Runtime 系列文章
深入淺出 Runtime(一):初識(shí)
深入淺出 Runtime(二):數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
深入淺出 Runtime(三):消息機(jī)制
深入淺出 Runtime(四):super 的本質(zhì)
深入淺出 Runtime(五):具體應(yīng)用
深入淺出 Runtime(六):相關(guān)面試題
目錄
- 1. objc_object
- 2. objc_class
2.1 class_data_bits_t
2.2 cache_t
?2.2.1 緩存查找流程
?2.2.2 緩存添加流程
?2.2.3 緩存擴(kuò)容流程- 3. isa指針
3.1 isa 與 superclass 指針指向
3.2 類對(duì)象(class)與元類對(duì)象(meta-class)
3.3 獲得 class 或者 meta-class 的方式- 4. method_t
4.1 SEL
4.2 IMP
4.3 Type Encodings
1. objc_object
Objective-C
的面向?qū)ο蠖际腔?code>C/C++的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)的饼暑。
我們平時(shí)使用的所有對(duì)象都是id
類型,id
類型對(duì)象對(duì)應(yīng)到runtime
中楷掉,就是objc_object
結(jié)構(gòu)體绍些。
// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
/*...
isa操作相關(guān)
弱引用相關(guān)
關(guān)聯(lián)對(duì)象相關(guān)
內(nèi)存管理相關(guān)
...
*/
};
2. objc_class
Class
指針用來(lái)指向一個(gè) Objective-C 的類炫加,它是objc_class
結(jié)構(gòu)體類型汛聚,所以class嵌赠、meta-class
底層結(jié)構(gòu)都是objc_class
結(jié)構(gòu)體叫榕,objc_class
繼承自objc_object
,所以它也有isa
指針详炬,它也是對(duì)象盐类。
// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass; // 指向父類
cache_t cache; // 方法緩存 formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // 用于獲取具體的類信息 class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
};
2.1 class_data_bits_t
-
class_data_bits_t
主要是對(duì)class_rw_t
的封裝,可以通過(guò)bits & FAST_DATA_MASK
獲得class_rw_t
呛谜。
struct class_data_bits_t {
// Values are the FAST_ flags above.
uintptr_t bits;
public:
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
};
-
class_rw_t
代表了類相關(guān)的讀寫信息在跳,它是對(duì)class_ro_t
的封裝; -
class_rw_t
中主要存儲(chǔ)著類的方法列表隐岛、屬性列表猫妙、協(xié)議列表等; -
class_rw_t
里面的methods
聚凹、properties
割坠、protocols
都繼承于list_array_tt
二維數(shù)組,是可讀可寫的妒牙,包含了類的初始內(nèi)容彼哼、分類的內(nèi)容。
struct class_rw_t {
// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_array_t methods; // 方法列表
property_array_t properties; // 屬性列表
protocol_array_t protocols; // 協(xié)議列表
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
};
-
class_ro_t
代表了類相關(guān)的只讀信息湘今; -
class_ro_t
中主要存儲(chǔ)著類的成員變量列表敢朱、類名等; -
class_ro_t
里面的baseMethodList
摩瞎、baseProtocols
拴签、ivars
、baseProperties
是一維數(shù)組愉豺,是只讀的篓吁,包含了類的初始內(nèi)容; - 一開(kāi)始類的信息都存放在
class_ro_t
里蚪拦,當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)杖剪,經(jīng)過(guò)一系列的函數(shù)調(diào)用棧,在realizeClass()
函數(shù)中驰贷,將class_ro_t
里的東西和分類的東西合并起來(lái)放到class_rw_t
里盛嘿,并讓bits
指向class_rw_t
。
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; // instance對(duì)象占用的內(nèi)存空間
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name; // 類名
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; // 成員變量列表
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};
-
method_array_t
與method_list_t
括袒。
2.2 cache_t
- 用于快速查找方法執(zhí)行函數(shù)次兆;
- 是可增量擴(kuò)展的哈希表結(jié)構(gòu),用哈希表來(lái)緩存曾經(jīng)使用過(guò)的方法锹锰,可以提高方法的查找速度(空間換時(shí)間:犧牲內(nèi)存空間來(lái)?yè)Q取執(zhí)行效率)芥炭;
- 是局部性原理的最佳應(yīng)用(比如一些方法調(diào)用的頻率高漓库,存放到
cache
中,下一次調(diào)用這些方法的命中率就會(huì)更高些)园蝠; - hash 函數(shù)式為
f(@selector()) = index, @selector() & _mask
渺蒿; - 當(dāng)我們調(diào)用過(guò)一個(gè)方法后,
runtime
會(huì)將這個(gè)方法緩存到cache
中彪薛,下次再調(diào)用此方法的時(shí)候茂装,runtime
會(huì)優(yōu)先去cache
中查找。
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets; // 哈希表
mask_t _mask; // 哈希表的長(zhǎng)度 - 1
mask_t _occupied; // 已經(jīng)緩存的方法數(shù)量
};
struct bucket_t {
private:
cache_key_t _key; // SEL
IMP _imp; // IMP 函數(shù)的內(nèi)存地址
};
2.2.1 緩存查找流程
//objc-cache.mm(objc4)
bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver) // 根據(jù) k 即 @selector 進(jìn)行查找
{
assert(k != 0);
bucket_t *b = buckets(); // 獲取_buckets
mask_t m = mask(); // 獲取_mask
mask_t begin = cache_hash(k, m); // 計(jì)算起始索引
mask_t i = begin;
do {
// 根據(jù)索引 i 從 _buckets 哈希表中取值
// 如果取出來(lái)的 bucket_t 的 _key = 0善延,說(shuō)明在索引的位置上還沒(méi)有緩存過(guò)方法少态,返回該 bucket_t,中止緩存查詢易遣,用于 cache_fill_nolock() 函數(shù)
// 如果取出來(lái)的 bucket_t 的 _key = k彼妻,說(shuō)明查詢成功,返回該 bucket_t
if (b[i].key() == 0 || b[i].key() == k) {
return &b[i];
}
// 在 __arm64__ 下將索引 i -1豆茫,繼續(xù)查找澳骤,反向遍歷 _buckets 哈希表
// 直到 i 指向首個(gè)元素即索引 = 0 時(shí),將 mask 賦值給 i澜薄,使其指向哈希表最后一個(gè)元素,繼續(xù)反向遍歷
// 如果此時(shí)還沒(méi)有找到 k 對(duì)應(yīng)的 bucket_t 摊册,或者是空的 bucket_t 肤京,則循環(huán)結(jié)束,查找失敗茅特,調(diào)用 bad_cache() 函數(shù)
// 接下來(lái)去類對(duì)象中 class_rw_t 中的 methods 查找
} while ((i = cache_next(i, m)) != begin);
// hack
Class cls = (Class)((uintptr_t)this - offsetof(objc_class, cache));
cache_t::bad_cache(receiver, (SEL)k, cls);
}
static inline mask_t cache_hash(cache_key_t key, mask_t mask)
{
return (mask_t)(key & mask);
}
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
// return (i+1) & mask; // __arm__ || __x86_64__ || __i386__
return i ? i-1 : mask; // __arm64__
}
2.2.2 緩存添加流程
//objc-cache.mm(objc4)
static void cache_fill_nolock(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
cacheUpdateLock.assertLocked();
// Never cache before +initialize is done
if (!cls->isInitialized()) return; // 如果類還未初始化忘分,直接返回
// Make sure the entry wasn't added to the cache by some other thread
// before we grabbed the cacheUpdateLock.
if (cache_getImp(cls, sel)) return; // 可能有其它線程搶先將該方法緩存了,所以要檢查一次緩存白修,如果存在妒峦,直接返回
cache_t *cache = getCache(cls); // ??取出該 class 的 cache_t
cache_key_t key = getKey(sel); // ??根據(jù) sel 獲得 _key
// Use the cache as-is if it is less than 3/4 full
mask_t newOccupied = cache->occupied() + 1; // 將 cache_t 的 _occupied 即已經(jīng)緩存的方法數(shù)量 + 1,這里只是為了判斷 +1 后緩存容量是否滿
mask_t capacity = cache->capacity(); // 獲得緩存容量 = _mask + 1
if (cache->isConstantEmptyCache()) { // 如果緩存是只讀的兵睛,重新申請(qǐng)緩存空間
// Cache is read-only. Replace it.
cache->reallocate(capacity, capacity ?: INIT_CACHE_SIZE); // 申請(qǐng)新的緩存空間肯骇,并釋放舊的
}
else if (newOccupied <= capacity / 4 * 3) { // ??如果當(dāng)前已經(jīng)緩存的方法數(shù)量 +1 <= 緩存容量的 3/4,就繼續(xù)往下操作
// Cache is less than 3/4 full. Use it as-is.
}
else { // ??如果以上條件不滿足祖很,說(shuō)明緩存已滿笛丙,進(jìn)行緩存擴(kuò)容
// Cache is too full. Expand it.
cache->expand();
}
// Scan for the first unused slot and insert there. // 掃描第一個(gè)未使用的插槽(bucket_t)并將其插入
// There is guaranteed to be an empty slot because the // 必然會(huì)有一個(gè)空的插槽(bucket_t)
// minimum size is 4 and we resized at 3/4 full. // 因?yàn)樽钚〈笮∈?,我們調(diào)整為3/4滿
bucket_t *bucket = cache->find(key, receiver); // ??調(diào)用 find() 函數(shù)進(jìn)行一次緩存查找假颇,必然會(huì)得到一個(gè)空的 bucket_t
if (bucket->key() == 0) cache->incrementOccupied(); // ??如果該 bucket_t 為空胚鸯,將 _occupied 即已經(jīng)緩存的方法數(shù)量 + 1
bucket->set(key, imp); // ??添加緩存
}
void cache_fill(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
#if !DEBUG_TASK_THREADS
mutex_locker_t lock(cacheUpdateLock);
cache_fill_nolock(cls, sel, imp, receiver);
#else
_collecting_in_critical();
return;
#endif
}
2.2.3 緩存擴(kuò)容流程
- ① 設(shè)置新的緩存
bucket_t
,容量 = 舊的兩倍笨鸡; - ② 設(shè)置新的
_mask
=bucket_t
長(zhǎng)度 - 1姜钳; - ③ 釋放舊的緩存(在
runtime
動(dòng)態(tài)交換方法實(shí)現(xiàn)時(shí)也會(huì)釋放緩存)坦冠。
//objc-cache.mm(objc4)
void cache_t::expand()
{
cacheUpdateLock.assertLocked();
uint32_t oldCapacity = capacity();
// ??將緩存擴(kuò)容為原來(lái)的兩倍,如果是首次調(diào)用哥桥,設(shè)置緩存容量的初始值為 4
uint32_t newCapacity = oldCapacity ? oldCapacity*2 : INIT_CACHE_SIZE;
if ((uint32_t)(mask_t)newCapacity != newCapacity) {
// mask overflow - can't grow further
// fixme this wastes one bit of mask
newCapacity = oldCapacity;
}
reallocate(oldCapacity, newCapacity); // ??申請(qǐng)新的緩存空間辙浑,并釋放舊的
}
enum {
INIT_CACHE_SIZE_LOG2 = 2,
INIT_CACHE_SIZE = (1 << INIT_CACHE_SIZE_LOG2)
};
void cache_t::reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity)
{
bool freeOld = canBeFreed(); // ??判斷一下緩存是不是空的,如果為空泰讽,就沒(méi)必要釋放空間
bucket_t *oldBuckets = buckets();
bucket_t *newBuckets = allocateBuckets(newCapacity);
// Cache's old contents are not propagated.
// This is thought to save cache memory at the cost of extra cache fills.
// fixme re-measure this
assert(newCapacity > 0);
assert((uintptr_t)(mask_t)(newCapacity-1) == newCapacity-1);
setBucketsAndMask(newBuckets, newCapacity - 1);
if (freeOld) {
cache_collect_free(oldBuckets, oldCapacity);
cache_collect(false);
}
}
bool cache_t::canBeFreed()
{
return !isConstantEmptyCache();
}
bool cache_t::isConstantEmptyCache()
{
return
occupied() == 0 &&
buckets() == emptyBucketsForCapacity(capacity(), false);
}
- 更多關(guān)于
cache_t
的內(nèi)容例衍,請(qǐng)查看:
深入淺出 Runtime(三):消息機(jī)制
3. isa 指針
-
isa
指針用來(lái)維護(hù)對(duì)象和類之間的關(guān)系,并確保對(duì)象和類能夠通過(guò)isa
指針找到對(duì)應(yīng)的方法已卸、實(shí)例變量佛玄、屬性、協(xié)議等累澡; - 在 arm64 架構(gòu)之前梦抢,
isa
就是一個(gè)普通的指針,直接指向objc_class
愧哟,存儲(chǔ)著Class
奥吩、Meta-Class
對(duì)象的內(nèi)存地址。instance
對(duì)象的isa
指向class
對(duì)象蕊梧,class
對(duì)象的isa
指向meta-class
對(duì)象霞赫; - 從 arm64 架構(gòu)開(kāi)始,對(duì)
isa
進(jìn)行了優(yōu)化肥矢,變成了一個(gè)共用體(union
)結(jié)構(gòu)端衰,還使用位域來(lái)存儲(chǔ)更多的信息。將 64 位的內(nèi)存數(shù)據(jù)分開(kāi)來(lái)存儲(chǔ)著很多的東西甘改,其中的 33 位才是拿來(lái)存儲(chǔ)class
旅东、meta-class
對(duì)象的內(nèi)存地址信息。要通過(guò)位運(yùn)算將isa
的值& ISA_MASK
掩碼十艾,才能得到class
抵代、meta-class
對(duì)象的內(nèi)存地址。
struct objc_object {
Class isa; // 在 arm64 架構(gòu)之前
};
struct objc_object {
private:
isa_t isa; // 在 arm64 架構(gòu)開(kāi)始
};
union isa_t
{
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
#if SUPPORT_PACKED_ISA
// extra_rc must be the MSB-most field (so it matches carry/overflow flags)
// nonpointer must be the LSB (fixme or get rid of it)
// shiftcls must occupy the same bits that a real class pointer would
// bits + RC_ONE is equivalent to extra_rc + 1
// RC_HALF is the high bit of extra_rc (i.e. half of its range)
// future expansion:
// uintptr_t fast_rr : 1; // no r/r overrides
// uintptr_t lock : 2; // lock for atomic property, @synch
// uintptr_t extraBytes : 1; // allocated with extra bytes
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL // 用來(lái)取出 Class忘嫉、Meta-Class 對(duì)象的內(nèi)存地址
# define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
struct {
uintptr_t nonpointer : 1; // 0:代表普通的指針荤牍,存儲(chǔ)著 Class、Meta-Class 對(duì)象的內(nèi)存地址
// 1:代表優(yōu)化過(guò)榄融,使用位域存儲(chǔ)更多的信息
uintptr_t has_assoc : 1; // 是否有設(shè)置過(guò)關(guān)聯(lián)對(duì)象参淫,如果沒(méi)有,釋放時(shí)會(huì)更快
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; // 是否有C++的析構(gòu)函數(shù)(.cxx_destruct)愧杯,如果沒(méi)有涎才,釋放時(shí)會(huì)更快
uintptr_t shiftcls : 33; // 存儲(chǔ)著 Class、Meta-Class 對(duì)象的內(nèi)存地址信息
uintptr_t magic : 6; // 用于在調(diào)試時(shí)分辨對(duì)象是否未完成初始化
uintptr_t weakly_referenced : 1; // 是否有被弱引用指向過(guò),如果沒(méi)有耍铜,釋放時(shí)會(huì)更快
uintptr_t deallocating : 1; // 對(duì)象是否正在釋放
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; // 如果為1邑闺,代表引用計(jì)數(shù)過(guò)大無(wú)法存儲(chǔ)在 isa 中,那么超出的引用計(jì)數(shù)會(huì)存儲(chǔ)在一個(gè)叫 SideTable 結(jié)構(gòu)體的 RefCountMap(引用計(jì)數(shù)表)哈希表中
uintptr_t extra_rc : 19; // 里面存儲(chǔ)的值是引用計(jì)數(shù) retainCount - 1
# define RC_ONE (1ULL<<45)
# define RC_HALF (1ULL<<18)
};
};
3.1 isa 與 superclass 指針指向
3.2 類對(duì)象(class)與元類對(duì)象(meta-class)
-
class
棕兼、meta-class
底層結(jié)構(gòu)都是objc_class
結(jié)構(gòu)體陡舅,objc_class
繼承自objc_object
,所以它也有isa
指針伴挚,所以它也是對(duì)象靶衍; -
class
中存儲(chǔ)著實(shí)例方法、成員變量茎芋、屬性颅眶、協(xié)議等信息,
meta-class
中存儲(chǔ)著類方法等信息田弥; -
isa
指針和superclass
指針的指向(如上圖)涛酗; - 基類的
meta-class
的superclass
指向基類的class
,
決定了一個(gè)性質(zhì):當(dāng)我們調(diào)用一個(gè)類方法偷厦,會(huì)通過(guò)class
的isa
指針找到meta-class
商叹,在meta-class
中查找有無(wú)該類方法,如果沒(méi)有只泼,再通過(guò)meta-class
的superclass
指針逐級(jí)查找父meta-class
剖笙,一直找到基類的meta-class
如果還沒(méi)找到該類方法的話,就會(huì)去找基類的class
中同名的實(shí)例方法的實(shí)現(xiàn)请唱。
3.3 獲得 class 或者 meta-class 的方式
- 獲得 class 有 3 種方式
- (Class)class;
+ (Class)class;
Class object_getClass(id obj); // 傳參:instance 對(duì)象
- 獲得 meta-class 只有 1 種方式
Class object_getClass(id obj); // 傳參:Class 對(duì)象
示例代碼如下
NSObject *object1 = [NSObject alloc] init];
NSObject *object2 = [NSObject alloc] init];
// objectClass1 ~ objectClass5 都是 NSObject 的類對(duì)象
Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass2 = [object2 class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
Class objectClass4 = object_getClass(object1);
Class objectClass5 = object_getClass(object2);
// objectMetaClass1 ~ objectMetaClass4 都是 NSObject 的元類對(duì)象
Class objectMetaClass1 = object_getClass([object1 class];
Class objectMetaClass2 = object_getClass([NSObject class]);
Class objectMetaClass3 = object_getClass(object_getClass(object1));
Class objectMetaClass4 = object_getClass(objectClass5);
方法實(shí)現(xiàn)
- (Class)class {
return object_getClass(self);
}
+ (Class)class {
return self;
}
Class object_getClass(id obj)
{
if (obj) return obj->getIsa();
else return Nil;
}
objc_object::getIsa()
{
if (!isTaggedPointer()) return ISA();
......
}
objc_object::ISA()
{
assert(!isTaggedPointer());
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
if (isa.nonpointer) {
uintptr_t slot = isa.indexcls;
return classForIndex((unsigned)slot);
}
return (Class)isa.bits;
#else
return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}
#if __ARM_ARCH_7K__ >= 2
# define SUPPORT_INDEXED_ISA 1
#else
# define SUPPORT_INDEXED_ISA 0
#endif
3.4 為什么要設(shè)計(jì) meta-class 枯途?
目的是將實(shí)例和類的相關(guān)方法列表以及構(gòu)建信息區(qū)分開(kāi)來(lái),方便各司其職籍滴,符合單一職責(zé)設(shè)計(jì)原則。
4. method_t
-
Method
就是method_t
類型的指針榴啸; -
method_t
是對(duì)方法/函數(shù)的封裝(函數(shù)四要素:函數(shù)名孽惰、返回值、參數(shù)鸥印、函數(shù)體)勋功。
typedef struct method_t *Method;
struct method_t {
SEL name; // 方法名
const char *types; // 編碼(返回值類型、參數(shù)類型)
IMP imp; // 方法的地址/實(shí)現(xiàn)
};
4.1 SEL
- SEL 又稱“選擇器”库说,它是一個(gè)指向方法的
selector
的指針狂鞋,代表方法/函數(shù)名; - SEL 維護(hù)在一個(gè)全局的 Map 中潜的,所以它是全局唯一的骚揍,不同類中相同名字的方法的 SEL 是相同的。
typedef struct objc_selector *SEL;
- SEL 可以通過(guò)以下方式獲得
SEL sel1 = @selector(selector);
SEL sel2 = sel_registerName("selector");
SEL sel3 = NSSelectorFromString(@"selector");
- SEL 可以通過(guò)以下方式轉(zhuǎn)換成字符串
char *string1 = sel_getName(sel1);
NSString *string2 = NSStringFromSelector(sel1);
4.2 IMP
- IMP 是指向方法實(shí)現(xiàn)的函數(shù)指針;
- 我們調(diào)用方法信不,實(shí)際上就是根據(jù)方法 SEL 查找 IMP嘲叔;
-
method_t
實(shí)際上相當(dāng)于在 SEL 和 IMP 之間做了一個(gè)映射。
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);
#endif
4.3 Type Encodings
- Type Encodings 編碼技術(shù)就是配合
runtime
的技術(shù)抽活,把一個(gè)方法的返回值類型硫戈、參數(shù)類型通過(guò)字符串的形式描述; -
@encode()
指令可以將類型轉(zhuǎn)換為 Type Encodings 字符串編碼下硕,
如@encode(int)
=i
丁逝; -
OC
方法都有兩個(gè)隱式參數(shù),方法調(diào)用者(id)self
和方法名(SEL) _cmd
梭姓,所以我們才能在方法中使用self
和_cmd
霜幼; - 如
-(void)test
,它的編碼為“v16@0:8
”糊昙,可以簡(jiǎn)寫為“v@:
”
v
:代表返回值類型為 void
@
:代表參數(shù) 1 類型為 id
:
:代表參數(shù) 2 類型為 SEL
16
:代表所有參數(shù)所占的總字節(jié)數(shù)
0
:代表參數(shù) 1 從第幾個(gè)字節(jié)開(kāi)始存儲(chǔ)
8
:代表參數(shù) 2 從第幾個(gè)字節(jié)開(kāi)始存儲(chǔ) - 下圖為類型對(duì)應(yīng)的 Type Encodings 編碼:
- Type Encodings 在
runtime
的消息轉(zhuǎn)發(fā)中會(huì)使用到辛掠; - 更多關(guān)于 Type Encodings 的內(nèi)容,可以查看官方文檔 Type Encodings释牺。
?