iOS 14 苹果对 Objective-C Runtime 的优化

做者：Damien，iOS 开发者。目前就任于携程。

Session：developer.apple.com/wwdc20/1016…

概述

Objective-C 是一门古老的语言，诞生于 1984 年，跟随 Apple 一路浮沉，见证了乔布斯建立了 NeXT，也见证了乔布斯重回 Apple 重创辉煌，它用它特立独行的语法，堆砌了 UIKit，AppKit, Foundation 等一个个基石，时间来到 2020 年，面对汹涌的"后浪" Swift，"老前辈" Objective-C 也在发挥着本身的余热，即便面对愈来愈多阵地失守，惟有“老兵不死，只会慢慢凋亡"才能体现的悲壮。今年，Apple 给 Objective-C Runtime 带来了新的优化，接下来，让咱们深刻理解这些变化。

类数据结构变化

首先咱们先来了解一下二进制类在磁盘中的表示

首先是类对象自己，包含最常访问的信息：指向元类，超类和方法缓存的指针，在类结构之中有指向包含更多数据的结构体 class_ro_t的指针，包含了类的名称，方法，协议，实例变量等等编译期肯定的信息。其中 ro 表示 read only 的意思。

当类被 Runtime 加载以后，类的结构会发生一些变化，在了解这些变化以前，咱们须要知道2个概念： **Clean Memory：**加载后不会发生更改的内存块，class_ro_t属于Clean Memory，由于它是只读的。 **Dirty Memory：**运行时会进行更改的内存块，类一旦被加载，就会变成Dirty Memory，例如，咱们能够在 Runtime 给类动态的添加方法。

这里要明确，Dirty Memory比Clean Memory要昂贵得多。由于它须要更多的内存信息，而且只要进程正在运行，就必须保留它。对于咱们来讲，越多的Clean Memory显然是更好的，由于它能够节约更多的内存。咱们能够经过分离出永不更改的数据部分，将大多数类数据保留为Clean Memory，如何怎么作的呢？ 在介绍优化方法以前，咱们先来看一下，在类加载以后，类的结构会变成如何呢？

在类加载到 Runtime 中后会被分配用于读取/写入数据的结构体 class_rw_t。

Tips：class_ro_t是只读的，存放的是编译期间就肯定的字段信息；而class_rw_t是在 runtime 时才建立的，它会先将class_ro_t的内容拷贝一份，再将类的分类的属性、方法、协议等信息添加进去，之因此要这么设计是由于 Objective-C 是动态语言，你能够在运行时更改它们方法，属性等，而且分类能够在不改变类设计的前提下，将新方法添加到类中。

事实证实，class_rw_t会占用比class_ro_t占用更多的内存，在 iPhone 中，咱们在系统测量了大约 30MB 的这些class_rw_t结构。应该如何优化这些内存呢？经过测量实际设备上的使用状况，咱们发现大约 10％ 的类实际会存在动态的更改行为，如动态添加方法，使用 Category 方法等。所以，咱们能能够把这部分动态的部分提取出来，咱们称之为class_rw_ext_t，因此，结构会变成这个样子。

通过拆分，能够把 90% 的类优化为 Clean Memory，在系统层面，取得效果是节省了大约 14MB 的内存，使内存可用于更有效的用途。

Tips：heap xxxxx | egrep 'class_rw|COUNT’ 你可使用此命令来查看 class_rw_t 消耗的内存。xxxx能够替换为须要测量的 App 名称。如：heap Mail | egrep 'class_rw|COUNT’\'查看 Mail 应用的使用状况。

相对方法地址

如今，咱们来看看 Runtime 的第二处的变化，方法地址的优化。 每一个类都包含一个方法列表，以便 Runtime 能够查找和消息发送。结构大概以下图所示：

方法包含了3部分的内容：

• Selector：方法名称或选择器。选择器是字符串，可是它们是惟一的
• 方法类型编码：方法类型编码标识（详情能够查看参考连接）
• IMP：方法实现的函数指针

在 64 位系统中，它们占用了 24 字节的空间

了解了方法的结构以后，咱们来看下进程中内存的简化视图

这是一个 64 位的地址空间，其中各类块分别表示了栈，堆以及各类库。咱们把焦点放在 AppKit 库中的init方法。

如图所示，图中的3个地址分别为方法的 3 个部分的表示的绝对地址，咱们知道，库的地址取决于动态连接库加载以后的位置，ASLR（Address space layout randomization 地址空间布局随机化）的存在，动态连接器须要修正真实的指针地址，这也是一种代价。因为方法实现地址不会脱离当前库的地址范围的特性存在，因此实际上，方法列表并不须要使用 64 位的寻址范围空间。他们只须要可以在本身的库地址中查找引用函数地址便可，这些函数将始终在附近。因此咱们可使用 32 位相对偏移来代替绝对 64 位地址。

如今咱们地址将变成这样

这么作有几个优势：

1. 不管将库加载到内存中的任何位置，偏移量始终是相同的，所以从加载后不须要进行修正指针地址。
2. 它们能够保存在只读存储器中，这会更加的安全。
3. 使用 32 位偏移量在 64 位平台上所需的内存量减小了一半。在 iPhone 中咱们能够节省约 40MB 的内存大小。

优化后，指针所需的内存占用量能够减小一半。

相对方法地址会引起另一个问题，那就是在Method Swizzling如何处理呢？众所皆知，Method Swizzling替换的是 2 个方法函数指针指向，方法函数实现能够在任意地方实现，使用了相对偏移地址了以后，这样就没法工做了。 针对Method Swizzling咱们使用全局映射表来解决这个问题，在映射表中维护Swizzles方法对应的实现函数指针地址。因为Method Swizzling的操做并不常见，因此这个表不会变得很大，新的Method Swizzling机制以下图。

Tagged Pointer 格式的变化

接下来咱们会深刻了解 Tagged Pointer 在 ARM CPU 下的格式变化 首先，让咱们先来了解下 Tagged Pointer 是什么 **Tagged Pointer：**一种特殊标记的对象，Tagged Pointer 经过在其最后一个 bit 位设置为特殊标记位，而且把数据直接保存在指针自己中。Tagged Pointer 是一个"伪"对象，使用 Tagged Pointer 有 3 倍的访问速度提高，100 倍的建立、销毁速度提高。

Tips：Advances in Objective-C

在咱们查看对象指针时，在 64 位系统中，咱们会看到 16 进制地址如0x00000001003041e0，咱们把它转换为二进制表示以下图

在 64 位系统中，咱们有 64 位能够表示一个对象指针，可是咱们一般没有真正使用到全部这些位，因为内存对齐要求的存在，低位始终为0，对象必须始终位于指针大小倍数的地址中。高位也始终为0。实际上咱们只是用中间这一部分的位。

所以，咱们能够把最低位设置为 1，表示这个对象是一个 Tagged Pointer 对象。设置为 0 则表示为正常的对象

在设置为 1 表示为 Tagged Pointer 对象以后，在最低位以后的 3 位，咱们给他赋予类型意义，因为只有 3 位，因此它能够表示 7 种数据类型

OBJC_TAG_NSAtom            = 0, 
OBJC_TAG_1                 = 1, 
OBJC_TAG_NSString          = 2, 
OBJC_TAG_NSNumber          = 3, 
OBJC_TAG_NSIndexPath       = 4, 
OBJC_TAG_NSManagedObjectID = 5, 
OBJC_TAG_NSDate            = 6, 
OBJC_TAG_7                 = 7
复制代码

在剩余的字段中，咱们能够赋予他所包含的数据。在 Intel 中，咱们 Tagged Pointer 对象的表示以下

OBJC_TAG_7类型的 Tagged Pointer 是个例外，它能够将接下来后 8 位做为它的扩展类型字段，基于此咱们能够多支持 256 中类型的 Tagged Pointer，如 UIColors 或 NSIndexSets 之类的对象。

上文中，咱们介绍的是在 Intel 中 Tagged Pointer 的表示，在 ARM64 中，咱们状况有些变化。

咱们使用最高位表明 Tagged Pointer 标识位，最低位 3 位标识 Tagged Pointer 的类型，接下去的位来表示包含的数据（可能包含扩展类型字段），为何咱们使用高位指示 ARM上 的 Tagged Pointer，而不是像 Intel 同样使用低位标记？

它实际是对 objc_msgSend 的微小优化。咱们但愿 msgSend 中最经常使用的路径尽量快。最经常使用的路径表示普通对象指针。咱们有两种不常见的状况：Tagged Pointer 指针和 nil。事实证实，当咱们使用最高位时，能够经过一次比较来检查二者。与分别检查 nil 和 Tagged Pointer 指针相比，这会为 msgSend 中的节省了条件分支。

总结

在 2020 年中，Apple 针对 Objective-C 作了三项优化

• 类数据结构变化：节约了系统更多的内存。
• 相对方法地址：节约了内存，而且提升了性能。
• Tagged Pointer 格式的变化：提升了 msgSend 性能。

经过优化，但愿你们能够享受 iPhone 更好，更快的使用体验。

Tips： 类结构的数据变动会在最新的 Runtime 版本中体现，实测 MacOS 10.5.5 中已经存在。 相对方法地址的优化在 Xcode developmentTarget > 14 时会自动进行处理。 Tagged Pointer 的变化则会在 iOS 14, MacOS Big Sur, iPadOS 14 上生效。

参考连接

TypeEncodeing

Lets build Tagged Pointers

Advances in Objective-C

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