iOS - 探索objc_msgSend慢速查找流程

上一篇我們分析了objc_msgSend的快速查找方法的流程煤裙，我們調用方法實際上就是發(fā)送消息，然后首先會到cache中進行查找，也即是快速查找啥么。objc_msgSend 通過匯編快速查找方法緩存 ，如果能找到則調用 TailCallCachedImp 直接將方法緩存起來然后進行調用贰逾，如果查找不到就跳到 CheckMiss悬荣，然后走慢速查找流程 。這一篇我們接著來分析一下objc_msgSend的慢速查找方法的流程疙剑。

一氯迂、 checkMiss和jumpMiss

在前面的快速查找流程中践叠，有兩個判斷是夠沒有找到的方法，就是checkMiss和jumpMiss嚼蚀。我們先看下他們的源碼：

.macro CheckMiss
    // miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP
    cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
    cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
    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

如果沒有找到方法進入他們的時候禁灼，都會執(zhí)行__objc_msgSend_uncached方法，我們再看下__objc_msgSend_uncached的源碼：

    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
    TailCallFunctionPointer x17

    END_ENTRY __objc_msgSend_uncached

非常簡單轿曙，關鍵代碼就是MethodTableLookup這一行弄捕，表示從方法列表中進行查找，我們接著看MethodTableLookup的源碼：

.macro MethodTableLookup
    
    // push frame
    SignLR
    stp fp, lr, [sp, #-16]!
    mov fp, sp

    // save parameter registers: x0..x8, q0..q7
    sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
    stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    str x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    mov x2, x16
    mov x3, #3
    bl  _lookUpImpOrForward

    // IMP in x0
    mov x17, x0
    
    // restore registers and return
    ldp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    ldp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    ldp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    ldp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    ldp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    ldp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    ldp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    ldp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    ldr x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    mov sp, fp
    ldp fp, lr, [sp], #16
    AuthenticateLR

.endmacro

是不是看著很懵逼导帝？我也是守谓，我們需要過濾下，找出其中的關鍵代碼您单，從上到下看一遍分飞，是不是發(fā)現(xiàn)有一個很可疑的代碼：_lookUpImpOrForward，沒錯睹限，除了它譬猫，其它的我們基本不需要看。那我們怎么知道它就是我們要找的關鍵代碼呢羡疗？
接下來我們在項目中驗證下：
首先創(chuàng)建工程染服，新建LPPerson類，具體代碼如下：

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

- (void)say666;
- (void)sayHello;

@end

@implementation LGPerson
- (void)sayHello{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        LPPerson *person = [LPPerson alloc];
        [person sayHello];
        [person say666];

    }
    return 0;
}

并在[person sayHello];這一行打上斷點：

image.png

然后運行叨恨，在來到斷點后柳刮，開啟匯編調試【Debug -- Debug worlflow -- 勾選Always show Disassembly】就可以看到下面這樣：

image.png

我們在objc_msgSend這一行打上斷點，并執(zhí)行到此斷點痒钝，按照我們前面說的方法秉颗，按住control點擊stepInto即可進入objc_msgSend內部：

image.png

同樣的方法，在_objc_msgSend_uncached加上斷點送矩，并stepInto進去：

image.png

DuangDuang蚕甥，是不是我們前面找到的關鍵代碼:_lookUpImpOrForward，只不過這里少了個下劃線栋荸，這是因為匯編和C/C++的語法問題導致：

  • 1菇怀、C/C++中調用 匯編 ，去查找匯編時晌块，C/C++調用的方法需要多加一個下劃線
  • 2爱沟、匯編 中調用 C/C++方法時，去查找C/C++方法匆背，需要將匯編調用的方法去掉一個下劃線

二呼伸、lookUpImpOrForward

ok，接下來我們就要重點分析_lookUpImpOrForward它的內部做了做什么了钝尸，全局搜索lookUpImpOrForward括享，記得去掉下劃線：

image.png

找到如圖所以的地方闽铐，lookUpImpOrForward就是一個函數(shù)：

IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    // 定義的消息轉發(fā)
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 
    IMP imp = nil;
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 快速查找，如果找到則直接返回imp
    //目的：防止多線程操作時奶浦，剛好調用函數(shù)兄墅，此時緩存進來了
    if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) { 
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) goto done_nolock;
    }
    
    //加鎖，目的是保證讀取的線程安全
    runtimeLock.lock();
    
    //判斷是否是一個已知的類：判斷當前類是否是已經被認可的類澳叉，即已經加載的類
    checkIsKnownClass(cls); 
    
    //判斷類是否實現(xiàn)隙咸，如果沒有，需要先實現(xiàn)成洗，此時的目的是為了確定父類鏈五督，方法后續(xù)的循環(huán)
    if (slowpath(!cls->isRealized())) { 
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }

    //判斷類是否初始化，如果沒有瓶殃，需要先初始化
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) { 
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

    runtimeLock.assertLocked();
    curClass = cls;

    //----查找類的緩存
    
    // unreasonableClassCount -- 表示類的迭代的上限
    //（猜測這里遞歸的原因是attempts在第一次循環(huán)時作了減一操作充包，然后再次循環(huán)時,仍在上限的范圍內，所以可以繼續(xù)遞歸）
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) { 
        //---當前類方法列表（采用二分查找算法）遥椿，如果找到基矮，則返回，將方法緩存到cache中
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
        //當前類 = 當前類的父類冠场，并判斷父類是否為nil
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //--未找到方法實現(xiàn)家浇，方法解析器也不行，使用轉發(fā)
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        // 如果父類鏈中存在循環(huán)碴裙，則停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // --父類緩存
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) { 
            // 如果在父類中找到了forward钢悲，則停止查找，且不緩存舔株，首先調用此類的方法解析器
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            //如果在父類中莺琳，找到了此方法，將其存儲到cache中
            goto done;
        }
    }

    //沒有找到方法實現(xiàn)载慈，嘗試一次方法解析

    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //動態(tài)方法決議的控制條件惭等，表示流程只走一次
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

 done:
    //存儲到緩存
    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); 
    //解鎖
    runtimeLock.unlock();
 done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;
}

整個lookUpImpOrForward，我們大體上可以分為4個部分：

  • 1娃肿、再次快速查找咕缎，防止因為線程的原因珠十，導致查找到這個地方的時候料扰，剛好有了緩存，那么就需要獲取緩存并返回
  • 2焙蹭、獲取類信息晒杈，這個一步不僅是獲取當前的類的信息，還要獲取父類孔厉，父類的父類等拯钻，確保類的繼承鏈帖努，方便我們的方法查找一定是走到最后。主要包括以下幾步：

    • 判斷當前cls是否是已知類粪般，如果不是拼余，則報錯

    • 類是否實現(xiàn)，如果沒有亩歹，則需要先實現(xiàn)匙监，確定其父類鏈，此時實例化的目的是為了確定父類鏈小作、 ro亭姥、以及rw等，方法后續(xù)數(shù)據的讀取以及查找的循環(huán)

    • 是否初始化顾稀，如果沒有达罗，則初始化

  • 3、按照繼承鏈循環(huán)查找静秆，查找過程中使用二分查找粮揉，保證效率。注意for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;)是一個死循環(huán)抚笔，一直找到nil滔蝉，如果找到了則存儲到cache中，并返回imp塔沃，找不到則imp = forward_imp;蝠引。
  • 4、判斷是否執(zhí)行過動態(tài)方法解析蛀柴，如果沒有螃概，執(zhí)行動態(tài)方法解析，如果執(zhí)行過一次動態(tài)方法解析鸽疾，則走到消息轉發(fā)流程吊洼。

需要注意的兩個地方：

第一、二分查找

二分查找的原理是：從第一次查找開始制肮，每次都取中間位置冒窍，與想查找的key的value值作比較，如果相等豺鼻，則需要排除分類方法综液，然后將查詢到的位置的方法實現(xiàn)返回，如果不相等儒飒，則需要繼續(xù)二分查找谬莹，如果循環(huán)至count = 0還是沒有找到，則直接返回nil。

具體流程是：

  • 首先進入getMethodNoSuper_nolock：
getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel)
{
    runtimeLock.assertLocked();

    ASSERT(cls->isRealized());
    // fixme nil cls? 
    // fixme nil sel?

    auto const methods = cls->data()->methods();
    for (auto mlists = methods.beginLists(),
              end = methods.endLists();
         mlists != end;
         ++mlists)
    {
        // <rdar://problem/46904873> getMethodNoSuper_nolock is the hottest
        // caller of search_method_list, inlining it turns
        // getMethodNoSuper_nolock into a frame-less function and eliminates
        // any store from this codepath.
        method_t *m = search_method_list_inline(*mlists, sel);
        if (m) return m;
    }

    return nil;
}
  • 然后進入search_method_list_inline：
ALWAYS_INLINE static method_t *
search_method_list_inline(const method_list_t *mlist, SEL sel)
{
    int methodListIsFixedUp = mlist->isFixedUp();
    int methodListHasExpectedSize = mlist->entsize() == sizeof(method_t);
    
    if (fastpath(methodListIsFixedUp && methodListHasExpectedSize)) {
        return findMethodInSortedMethodList(sel, mlist);
    } else {
        // Linear search of unsorted method list
        for (auto& meth : *mlist) {
            if (meth.name == sel) return &meth;
        }
    }

#if DEBUG
    // sanity-check negative results
    if (mlist->isFixedUp()) {
        for (auto& meth : *mlist) {
            if (meth.name == sel) {
                _objc_fatal("linear search worked when binary search did not");
            }
        }
    }
#endif

    return nil;
}

再進入二分查找的核心代碼findMethodInSortedMethodList中：

ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
    ASSERT(list);

    const method_t * const first = &list->first;
    const method_t *base = first;
    const method_t *probe;
    uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key; //key 等于 say666
    uint32_t count;
    //base相當于low附帽，count是max埠戳，probe是middle，這就是二分
    for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
        //從首地址+下標 --> 移動到中間位置（count >> 1 左移1位即 count/2 = 4）
        probe = base + (count >> 1); 
        
        uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name;
        
        //如果查找的key的keyvalue等于中間位置（probe）的probeValue蕉扮，則直接返回中間位置
        if (keyValue == probeValue) { 
            // -- while 平移 -- 排除分類重名方法
            while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) {
                //排除分類重名方法（方法的存儲是先存儲類方法整胃，在存儲分類---按照先進后出的原則，分類方法最先出喳钟，而我們要取的類方法爪模，所以需要先排除分類方法）
                //如果是兩個分類，就看誰先進行加載
                probe--;
            }
            return (method_t *)probe;
        }
        
        //如果keyValue 大于 probeValue荚藻，就往probe即中間位置的右邊查找
        if (keyValue > probeValue) { 
            base = probe + 1;
            count--;
        }
    }
    
    return nil;
}

第二屋灌、cache_getImp

cache_getImp方法是通過匯編_cache_getImp實現(xiàn)，傳入的$0 是 GETIMP应狱。源碼如下：

    STATIC_ENTRY _cache_getImp

    GetClassFromIsa_p16 p0
    CacheLookup GETIMP, _cache_getImp

LGetImpMiss:
    mov p0, #0
    ret

    END_ENTRY _cache_getImp

如果父類緩存中找到了方法實現(xiàn)共郭，則跳轉至CacheHit即命中，則直接返回imp

如果在父類緩存中疾呻，沒有找到方法實現(xiàn)除嘹，則跳轉至CheckMiss 或者 JumpMiss，通過判斷$0 跳轉至LGetImpMiss岸蜗，直接返回nil尉咕。

從前面探索isa中我們知道對象和類的繼承鏈：

  • 對象方法（即實例方法），即在類中查找璃岳，其慢速查找的父類鏈是：類--父類--根類--nil
  • 類方法年缎，即在元類中查找，其慢速查找的父類鏈是：元類--根元類--根類--nil

三铃慷、消息轉發(fā)流程

如果在快速查找单芜、慢速查找、方法解析流程中犁柜，均沒有找到實現(xiàn)洲鸠，則使用消息轉發(fā)。lookUpImpOrForward 源碼中定義了一個消息轉發(fā)嗎馋缅？

IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
    IMP imp = nil;
    ...
}

即_objc_msgForward_impcache扒腕，我們查看它的源碼：

    STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache

    // No stret specialization.
    b   __objc_msgForward

    END_ENTRY __objc_msgForward_impcache

    
    ENTRY __objc_msgForward

    adrp    x17, __objc_forward_handler@PAGE
    ldr p17, [x17, __objc_forward_handler@PAGEOFF]
    TailCallFunctionPointer x17
    
    END_ENTRY __objc_msgForward

_objc_msgForward_impcache是匯編實現(xiàn)，會跳轉至__objc_msgForward萤悴，其核心是__objc_forward_handler瘾腰，全局搜索__objc_forward_handler,搜索不到，去掉一個下劃線稚疹，繼續(xù)搜索

image.png

_objc_forward_handler居灯，有如下實現(xiàn)祭务，本質是調用的objc_defaultForwardHandler方法：

__attribute__((noreturn, cold)) void
objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel)
{
    _objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
                "(no message forward handler is installed)", 
                class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? '+' : '-', 
                object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;

噔噔内狗，我們發(fā)現(xiàn)了什么怪嫌？這個報錯是不是我們常見的執(zhí)行未實現(xiàn)方法的時候報的錯啊。

覺得不錯記得點贊哦柳沙！聽說看完點贊的人逢考必過岩灭，逢獎必中。?( ′???` )比心

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