本文的主要目的是理解objc_msgSend的方法查找流程

在分析之前龙考，首先了解什么是Runtime

Runtime 介紹

runtime稱(chēng)為運(yùn)行時(shí)晦款，它區(qū)別于編譯時(shí)

• 運(yùn)行時(shí) 是代碼跑起來(lái)枚冗，被裝載到內(nèi)存中的過(guò)程赁温，如果此時(shí)出錯(cuò)，則程序會(huì)崩潰酝陈，是一個(gè)動(dòng)態(tài)階段

• 編譯時(shí) 是源代碼翻譯成機(jī)器能識(shí)別的代碼的過(guò)程沉帮，主要是對(duì)語(yǔ)言進(jìn)行最基本的檢查報(bào)錯(cuò)穆壕，即詞法分析喇勋、語(yǔ)法分析等，是一個(gè)靜態(tài)的階段

runtime的使用有以下三種方式贰拿，其三種實(shí)現(xiàn)方法與編譯層和底層的關(guān)系如圖所示

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

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

• Runtime API
  比如sel_registerName嫡锌、class_getInstanceSize等底層方法势木。

方法的本質(zhì)

使用clang編譯main.cpp文件啦桌，通過(guò)查看main函數(shù)中方法調(diào)用的實(shí)現(xiàn)甫男，如下所示

//main.m中方法的調(diào)用
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
[person sayNB];
[person sayHello];

//??clang編譯后的底層實(shí)現(xiàn)
LGPerson *person = ((LGPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayNB"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));

通過(guò)上述代碼可以看出板驳，方法的本質(zhì)就是objc_msgSend消息發(fā)送

驗(yàn)證

1. 注意：
   1、直接調(diào)用objc_msgSend慨蓝，需要導(dǎo)入頭文件#import <objc/message.h>
   2礼烈、需要將target --> Build Setting -->搜索msg -- 將enable strict checking of obc_msgSend calls由YES 改為NO此熬，將嚴(yán)厲的檢查機(jī)制關(guān)掉滑进，否則objc_msgSend的參數(shù)會(huì)報(bào)錯(cuò)
2. 驗(yàn)證代碼

LGPerson *person = [LGPerson alloc];   
objc_msgSend(person,sel_registerName("sayNB"));
[person sayNB];

• 打印結(jié)果

結(jié)論：方法的本質(zhì)就是objc_msgSend消息發(fā)送

我們還可以嘗試讓person的調(diào)用執(zhí)行父類(lèi)中實(shí)現(xiàn)峡碉，通過(guò)objc_msgSendSuper實(shí)現(xiàn)

• 定義兩個(gè)類(lèi)：LGPerson 和 LGTeacher驮审，父類(lèi)中實(shí)現(xiàn)了sayHello方法

• main中的調(diào)用

LGPerson *person = [LGPerson alloc];
LGTeacher *teacher = [LGTeacher alloc];
[person sayHello];

struct objc_super lgsuper;
lgsuper.receiver = person; //消息的接收者還是person
lgsuper.super_class = [LGTeacher class]; //告訴父類(lèi)是誰(shuí)
    
//消息的接受者還是自己 - 父類(lèi) - 請(qǐng)你直接找我的父親
objc_msgSendSuper(&lgsuper, sel_registerName("sayHello"));

發(fā)現(xiàn)不論是[person sayHello]還是objc_msgSendSuper都執(zhí)行的是父類(lèi)中sayHello的實(shí)現(xiàn)疯淫，所以這里熙掺，我們可以作一個(gè)猜測(cè)：方法調(diào)用缆镣，首先是在類(lèi)中查找董瞻，如果類(lèi)中沒(méi)有找到，會(huì)到類(lèi)的父類(lèi)中查找挟秤。

帶著我們的猜測(cè)艘刚，下面我們來(lái)探索objc_msgSend的源碼實(shí)現(xiàn)

objc_msgSend 快速查找流程分析

先給一副Cooci老師的objc_msgSend流程分析圖

objc_msgSend流程分析

在objc4源碼中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)objc_msgSend是使用匯編實(shí)現(xiàn)的攀甚，匯編主要的特性是：

• 速度快：匯編更容易被機(jī)器識(shí)別云稚。
• 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)是不確定的静陈，那么發(fā)送消息時(shí)诞丽，直接調(diào)用一個(gè)函數(shù)就可以發(fā)送所有的消息僧免。

1. objc_msgSend 匯編源碼分析

//---- 消息發(fā)送 -- 匯編入口--objc_msgSend主要是拿到接收者的isa信息
ENTRY _objc_msgSend 
//---- 無(wú)窗口
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame 
    
//---- p0 和空對(duì)比懂衩，即判斷接收者是否存在，其中p0是objc_msgSend的第一個(gè)參數(shù)-消息接收者receiver
    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check 
//---- le小于 --支持taggedpointer（小對(duì)象類(lèi)型）的流程
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative) 
#else
//---- p0 等于 0 時(shí)牵敷，直接返回 空
    b.eq    LReturnZero 
#endif 
//---- p0即receiver 肯定存在的流程
//---- 根據(jù)對(duì)象拿出isa 枷餐，即從x0寄存器指向的地址 取出 isa毛肋，存入 p13寄存器
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa 
//---- 在64位架構(gòu)下通過(guò) p16 = isa（p13） & ISA_MASK润匙，拿出shiftcls信息饼丘，得到class信息
    GetClassFromIsa_p16 p13     // p16 = class 
LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached 
//---- 如果有isa，走到CacheLookup 即緩存查找流程油啤，也就是所謂的sel-imp快速查找流程
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend

#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged:
//---- 等于空益咬，返回空
    b.eq    LReturnZero     // nil check 

    // tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #60, #4
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    adrp    x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGE
    add x10, x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEOFF
    cmp x10, x16
    b.ne    LGetIsaDone

    // ext tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #52, #8
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    b   LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endif

LReturnZero:
    // x0 is already zero
    mov x1, #0
    movi    d0, #0
    movi    d1, #0
    movi    d2, #0
    movi    d3, #0
    ret

    END_ENTRY _objc_msgSend

主要有以下幾步

• 【一】判斷objc_msgSend方法的第一個(gè)參數(shù)receiver是否為空幽告，cmp p0, #0
  • 如果支持SUPPORT_TAGGED_POINTERS冗锁，跳轉(zhuǎn)至LNilOrTagged
    • 如果小對(duì)象為空冻河，則直接返回空茉帅，即LReturnZero
    • 如果小對(duì)象不為空堪澎，則處理小對(duì)象的isa虫溜，走到【第二步】
  • 如果即不是小對(duì)象，receiver也不為空藕甩，有以下兩步
    • 從receiver中取出isa存入p13寄存器土匀，
    • 通過(guò) GetClassFromIsa_p16中就轧，arm64架構(gòu)下通過(guò) isa & ISA_MASK 獲取shiftcls位域的類(lèi)信息妒御，即class乎莉，GetClassFromIsa_p16的匯編實(shí)現(xiàn)如下，然后走到【第二步】

.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */
//---- 此處用于watchOS
#if SUPPORT_INDEXED_ISA 
    // Indexed isa
//---- 將isa的值存入p16寄存器
    mov p16, $0         // optimistically set dst = src 
    tbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f  // done if not non-pointer isa -- 判斷是否是 nonapointer isa
    // isa in p16 is indexed
//---- 將_objc_indexed_classes所在的頁(yè)的基址 讀入x10寄存器
    adrp    x10, _objc_indexed_classes@PAGE 
//---- x10 = x10 + _objc_indexed_classes(page中的偏移量) --x10基址 根據(jù) 偏移量 進(jìn)行 內(nèi)存偏移
    add x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
//---- 從p16的第ISA_INDEX_SHIFT位開(kāi)始，提取 ISA_INDEX_BITS 位 到 p16寄存器异希，剩余的高位用0補(bǔ)充
    ubfx    p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS  // extract index 
    ldr p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT] // load class from array
1:

//--用于64位系統(tǒng)
#elif __LP64__ 
    // 64-bit packed isa
//---- p16 = class = isa & ISA_MASK(位運(yùn)算 & 即獲取isa中的shiftcls信息)
    and p16, $0, #ISA_MASK 

#else
    // 32-bit raw isa ---- 用于32位系統(tǒng)
    mov p16, $0

#endif

.endmacro

• 【第二步】獲取isa完畢称簿，進(jìn)入慢速查找流程CacheLookup NORMAL

//６杳薄８眯铩４寡摹８浮！＞呕稹２砑ぁＢ嵌Α键痛！重點(diǎn)Ｐ醵獭６∑怠！Ｂ＜荨！Ｊ览健６揽酢！Ａ攘选Ｇ锻荨！封恰！
.macro CacheLookup 
    //
    // Restart protocol:
    //
    //   As soon as we're past the LLookupStart$1 label we may have loaded
    //   an invalid cache pointer or mask.
    //
    //   When task_restartable_ranges_synchronize() is called,
    //   (or when a signal hits us) before we're past LLookupEnd$1,
    //   then our PC will be reset to LLookupRecover$1 which forcefully
    //   jumps to the cache-miss codepath which have the following
    //   requirements:
    //
    //   GETIMP:
    //     The cache-miss is just returning NULL (setting x0 to 0)
    //
    //   NORMAL and LOOKUP:
    //   - x0 contains the receiver
    //   - x1 contains the selector
    //   - x16 contains the isa
    //   - other registers are set as per calling conventions
    //
LLookupStart$1:

//---- p1 = SEL, p16 = isa --- #define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__)麻养，其中 __SIZEOF_POINTER__表示pointer的大小 诺舔，即 2*8 = 16
//---- p11 = mask|buckets -- 從x16（即isa）中平移16字節(jié)鳖昌，取出cache 存入p11寄存器 -- isa距離cache 正好16字節(jié)：isa（8字節(jié)）-superClass（8字節(jié)）-cache（mask高16位 + buckets低48位）
    ldr p11, [x16, #CACHE]              
//---- 64位真機(jī)
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16 
//--- p11(cache) & 0x0000ffffffffffff ，mask高16位抹零低飒，得到buckets 存入p10寄存器-- 即去掉mask许昨，留下buckets
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets 
    
//--- p11(cache)右移48位，得到mask（即p11 存儲(chǔ)mask）褥赊，mask & p1(msgSend的第二個(gè)參數(shù) cmd-sel) 糕档，得到sel-imp的下標(biāo)index（即搜索下標(biāo)） 存入p12（cache insert寫(xiě)入時(shí)的哈希下標(biāo)計(jì)算是 通過(guò) sel & mask，讀取時(shí)也需要通過(guò)這種方式）
    and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask 

//--- 非64位真機(jī)
#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

//--- p12是下標(biāo) p10是buckets數(shù)組首地址拌喉，下標(biāo) * 1<<4(即16) 得到實(shí)際內(nèi)存的偏移量速那，通過(guò)buckets的首地址偏移，獲取bucket存入p12寄存器
//--- LSL #(1+PTRSHIFT)-- 實(shí)際含義就是得到一個(gè)bucket占用的內(nèi)存大小 -- 相當(dāng)于mask = occupied -1-- _cmd & mask -- 取余數(shù)
    add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)   
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT)) -- PTRSHIFT是3
                     
//--- 從x12（即p12）中取出 bucket 分別將imp和sel 存入 p17（存儲(chǔ)imp） 和 p9（存儲(chǔ)sel）
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket 
    
//--- 比較 sel 與 p1（傳入的參數(shù)cmd）
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd) 
//--- 如果不相等尿背，即沒(méi)有找到端仰，請(qǐng)?zhí)D(zhuǎn)至 2f
    b.ne    2f          //     scan more 
//--- 如果相等 即cacheHit 緩存命中，直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp 
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
//--- 如果一直都找不到田藐， 因?yàn)槭莕ormal 荔烧，跳轉(zhuǎn)至__objc_msgSend_uncached
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0 
//--- 判斷p12（下標(biāo)對(duì)應(yīng)的bucket） 是否 等于 p10（buckets數(shù)組第一個(gè)元素，）汽久，如果等于茴晋，則跳轉(zhuǎn)至第3步
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets 
//--- 定位到最后一個(gè)元素（即第一個(gè)bucket）
    b.eq    3f 
//--- 從x12（即p12 buckets首地址）- 實(shí)際需要平移的內(nèi)存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二個(gè)bucket元素回窘，imp-sel分別存入p17-p9，即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket 
//--- 跳轉(zhuǎn)至第1步市袖，繼續(xù)對(duì)比 sel 與 cmd
    b   1b          // loop 

3:  // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//--- 人為設(shè)置到最后一個(gè)元素
//--- p11（mask）右移44位 相當(dāng)于mask左移4位啡直，直接定位到buckets的最后一個(gè)元素烁涌，緩存查找順序是向前查找
    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.
//--- 再查找一遍緩存()
//--- 拿到x12（即p12）bucket中的 imp-sel 分別存入 p17-p9
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket 
    
//--- 比較 sel 與 p1（傳入的參數(shù)cmd）
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd) 
//--- 如果不相等，即走到第二步
    b.ne    2f          //     scan more 
//--- 如果相等 即命中酒觅，直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp  
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
//--- 如果一直找不到撮执，則CheckMiss
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0 
//--- 判斷p12（下標(biāo)對(duì)應(yīng)的bucket） 是否 等于 p10（buckets數(shù)組第一個(gè)元素）-- 表示前面已經(jīng)沒(méi)有了，但是還是沒(méi)有找到
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets 
    b.eq    3f //如果等于舷丹，跳轉(zhuǎn)至第3步
//--- 從x12（即p12 buckets首地址）- 實(shí)際需要平移的內(nèi)存大小BUCKET_SIZE抒钱，得到得到第二個(gè)bucket元素，imp-sel分別存入p17-p9颜凯，即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket 
//--- 跳轉(zhuǎn)至第1步谋币，繼續(xù)對(duì)比 sel 與 cmd
    b   1b          // loop 

LLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3:  // double wrap
//--- 跳轉(zhuǎn)至JumpMiss 因?yàn)槭莕ormal ，跳轉(zhuǎn)至__objc_msgSend_uncached

    JumpMiss $0 
.endmacro

//以下是最后跳轉(zhuǎn)的匯編函數(shù)
.macro CacheHit
.if $0 == NORMAL
    TailCallCachedImp x17, x12, x1, x16 // authenticate and call imp
.elseif $0 == GETIMP
    mov p0, p17
    cbz p0, 9f          // don't ptrauth a nil imp
    AuthAndResignAsIMP x0, x12, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMP
9:  ret             // return IMP
.elseif $0 == LOOKUP
    // No nil check for ptrauth: the caller would crash anyway when they
    // jump to a nil IMP. We don't care if that jump also fails ptrauth.
    AuthAndResignAsIMP x17, x12, x1, x16    // authenticate imp and re-sign as IMP
    ret             // return imp via x17
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

.macro CheckMiss
    // miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP 
//--- 如果為GETIMP 症概，則跳轉(zhuǎn)至 LGetImpMiss
    cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL 
//--- 如果為NORMAL 蕾额，則跳轉(zhuǎn)至 __objc_msgSend_uncached
    cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP 
//--- 如果為L(zhǎng)OOKUP ，則跳轉(zhuǎn)至 __objc_msgLookup_uncached
    cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

.macro JumpMiss
.if $0 == GETIMP
    b   LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
    b   __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
    b   __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

• 【2.1】通過(guò)cache首地址平移16字節(jié)（因?yàn)樵趏bjc_class中彼城，首地址距離cache正好16字節(jié)诅蝶，即isa首地址 占8字節(jié)，superClass占8字節(jié)）募壕，獲取cahce调炬，cache中高16位存mask，低48位存buckets舱馅，即p11 = cache

• 【2.2】從cache中分別取出buckets和mask缰泡，并由mask根據(jù)哈希算法計(jì)算出哈希下標(biāo)

  • 通過(guò)cache和掩碼（即0x0000ffffffffffff）的 & 運(yùn)算，將高16位mask抹零习柠，得到buckets指針地址匀谣，即p10 = buckets

  • 將cache右移48位，得到mask资溃，即p11 = mask

  • 將objc_msgSend的參數(shù)p1（即第二個(gè)參數(shù)_cmd）& msak,通過(guò)哈希算法武翎，得到需要查找存儲(chǔ)sel-imp的bucket下標(biāo)index，即p12 = index = _cmd & mask,為什么通過(guò)這種方式呢溶锭？因?yàn)樵?code>存儲(chǔ)sel-imp時(shí)宝恶，也是通過(guò)同樣的哈希算法計(jì)算哈希下標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，所以讀取也需要通過(guò)同樣的方式讀取趴捅，如下所示

    cache_t存儲(chǔ)sel-imp時(shí)計(jì)算哈希下標(biāo)的哈希算法源碼

• 【第三步】根據(jù)所得的哈希下標(biāo)index 和 buckets首地址垫毙，取出哈希下標(biāo)對(duì)應(yīng)的bucket

  • 其中PTRSHIFT等于3，左移4位（即2^4 = 16字節(jié)）的目的是計(jì)算出一個(gè)bucket實(shí)際占用的大小,結(jié)構(gòu)體bucket_t中sel占8字節(jié)拱绑，imp占8字節(jié)

  • 根據(jù)計(jì)算的哈希下標(biāo)index乘以 單個(gè)bucket占用的內(nèi)存大小综芥，得到buckets首地址在實(shí)際內(nèi)存中的偏移量

  • 通過(guò)首地址 + 實(shí)際偏移量，獲取哈希下標(biāo)index對(duì)應(yīng)的bucket

• 【第四步】根據(jù)獲取的bucket猎拨，取出其中的imp存入p17膀藐，即p17 = imp屠阻，取出sel存入p9，即p9 = sel

• 【第五步】第一次遞歸循環(huán)

  • 比較獲取的bucket中sel與 objc_msgSend的第二個(gè)參數(shù)的_cmd(即p1)是否相等

    • 如果相等额各，則直接跳轉(zhuǎn)至CacheHit国觉，即緩存命中，返回imp

    • 如果不相等虾啦，有以下兩種情況

      • 如果一直都找不到麻诀，直接跳轉(zhuǎn)至CheckMiss，因?yàn)?code>$0是normal傲醉，會(huì)跳轉(zhuǎn)至__objc_msgSend_uncached蝇闭，即進(jìn)入慢速查找流程

      • 如果根據(jù)index獲取的bucket 等于 buckets的第一個(gè)元素，則人為的將當(dāng)前bucket設(shè)置為buckets的最后一個(gè)元素（通過(guò)buckets首地址+mask右移44位（等同于左移4位）直接定位到bucker的最后一個(gè)元素）需频，然后繼續(xù)進(jìn)行遞歸循環(huán)（第一個(gè)遞歸循環(huán)嵌套第二個(gè)遞歸循環(huán)）丁眼，即【第六步】

      • 如果當(dāng)前bucket不等于buckets的第一個(gè)元素，則繼續(xù)向前查找昭殉，進(jìn)入第一次遞歸循環(huán)

• 【第六步】第二次遞歸循環(huán)：重復(fù)【第五步】的操作苞七，與【第五步】中唯一區(qū)別是，如果當(dāng)前的bucket還是等于 buckets的第一個(gè)元素挪丢，則直接跳轉(zhuǎn)至JumpMiss蹂风，此時(shí)的$0是normal，也是直接跳轉(zhuǎn)至__objc_msgSend_uncached乾蓬，即進(jìn)入慢速查找流程