本文主要是針對(duì)類的加載的擴(kuò)展思劳，探索下分類的底層實(shí)現(xiàn)原理。

1. 類擴(kuò)展和分類介紹

1.1 category 類別逗宁、分類

• 專門用來給類添加新的方法
• 不能給類添加成員變量
• 可以利用runtime 實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)屬性盯滚，重寫setter、getter方法
• 分類中用@property 定義的屬性奸晴，只有 setter、getter 方法的聲明日麸，不能生成方法實(shí)現(xiàn)和帶下劃線的成員變量

1.2 extension 類擴(kuò)展

• 可以說成時(shí)特殊的分類寄啼，也可稱作匿名分類
• 可以給類添加成員屬性，但是是私有變量
• 可以給類添加方法代箭，也是私有方法

2. 類擴(kuò)展底層探索

類的擴(kuò)展有兩種創(chuàng)建方式：

• 直接在類中書寫：永遠(yuǎn)在聲明之后墩划，在實(shí)現(xiàn)之前(寫在.m文件中)
• 通過 command + N 新建 ->Objective-C File -> 選擇Extension
  
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2.1 通過clang 底層編譯

• 寫一個(gè)類擴(kuò)展

  
  
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• 通過clang -rewrite-objc main.mm -o main.cpp 命令生成 cpp 文件，打開 cpp 文件嗡综，搜索 ext_name屬性：
  

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• 查看 LGTeacher 類擴(kuò)展的方法乙帮，在編譯過程中，方法就直接添加到了methodlist中蛤高，作為類的一部分，即編譯時(shí)期直接添加到本類里面
  

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2.2 總結(jié)

• 類的擴(kuò)展在編譯期會(huì)作為類的一部分碑幅，和類一起編譯進(jìn)來
• 類的擴(kuò)展只是聲明戴陡，依賴于當(dāng)前的主類，沒有.m文件沟涨，可以理解為一個(gè).h文件

3. 分類關(guān)聯(lián)對(duì)象底層探索

其底層原理的實(shí)現(xiàn)恤批，主要分為兩個(gè)部分：

• 通過objc_setAssociatedObject設(shè)值流程
• 通過objc_getAssociatedObject取值流程

3.1 關(guān)聯(lián)對(duì)象 - 設(shè)值流程

• 在分類 LG 中重寫 cate_name的 setter、getter方法裹赴，通過 runtime的屬性關(guān)聯(lián)方法實(shí)現(xiàn)
  

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• 運(yùn)行程序喜庞，斷點(diǎn)端在main 中 cate_name賦值處
  

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• 繼續(xù)往下運(yùn)行诀浪，斷在 setCate_name方法中：
  

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其中objc_setAssociatedObject方法有四個(gè)參數(shù)，分別表示：

• 參數(shù) 1：要關(guān)聯(lián)的對(duì)象延都，即給誰添加關(guān)聯(lián)屬性

• 參數(shù) 2：標(biāo)識(shí)符雷猪，方便取值

• 參數(shù) 3：value

• 參數(shù) 4：屬性的策略，即 nonatomic晰房、atomic求摇、assign等，如下所示：
  

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• 進(jìn)入objc_setAssociatedObject源碼實(shí)現(xiàn)
  這種設(shè)計(jì)模式是接口模式殊者，對(duì)外的接口不變与境，內(nèi)部的邏輯變化不影響外部的調(diào)用，類似于set 方法的底層源碼實(shí)現(xiàn)：
  

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• 進(jìn)入 SetAssocHook.get()方法實(shí)現(xiàn)猖吴，其中ChainedHookFunction是一個(gè)函數(shù)指針
  

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• 進(jìn)入SetAssocHook摔刁，其底層實(shí)現(xiàn)是_base_objc_setAssociatedObject，類型是ChainedHookFunction
  

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• 所以可以理解為SetAssocHook.get()等價(jià)于_base_objc_setAssociatedObject

void
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
{
    SetAssocHook.get()(object, key, value, policy);//接口模式海蔽，對(duì)外接口始終不變
}

??等價(jià)于

void
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
{
    _base_objc_setAssociatedObject(object, key, value, policy);//接口模式共屈，對(duì)外接口始終不變
}

• 進(jìn)入_base_objc_setAssociatedObject，通過斷點(diǎn)調(diào)試准潭，確實(shí)會(huì)來到這里：
  

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• 進(jìn)入_object_set_associative_reference方法
  關(guān)鍵的方法趁俊，關(guān)于關(guān)聯(lián)對(duì)象底層原理的探索，主要是看value存到了哪里刑然，以及如何取出 value寺擂，下面是源碼：

void
_object_set_associative_reference(id object, const void *key, id value, uintptr_t policy)
{
    // This code used to work when nil was passed for object and key. Some code
    // probably relies on that to not crash. Check and handle it explicitly.
    // rdar://problem/44094390
    if (!object && !value) return;

    if (object->getIsa()->forbidsAssociatedObjects())
        _objc_fatal("objc_setAssociatedObject called on instance (%p) of class %s which does not allow associated objects", object, object_getClassName(object));
    //object封裝一層，類型為DisguisedPtr
    DisguisedPtr<objc_object> disguised{(objc_object *)object};//相當(dāng)于包裝了一下 對(duì)象object,便于使用
    // 包裝一下 policy - value
    ObjcAssociation association{policy, value};

    // retain the new value (if any) outside the lock.
    // 根據(jù)策略類型對(duì)value進(jìn)行處理
    association.acquireValue();//根據(jù)策略類型進(jìn)行處理
    //局部作用域空間
    {
        //初始化manager變量泼掠，相當(dāng)于自動(dòng)調(diào)用AssociationsManager的析構(gòu)函數(shù)進(jìn)行初始化
        AssociationsManager manager;//并不是全場唯一怔软，構(gòu)造函數(shù)中加鎖只是為了避免重復(fù)創(chuàng)建，在這里是可以初始化多個(gè)AssociationsManager變量的
    
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());//AssociationsHashMap 全場唯一

        if (value) {
            auto refs_result = associations.try_emplace(disguised, ObjectAssociationMap{});//返回的結(jié)果是一個(gè)類對(duì)
            if (refs_result.second) {//判斷第二個(gè)存不存在择镇，即bool值是否為true
                /* it's the first association we make 第一次建立關(guān)聯(lián)*/
                object->setHasAssociatedObjects();//nonpointerIsa 挡逼，標(biāo)記位true
            }

            /* establish or replace the association 建立或者替換關(guān)聯(lián)*/
            auto &refs = refs_result.first->second; //得到一個(gè)空的桶子，找到引用對(duì)象類型,即第一個(gè)元素的second值
            auto result = refs.try_emplace(key, std::move(association));//查找當(dāng)前的key是否有association關(guān)聯(lián)對(duì)象
            if (!result.second) {//如果結(jié)果不存在
                association.swap(result.first->second);
            }
        } else {//如果傳的是空值腻豌，則移除關(guān)聯(lián)家坎，相當(dāng)于移除
            auto refs_it = associations.find(disguised);
            if (refs_it != associations.end()) {
                auto &refs = refs_it->second;
                auto it = refs.find(key);
                if (it != refs.end()) {
                    association.swap(it->second);
                    refs.erase(it);
                    if (refs.size() == 0) {
                        associations.erase(refs_it);

                    }
                }
            }
        }
    }

    // release the old value (outside of the lock).
    association.releaseHeldValue();//釋放
}

通過源碼可以知道，主要分為以下幾部分：
1.創(chuàng)建一個(gè) AssociationsManager 管理類
2.獲取唯一的全局靜態(tài)哈希表：AssociationsHashMap
3.判斷插入的關(guān)聯(lián)值 value 是否存在
. 3.1 存在則繼續(xù)向下走
. 3.2 不存在就走：關(guān)聯(lián)對(duì)象-插入空流程吝梅，也就是移除關(guān)聯(lián)對(duì)象流程
4.通過try_emplace方法虱疏，并創(chuàng)建一個(gè)空的ObjectAssociationMap去取查詢的鍵值對(duì)
5.如果發(fā)現(xiàn)沒有這個(gè)key，就插入一個(gè)空的BuckeT 進(jìn)去并返回 true
6.通過setHasAssociatedObjects方法標(biāo)記對(duì)象存在關(guān)聯(lián)對(duì)象即置isa指針的has_assoc屬性為true
7.用當(dāng)前policy 和value 組成了一個(gè)ObjcAssociation 替換原來 BucketT 中的空
8.標(biāo)記一下ObjectAssociationMap的第一次為 false

下面進(jìn)行源碼調(diào)試：

• 定義AssociationsManager類型的變量苏携，相當(dāng)于自動(dòng)調(diào)用 AssociationsManager的構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化
  加鎖 lock做瞪，并不代表唯一，只是為了避免多線程重復(fù)創(chuàng)建，其實(shí)在外面是可以定義多個(gè)AssociationsManager manager;的

• 定義AssociationsHashMap類型的HashMap装蓬，這個(gè)是唯一的著拭，從哪里可以體現(xiàn)呢？
  通過_mapStorage.get()生成HashMap牍帚，其中_mapStorage 是一個(gè)靜態(tài)變量儡遮，所以永遠(yuǎn)是唯一的
  

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可以看到這個(gè) hashMap 的key 是前面對(duì)于 object的封裝：DisguisedPtr<objc_object>，value 是ObjectAssociationMap類型履羞。

• 經(jīng)過調(diào)試峦萎，可以查看當(dāng)前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
  p disguised : 其中的 value 是來自 object 還原出來的
  p association
p manager
p associations: 目前的associations為0x0，表示還沒有查找到相應(yīng)的遞歸查找域中
  

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• 走到局部作用域的if判斷忆首，此時(shí)value 是有值的爱榔，為 KC
  

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• 如果傳入的value是空值，則會(huì)走到else 流程糙及，通過源碼得知详幽，相當(dāng)于解除關(guān)聯(lián)
  

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• 繼續(xù)往下執(zhí)行，查看 refs_result浸锨，通過p refs_result唇聘，其中的類型很多，可以進(jìn)行拆解查看
  associations 調(diào)用try_emplace方法柱搜，傳入一個(gè)對(duì)象disguised 和一個(gè)空的關(guān)聯(lián) map : ObjectAssociationMap{}
  

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//pair -- 表示有鍵值對(duì)
(std::__1::pair<
 objc::DenseMapIterator<DisguisedPtr<objc_object>,
 
 objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> >,
 
 objc::DenseMapValueInfo<objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> > >,
 
 objc::DenseMapInfo<DisguisedPtr<objc_object> >,
 
 objc::detail::DenseMapPair<DisguisedPtr<objc_object>, objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> > >,
 
 false>,
 
 bool>)

//可以簡寫為

(std::__1::pair<
 
 objc
 
bool>)

• 進(jìn)入 try_emplace方法的源碼實(shí)現(xiàn)
  有兩個(gè)返回值迟郎，都是通過 std::make_pair生成相應(yīng)的鍵值對(duì)；
  通過LookupBucketFor 方法查找桶子聪蘸，如果 map中已經(jīng)存在宪肖，則直接返回，其中make_pair的第二個(gè)參數(shù)bool值為false健爬；
  如果沒有找到控乾，則通過InsertIntoBucket插入map，其中make_pair的第二個(gè)參數(shù)bool值為true

std:: make_pair主要作用是將兩個(gè)數(shù)據(jù)合成一個(gè)數(shù)據(jù)娜遵，然后通過返回值的.first 和.second進(jìn)行使用

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• 進(jìn)入LookupBucketFor 源碼蜕衡，有兩個(gè)同名方法，其中第二個(gè)方法屬于重載函數(shù)设拟，區(qū)別于第一個(gè)的是第二個(gè)參數(shù)沒有const修飾慨仿，通過調(diào)試可知，外部的調(diào)用是調(diào)用的第二個(gè)重載函數(shù)纳胧，而第二個(gè)LookupBucketFor方法镰吆，內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)是調(diào)用第一個(gè)LookupBucketFor方法：
  

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• 第一個(gè)LookupBucketFor 方法實(shí)現(xiàn)：
  

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• 斷點(diǎn)運(yùn)行值try_emplace 方法中，獲取bucket 部分TheBucket = InsertIntoBucket(TheBucket, Key, std::forward<Ts>(Args)...);:
  然后p TheBucket
  

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其中 TheBucket 的類型與refs_result中屬性的類型是一致的：

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• 進(jìn)入if(refs_result.second)的流程躲雅，通過setHasAssociatedObjects將nonpointerIsa 的has_assoc標(biāo)記為 true:
  

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• 繼續(xù)往下執(zhí)行鼎姊，查看 refs
p refs骡和，執(zhí)行try_emplace前查看
  p refs相赁，執(zhí)行 try_emplace后查看
  

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第一次執(zhí)行try_emplace插入的是一個(gè)空桶相寇，還沒有值，第二次執(zhí)行 try_emplace才插入值钮科，即往空桶中插入ObjectAssociationMap（value唤衫，policy），返回true绵脯，可以通過調(diào)試驗(yàn)證：

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p result.second佳励，返回的true，到此就將屬性和 value 關(guān)聯(lián)上了：

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3.1.1 全部流程

所以蛆挫，關(guān)聯(lián)對(duì)象的設(shè)值流程赃承，有點(diǎn)類似于cache_t中的insert方法插入sel-imp的邏輯，如下圖所示:

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屬性關(guān)聯(lián)涉及的hashMap 結(jié)構(gòu)：

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• AssociationsManager可以有多個(gè)悴侵，通過AssociationsManagerLock鎖可以得到一個(gè)AssociationsHashMap類型的map
  -map中有很多關(guān)聯(lián)對(duì)象 map瞧剖，類型是ObjectAssociationMap，其中 key 為DisguisedPtr<objc_object>

typedef DenseMap<DisguisedPtr<objc_object>, ObjectAssociationMap> AssociationsHashMap;

• ObjectAssociationMap哈希表中有很多key-value鍵值對(duì)可免，其中 key 的類型為const void *抓于，這個(gè)key也就是我們關(guān)聯(lián)屬性時(shí)設(shè)置的字符串，value 的類型為 ObjcAssociation：

typedef DenseMap<const void *, ObjcAssociation> ObjectAssociationMap;

• 其中ObjcAssociation是用于包裝policy和value的一個(gè)類

  
  
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3.1.2 對(duì)象插入空流程

根據(jù)源碼可知浇借，主要是局部作用域中的else流程捉撮，其實(shí)這個(gè)流程可以通俗的理解為當(dāng)傳入的value為nil時(shí)，則移除關(guān)聯(lián)妇垢，主要分為以下幾步：

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• 根據(jù)DisguisedPtr找到 AssociationsHashMap 中的iterator迭代查詢器
• 清理迭代器
• 其實(shí)如果插入空值巾遭，相當(dāng)于清除

3.2 關(guān)聯(lián)對(duì)象-取值流程

• main中 打印person.cate_name的值，斷點(diǎn)來到分類中重寫的屬性get方法
  

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• 進(jìn)入objc_getAssociatedObject源碼實(shí)現(xiàn)
  

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• _object_get_associative_reference源碼如下：

id
_object_get_associative_reference(id object, const void *key)
{
    ObjcAssociation association{};//創(chuàng)建空的關(guān)聯(lián)對(duì)象

    {
        AssociationsManager manager;//創(chuàng)建一個(gè)AssociationsManager管理類
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());//獲取全局唯一的靜態(tài)哈希map
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find((objc_object *)object);//找到迭代器修己，即獲取buckets
        if (i != associations.end()) {//如果這個(gè)迭代查詢器不是最后一個(gè) 獲取
            ObjectAssociationMap &refs = i->second; //找到ObjectAssociationMap的迭代查詢器獲取一個(gè)經(jīng)過屬性修飾符修飾的value
            ObjectAssociationMap::iterator j = refs.find(key);//根據(jù)key查找ObjectAssociationMap恢总，即獲取bucket
            if (j != refs.end()) {
                association = j->second;//獲取ObjcAssociation
                association.retainReturnedValue();
            }
        }
    }

    return association.autoreleaseReturnedValue();//返回value
}

通過源碼可知，主要分為以下幾部分：
1.創(chuàng)建一個(gè)AssociationsManager 管理類
2.獲取唯一的全局靜態(tài)哈希Map：AssociationsHashMap
3.通過find方法根據(jù) DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap中的 iterator 迭代查詢器
4.如果這個(gè)迭代查詢器不是最后一個(gè) 獲取 :ObjectAssociationMap(policy和value)
5.通過find方法找到ObjectAssociationMap的迭代查詢器獲取一個(gè)經(jīng)過屬性修飾符修飾的value
6.返回 value

3.2.1 調(diào)試取值流程

• 接著上一步調(diào)試睬愤，進(jìn)入_object_get_associative_reference源碼實(shí)現(xiàn)
  進(jìn)入find方法：根據(jù)關(guān)聯(lián)對(duì)象迭代查找AssociationsHashMap片仿，即buckets：
  
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• 再次通過find方法，在buckets中查找與key配對(duì)的bucket
find方法執(zhí)行之前尤辱，j的打印砂豌，此時(shí)的value為nil
  
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find方法查詢之后，j的打印光督，此時(shí)的value為KC

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3.3 總結(jié)

所以阳距，綜上所述，所以關(guān)聯(lián)對(duì)象的底層調(diào)用流程如下圖所示

image.png

總的來說结借，關(guān)聯(lián)對(duì)象主要就是兩層哈希map的處理筐摘，即存取時(shí)都是兩層處理。

4. 關(guān)聯(lián)對(duì)象的釋放

上面介紹了關(guān)聯(lián)對(duì)象的取值流程和設(shè)值流程，那么關(guān)聯(lián)對(duì)象是在什么時(shí)候釋放的呢咖熟？
我們知道對(duì)象的銷毀會(huì)調(diào)用dealloc方法圃酵，先來看下這個(gè)方法：

// Replaced by NSZombies
- (void)dealloc {
    _objc_rootDealloc(self);
}

其中調(diào)用了_objc_rootDealloc方法，源碼如下：

void
_objc_rootDealloc(id obj)
{
    ASSERT(obj);

    obj->rootDealloc();
}

繼續(xù)調(diào)用了obj->rootDealloc()馍管，源碼如下：

inline void
objc_object::rootDealloc()
{
    if (isTaggedPointer()) return;  // fixme necessary?

    if (fastpath(isa.nonpointer  &&  
                 !isa.weakly_referenced  &&  
                 !isa.has_assoc  &&  
                 !isa.has_cxx_dtor  &&  
                 !isa.has_sidetable_rc))
    {
        assert(!sidetable_present());
        free(this);
    } 
    else {
        object_dispose((id)this);
    }
}

這里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：isa.hass_assoc郭赐，我們?cè)?code>設(shè)值流程中，就是給 isa.hass_assoc進(jìn)行賦值了确沸，標(biāo)志這個(gè)對(duì)象有關(guān)聯(lián)的屬性捌锭，所以這里會(huì)走else 流程，也就是object_dispose((id)this);罗捎，這個(gè)方法源碼如下：

id 
object_dispose(id obj)
{
    if (!obj) return nil;

    objc_destructInstance(obj);    
    free(obj);

    return nil;
}

free(obj)是釋放對(duì)象观谦，那么關(guān)聯(lián)對(duì)象的移除就是在objc_destructInstance(obj);里面了，我們看下objc_destructInstance這個(gè)方法桨菜，源碼如下：

void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = obj->hasCxxDtor();
        bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();

        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
        obj->clearDeallocating();
    }

    return obj;
}

這個(gè)方法中發(fā)現(xiàn)if (assoc) _object_remove_assocations(obj);是移除關(guān)聯(lián)屬性的方法坎匿，我們繼續(xù)探索_object_remove_assocations方法，源碼如下：

void
_object_remove_assocations(id object)
{
    ObjectAssociationMap refs{};

    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find((objc_object *)object);
        if (i != associations.end()) {
            refs.swap(i->second);
            associations.erase(i);
        }
    }

    // release everything (outside of the lock).
    for (auto &i: refs) {
        i.second.releaseHeldValue();
    }
}

可以看到這里是將對(duì)象 object 關(guān)聯(lián)的表全部移除了雷激，從全局的 HashMap 找到object 的迭代器替蔬，將對(duì)象關(guān)聯(lián)的ObjectAssociationMap全部移除。

調(diào)用鏈為：dealloc -> _objc_rootDealloc -> object_dispose() ->
objc_destructInstance() -> _object_remove_assocations屎暇。