法啊纷捞、可以交換兩個方法的調(diào)用痢虹，項目中也用不到，
從進入iOS開始主儡，寫了無數(shù)個[[objc alloc] init]奖唯，這個到底在干嘛？初始化和init糜值？alloc和init到底做了什么丰捷？

通過匯編查看方法調(diào)用
        Person *person = [Person alloc];
        Person *person1 = [person init];
        Person *person2 = [person init];
        NSLog(@"%p-----%p------%p", person, person1, person2);

這里會輸出什么呢？

0x10102e1a0-----0x10102e1a0------0x10102e1a0

來寂汇，讓我們斷點看下病往，alloc和init是怎么調(diào)用的

objc_msgSend

我們看到調(diào)用alloc和init都調(diào)起了objc_msgSend，接下來跟著符號斷點走

libobjc
callAlloc

進入libobjc庫的dylib之后走+[NSObject alloc]方法健无，指針調(diào)起_objc_rootAlloc荣恐，進入_objc_rootAlloc方法，繼續(xù)調(diào)起callAlloc累贤，通過寄存器内斯，可以看到alloc已經(jīng)通過類創(chuàng)建實例對象

類對象

init按照同樣方法 依然可以通過匯編看出方法調(diào)用順序蟹倾，可以用真機進行測試并打印

通過編譯C++

當新的對象被創(chuàng)建時，其內(nèi)存同時被分配，實例變量也同時被初始化残拐。對象的第一個實例變量是一個指向該對象的類結(jié)構(gòu)的指針，叫做 isa错沽。通過該指針按灶，對象可以訪問它對應(yīng)的類以及相應(yīng)的父類。在 Objective-C 運行時系統(tǒng)中對象需要有 isa 指針始鱼，我們一般創(chuàng)建的從 NSObject 或者 NSProxy 繼承的對象都自動包括 isa 變量仔掸。接下來看下對象被創(chuàng)建的過程
首先，我們通過clang命令

$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o testMain.c++

也可以用clang -rewrite-objc main.m -o test.c++命令医清，只不過會有很多警告起暮、代碼會更長（大概9萬多行）。
編譯main函數(shù)中的OC代碼為C++代碼

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        Person *p = [[Person alloc] init];
        [p run];
  
    }
    return 0;
}

編譯后多一個testMain.c++文件会烙，打開后在代碼最后面會發(fā)現(xiàn)我們的main函數(shù)

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        Person *p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("run"));

    }
    return 0;
}

可以看出负懦，我們的方法調(diào)用會編譯成objc_msgSend，

person對象

由此還會發(fā)現(xiàn)對象的本質(zhì)其實就是一個結(jié)構(gòu)體

下層通訊(通過源碼查看objc_msgSend內(nèi)部實現(xiàn))

首先我們到蘋果open source官網(wǎng)下載最新源碼

源碼

在方法調(diào)用的時候柏腻，會發(fā)送objc_msgSend消息纸厉，objc_msgSend會根據(jù)sel找到函數(shù)實現(xiàn)的指針imp，進而執(zhí)行函數(shù)五嫂，那sel是如何找到imp的呢颗品？
objc_msgSend在發(fā)送消息時候根據(jù)sel查找imp有兩種方式

  • 快速（通過匯編的緩存快速查找）
  • 慢速（C配合C++、匯編一起查找）
    先看下objc_class
objc_class

bits中包含各種數(shù)據(jù)，cache（每個類都有一個）用來存儲方法select和imp抛猫，select和imp會以哈希表形式存在
objc_msgSend在快速查找的時候蟆盹，就是通過匯編查找objc_class中的cache，如果找到則直接返回闺金，否則通過C的lookup逾滥，找到后再存入cache

匯編部分快速查找

首先調(diào)用objc_msgSend會走到ENTRY

ENTRY

先判斷p0檢查是否為空和tagged pointer（特殊類型）判斷，調(diào)用LNilOrTagged進行isa處理败匹，通過isa找到相應(yīng)類class寨昙，最后調(diào)用LGetIsaDone來執(zhí)行CacheLookup在緩存中查找imp，如果查找到直接調(diào)起imp否則調(diào)起objc_msgSend_uncached掀亩，objc_msgSend_uncached有兩種情況

CacheLookup

首先舔哪，第一個是CacheHit，直接調(diào)起imp槽棍，第二個是CheckMiss捉蚤，之后調(diào)用objc_msgSend_uncached，第三個就是add炼七，下面是CacheHit和CheckMiss的宏

CacheLookup macro

那如果在緩存中沒有查找到imp缆巧，調(diào)起objc_msgSend_uncached，在方法列表中找到imp之后再TailCallFunctionPointer調(diào)起imp

    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
    
    MethodTableLookup      // 方法列表中找到imp
    TailCallFunctionPointer x17

重點:MethodTableLookup是怎么操作的

小知識點：通過method list查找method豌拙，下面是method_t的結(jié)構(gòu)陕悬，method其實是一個哈希表，sel和imp是鍵值對

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;       // 參數(shù)類型
    MethodListIMP imp;
    struct SortBySELAddress :
        public std::binary_function<const method_t&,
                                    const method_t&, bool>
    {
        bool operator() (const method_t& lhs,
                         const method_t& rhs)
        { return lhs.name < rhs.name; }
    };
};

進入MethodTableLookup之后按傅，調(diào)起了__class_lookupMethodAndLoadCache3捉超，如下圖

MethodTableLookup

__class_lookupMethodAndLoadCache3是C方法，再次進入_class_lookupMethodAndLoadCache3方法唯绍，注意拼岳，因為這里由匯編跳轉(zhuǎn)到C，所以要全局搜索_class_lookupMethodAndLoadCache3况芒，要刪去一個"_",下面是_class_lookupMethodAndLoadCache3函數(shù)

/***********************************************************************
* _class_lookupMethodAndLoadCache.
* Method lookup for dispatchers ONLY. OTHER CODE SHOULD USE lookUpImp().
* This lookup avoids optimistic cache scan because the dispatcher 
* already tried that.
**********************************************************************/
IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{
    return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, 
                              YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/);
}
C/C++部分查找

調(diào)起lookUpImpOrForward裂问，因為當前cls對象已經(jīng)經(jīng)過匯編編譯到結(jié)構(gòu)，有了isa牛柒，并且在cache中沒有找到，所以這里的initialize為YES痊乾，cache為NO皮壁，resolver為YES

image.png

進入lookUpImpOrForward，這里再次判斷是否存在cache哪审，如果有則直接快速查找蛾魄，但是這里是NO，所以不會走。接下來走checkIsKnownClass判斷是否是已經(jīng)聲明的類滴须，如果沒有則報錯"Attempt to use unknown class %p."舌狗，之后走realizeClass判斷是否已經(jīng)實現(xiàn)，如果就相應(yīng)賦值data扔水。

realizeClass

data賦值后走_class_initialize初始化cls痛侍，接下來開始retry操作。
前方高能
再次進行cache_getImp魔市，why主届？并發(fā)啊，還有重映射（在初始化init的時候有個remap（class）第一次通過匯編找不到待德，但是在加載類的時候?qū)Ξ斍邦愡M行重映射）

cache_getImp

接下來開始先在自己的class_rw_t的methods中根據(jù)sel查找方法返回method_t

method_t

如果拿到Method后保存到緩存中君丁，保證以后調(diào)用可以直接走匯編的CacheHit快速查找，如果拿不到則繼續(xù)從父類開始查找将宪，直到找到NSObject(因為NSObject的父類為nil)绘闷，如果找到imp則一樣保存在緩存中，如果到最后還是沒有查找到较坛，則進入動態(tài)方法解析印蔗。


父類查找方法
動態(tài)方法解析

如果前面一系列操作還是沒有找到方法，那么就會進行動態(tài)方法解析燎潮，動態(tài)方法解析只執(zhí)行一次

動態(tài)方法解析

首先執(zhí)行_class_resolveMethod喻鳄，這里會執(zhí)行+resolveClassMethod 或者 +resolveInstanceMethod。

class resolveMethod

先判斷當前cls是否為元類确封，如果是元類則執(zhí)行_class_resolveClassMethod除呵，再執(zhí)行_class_resolveInstanceMethod，如果不是元類則直接執(zhí)行_class_resolveInstanceMethod爪喘，_class_resolveInstanceMethod內(nèi)部調(diào)用objc_msgSend實現(xiàn)消息發(fā)送颜曾，對cls發(fā)送了SEL_resolveInstanceMethod類型的消息，所以在方法中會走到resolveInstanceMethod方法秉剑。

class resolveInstanceMethod

為什么元類最后也執(zhí)行了_class_resolveInstanceMethod方法呢泛豪？因為類方法以實例對象的形態(tài)存在元類里面，比如類方法中沒有找到方法侦鹏，會去元類中查找诡曙，元類中沒有再繼續(xù)去根元類中查找，最后會查到NSObject略水。

代碼示例：

.h實現(xiàn)

- (void)run;
+ (void)eat;

.m實現(xiàn)(沒有實現(xiàn)-run方法和+eat方法)

- (void)walk {
    NSLog(@"%s",__func__);
}
+ (void)drink {
    NSLog(@"%s",__func__);
}

// .m沒有實現(xiàn),并且父類也沒有,那么我們就開啟動態(tài)方法解析
//- (void)walk{
//    NSLog(@"%s",__func__);
//}
//+ (void)drink{
//    NSLog(@"%s",__func__);
//}


#pragma mark - 動態(tài)方法解析

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(run)) {
        // 我們動態(tài)解析我們的 對象方法
        NSLog(@"對象方法解析走這里");
        SEL walkSEL = @selector(walk);
        Method readM= class_getInstanceMethod(self, walkSEL);
        IMP readImp = method_getImplementation(readM);
        const char *type = method_getTypeEncoding(readM);
        return class_addMethod(self, sel, readImp, type);
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}


+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(eat)) {
        // 我們動態(tài)解析我們的 對象方法
        NSLog(@"類方法解析走這里");
        SEL drinkSEL = @selector(drink);
        // 類方法就存在我們的元類的方法列表
        // 類 類犯法
        // 元類 對象實例方法
        //        Method hellowordM1= class_getClassMethod(self, hellowordSEL);
        Method drinkM= class_getInstanceMethod(object_getClass(self), drinkSEL);
        IMP drinkImp = method_getImplementation(drinkM);
        const char *type = method_getTypeEncoding(drinkM);
        NSLog(@"%s",type);
        return class_addMethod(object_getClass(self), sel, drinkImp, type);
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
}
消息轉(zhuǎn)發(fā)

經(jīng)歷了動態(tài)方法決議還沒有找到价卤，會進入蘋果尚未開源的消息轉(zhuǎn)發(fā)，繼續(xù)查找方法渊涝，_objc_msgForward_impcache再次跨域到匯編慎璧。

消息轉(zhuǎn)發(fā)

走到__objc_msgForward_impcache后執(zhí)行__objc_msgForward

__objc_msgForward_impcache

沒有了源碼實現(xiàn)床嫌，但是我們可以通過instrumentObjcMessageSends函數(shù)來打印調(diào)用堆棧信息⌒厮剑可以進入instrumentObjcMessageSends內(nèi)部看下具體實現(xiàn)厌处。

instrumentObjcMessageSends

先判斷了是否可以寫入日志信息等，接下來同步日志文件

logMessageSend

所以我們每次運行會在/private/tmp文件下多一個msgSends-xxx文件岁疼，里面是所有調(diào)用過程

堆棧調(diào)用信息

如果還沒有找到的話最后會報錯調(diào)用__objc_forward_handler

__objc_forward_handler

這也是我們在方法報錯的時候會報unrecognized selector sent to instance %p " "(no message forward handler is installed)"錯誤的原因阔涉，會提示出元類信息，+或者-方法五续，方法的名字還有SEL方法編號

代碼示例：
#pragma mark - 實例對象消息轉(zhuǎn)發(fā)

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    //    if (aSelector == @selector(run)) {
    //        // 轉(zhuǎn)發(fā)給Student對象
    //        return [Student new];
    //    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    if (aSelector == @selector(run)) {
        // forwardingTargetForSelector 沒有實現(xiàn)洒敏，就只能方法簽名了
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    NSLog(@"%s",__func__);
    NSLog(@"------%@-----",anInvocation);
    anInvocation.selector = @selector(walk);
    [anInvocation invoke];
}

#pragma mark - 類消息轉(zhuǎn)發(fā)

+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
//

+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    if (aSelector == @selector(walk)) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    NSLog(@"%s",__func__);
    
    NSString *sto = @"奔跑吧";
    anInvocation.target = [Student class];
    [anInvocation setArgument:&sto atIndex:2];
    NSLog(@"%@",anInvocation.methodSignature);
    anInvocation.selector = @selector(run:);
    [anInvocation invoke];
}

現(xiàn)在我們應(yīng)該也知道了為什么objc_msgSend的源碼用的匯編，因為匯編可以通過寄存器x0-x31來保留未知參數(shù)來跳轉(zhuǎn)到任意的指針疙驾，還有匯編更高效一點凶伙，而C滿足不了。

言而總之它碎，總而言之

Runtime就是C函荣、C++、匯編實現(xiàn)的一套API扳肛，給OC增加的一個運行時功能傻挂，也就是我們平時所說的運行時。
在運行工程時工程會被裝載到內(nèi)存挖息，來提供運行時功能金拒。

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