Runtime源码 方法调用的过程

前言

Objective-C语言的一大特性就是动态的，根据官方文档的描述：在runtime以前，消息和方法并非绑定在一块儿的，编译器会把方法调用转换为objc_msgSend(receiver, selector)，若是方法中带有参数则转换为objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)接下来咱们经过源码一窥究竟，在次以前咱们先了解几个基本概念

• SEL 在objc.h文件中咱们能够看到以下代码：

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;
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SEL其实就是一个不透明的类型它表明一个方法选择子，在编译期，会根据方法名字生成一个ID。

• IMP 在objc.h文件中咱们能够看到IMP：

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif
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他是一个函数指针，指向方法实现的首地址。

• Method

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;  

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;
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它保存了SEL到IMP和方法类型，因此咱们能够经过SEL调用对应的IMP

方法调用的流程

objc_msgSend的消息分发分为如下几个步骤： 咱们找到objc _msgSend源码，都是汇编，不过注释比较详尽

/********************************************************************
 *
 * id objc_msgSend(id self, SEL	_cmd,...);
 * IMP objc_msgLookup(id self, SEL _cmd, ...);
 *
 * objc_msgLookup ABI:
 * IMP returned in r11
 * Forwarding returned in Z flag
 * r10 reserved for our use but not used
 *
 ********************************************************************/
	
	.data
	.align 3
	.globl _objc_debug_taggedpointer_classes
_objc_debug_taggedpointer_classes:
	.fill 16, 8, 0
	.globl _objc_debug_taggedpointer_ext_classes
_objc_debug_taggedpointer_ext_classes:
	.fill 256, 8, 0

	ENTRY _objc_msgSend
	UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
	MESSENGER_START

	NilTest	NORMAL

	GetIsaFast NORMAL		// r10 = self->isa
	CacheLookup NORMAL, CALL	// calls IMP on success

	NilTestReturnZero NORMAL

	GetIsaSupport NORMAL

// cache miss: go search the method lists
LCacheMiss:
	// isa still in r10
	MESSENGER_END_SLOW
	jmp	__objc_msgSend_uncached

	END_ENTRY _objc_msgSend

	
	ENTRY _objc_msgLookup

	NilTest	NORMAL

	GetIsaFast NORMAL		// r10 = self->isa
	CacheLookup NORMAL, LOOKUP	// returns IMP on success

	NilTestReturnIMP NORMAL

	GetIsaSupport NORMAL

// cache miss: go search the method lists
LCacheMiss:
	// isa still in r10
	jmp	__objc_msgLookup_uncached

	END_ENTRY _objc_msgLookup

	
	ENTRY _objc_msgSend_fixup
	int3
	END_ENTRY _objc_msgSend_fixup

	
	STATIC_ENTRY _objc_msgSend_fixedup
	// Load _cmd from the message_ref
	movq	8(%a2), %a2
	jmp	_objc_msgSend
	END_ENTRY _objc_msgSend_fixedup

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就此咱们大概能够了解到其调用流程：

• 判断receiver是否为nil，也就是objc_msgSend的第一个参数self，也就是要调用的那个方法所属对象

• 从缓存里寻找，找到了则分发，不然

• 利用objc-class.mm中_ class _lookupMethodAndLoadCache3方法去寻找selector

  • 若是支持GC，忽略掉非GC环境的方法（retain等）
  • 从本class的method list寻找selector，若是找到，填充到缓存中，并返回selector，不然
  • 寻找父类的method list，并依次往上寻找，直到找到selector，填充到缓存中，并返回selector，不然
  • 调用_class_resolveMethod，若是能够动态resolve为一个selector，不缓存，方法返回，不然
  • 转发这个selector，不然
  • 报错，抛出异常

这里的**_ class _lookupMethodAndLoadCache3其实就是对lookUpImpOrForward**方法的调用：

/***********************************************************************
* _class_lookupMethodAndLoadCache.
* Method lookup for dispatchers ONLY. OTHER CODE SHOULD USE lookUpImp().
* This lookup avoids optimistic cache scan because the dispatcher 
* already tried that.
**********************************************************************/
IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{        
    return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, 
                              YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/);
}
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对第五个参数cache传值为NO，由于在此以前已经作了一个查找这里CacheLookup NORMAL, CALL，这里是对缓存查找的一个优化。

接下来看一下lookUpImpOrForward的一些关键实现细节

• 缓存查找优化

// Optimistic cache lookup
 if (cache)  
     methodPC = _cache_getImp(cls, sel);
     if (methodPC) return methodPC;    
 }
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这里有个判断，是否须要缓存查找，若是cache为NO则进入下一步

• 检查被释放类

// Check for freed class
if (cls == _class_getFreedObjectClass())
	return (IMP) _freedHandler;
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_class _getFreedObjectClass的实现：

/***********************************************************************
* _class_getFreedObjectClass.  Return a pointer to the dummy freed
* object class.  Freed objects get their isa pointers replaced with
* a pointer to the freedObjectClass, so that we can catch usages of
* the freed object.
**********************************************************************/
static Class _class_getFreedObjectClass(void)
{
    return (Class)freedObjectClass;
}
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注释写到，这里返回的被释放对象的指针，不是太理解，备注这之后再看看

• 懒加载+initialize

// Check for +initialize
    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 
        // then the messenger will send +initialize again after this 
        // procedure finishes. Of course, if this is not being called 
        // from the messenger then it won't happen. 2778172 } 复制代码

在方法调用过程当中，若是类没有被初始化的时候，会调用_class_initialize对类进行初始化，关于+initialize能够看以前的Runtime源码 +load 和 +initialize。

• 加锁保证原子性

// The lock is held to make method-lookup + cache-fill atomic 
    // with respect to method addition. Otherwise, a category could 
    // be added but ignored indefinitely because the cache was re-filled 
    // with the old value after the cache flush on behalf of the category.
retry:
    methodListLock.lock();

    // Try this class's cache. methodPC = _cache_getImp(cls, sel); if (methodPC) goto done; 复制代码

这里又作了一次缓存查找，由于上一步执行了+initialize

加锁这一部分只有一行简单的代码，其主要目的保证方法查找以及缓存填充（cache-fill）的原子性，保证在运行如下代码时不会有新方法添加致使缓存被冲洗（flush）。

• 本类的方法列表查找

// Try this class's method lists. meth = _class_getMethodNoSuper_nolock(cls, sel); if (meth) { log_and_fill_cache(cls, cls, meth, sel); methodPC = method_getImplementation(meth); goto done; } 复制代码

这里调用了log_ and_ fill_cache这个后面来看，接下里就是

• 父类方法列表查找

// Try superclass caches and method lists.

    curClass = cls;
    while ((curClass = curClass->superclass)) {
        // Superclass cache.
        meth = _cache_getMethod(curClass, sel, _objc_msgForward_impcache);
        if (meth) {
            if (meth != (Method)1) {
                // Found the method in a superclass. Cache it in this class.
                log_and_fill_cache(cls, curClass, meth, sel);
                methodPC = method_getImplementation(meth);
                goto done;
            }
            else {
                // Found a forward:: entry in a superclass.
                // Stop searching, but don't cache yet; call method // resolver for this class first. break; } } // Superclass method list. meth = _class_getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel); if (meth) { log_and_fill_cache(cls, curClass, meth, sel); methodPC = method_getImplementation(meth); goto done; } } 复制代码

关于消息在列表方法查找的过程，根据官方文档以下：

这里沿着集成体系对父类的方法列表进行查找，找到了就调用log_ and_ fill_cache

log_ and_ fill_cach的实现：
记录:

/***********************************************************************
* log_and_fill_cache
* Log this method call. If the logger permits it, fill the method cache.
* cls is the method whose cache should be filled. 
* implementer is the class that owns the implementation in question.
**********************************************************************/
static void
log_and_fill_cache(Class cls, Class implementer, Method meth, SEL sel)
{
#if SUPPORT_MESSAGE_LOGGING
    if (objcMsgLogEnabled) {
        bool cacheIt = logMessageSend(implementer->isMetaClass(), 
                                      cls->nameForLogging(),
                                      implementer->nameForLogging(), 
                                      sel);
        if (!cacheIt) return;
    }
#endif
    _cache_fill (cls, meth, sel);
}
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内部调用了**_cache _fill**，填充缓存：

/***********************************************************************
* _cache_fill.  Add the specified method to the specified class' cache. * Returns NO if the cache entry wasn't added: cache was busy, 
*  class is still being initialized, new entry is a duplicate.
*
* Called only from _class_lookupMethodAndLoadCache and
* class_respondsToMethod and _cache_addForwardEntry.
*
* Cache locks: cacheUpdateLock must not be held.
**********************************************************************/
bool _cache_fill(Class cls, Method smt, SEL sel)
{
    uintptr_t newOccupied;
    uintptr_t index;
    cache_entry **buckets;
    cache_entry *entry;
    Cache cache;

    cacheUpdateLock.assertUnlocked();

    // Never cache before +initialize is done
    if (!cls->isInitialized()) {
        return NO;
    }

    // Keep tally of cache additions
    totalCacheFills += 1;

    mutex_locker_t lock(cacheUpdateLock);

    entry = (cache_entry *)smt;

    cache = cls->cache;

    // Make sure the entry wasn't added to the cache by some other thread // before we grabbed the cacheUpdateLock. // Don't use _cache_getMethod() because _cache_getMethod() doesn't // return forward:: entries. if (_cache_getImp(cls, sel)) { return NO; // entry is already cached, didn't add new one
    }

    // Use the cache as-is if it is less than 3/4 full
    newOccupied = cache->occupied + 1;
    if ((newOccupied * 4) <= (cache->mask + 1) * 3) {
        // Cache is less than 3/4 full.
        cache->occupied = (unsigned int)newOccupied;
    } else {
        // Cache is too full. Expand it.
        cache = _cache_expand (cls);

        // Account for the addition
        cache->occupied += 1;
    }

    // Scan for the first unused slot and insert there.
    // There is guaranteed to be an empty slot because the 
    // minimum size is 4 and we resized at 3/4 full.
    buckets = (cache_entry **)cache->buckets;
    for (index = CACHE_HASH(sel, cache->mask); 
         buckets[index] != NULL; 
         index = (index+1) & cache->mask)
    {
        // empty
    }
    buckets[index] = entry;

    return YES; // successfully added new cache entry
}
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这里还没找到实现则进入下一步，动态方法解析和消息转发，关于消息转发的细节咱们下篇再看。

方法缓存

在上面截出的源码中咱们屡次看到了cache,下面咱们就来看看这个，在runtime.h和objc-runtime-newcache的定义以下

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method _Nullable buckets[1]                              OBJC2_UNAVAILABLE;
};
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struct cache_t {
  struct bucket_t *_buckets;
  mask_t _mask;
  mask_t _occupied;
  ...
}
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这就是cache在runtime层面的表示，里面的字段和表明的含义相似

• buckets
  数组表示的hash表，每一个元素表明一个方法缓存
• mask
  当前能达到的最大index（从0开始），，因此缓存的size（total）是mask+1
• occupied
  被占用的槽位，由于缓存是以散列表的形式存在的，因此会有空槽，而occupied表示当前被占用的数目

而在_ buckets中包含了一个个的cache_entry和bucket_t（objc2.0的变动）：

typedef struct {
    SEL name;     // same layout as struct old_method
    void *unused;
    IMP imp;  // same layout as struct old_method
} cache_entry;
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cache_entry定义也包含了三个字段，分别是：

• name，被缓存的方法名字
• unused，保留字段，还没被使用。
• imp，方法实现

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
    ...
}
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而bucket_t则没有了老的unused，包含了两个字段：

• key，方法的标志(和以前的name对应)
• imp, 方法的实现

后记

从runtime的源码咱们知道了方法调用的流程和方法缓存，有些附带的问题答案也就呼之欲出了：

• 方法缓存在元类的上，由第一节(Runtime源码 类、对象、isa)咱们就知道在objc_class的isa指向了他的元类，因此每一个类都只有一份方法缓存，而不是每个类的object都保存一份。
• 在方法调用的父类方法列表查找过程当中，若是命中了也会调用_cache_fill (cls, meth, sel);，因此即使是从父类取到的方法，也会存在类自己的方法缓存里。而当用一个父类对象去调用那个方法的时候，也会在父类的metaclass里缓存一份。
• 缓存容量限制，在上面的代码中咱们注意到这个判断：

// Use the cache as-is if it is less than 3/4 full
mask_t newOccupied = cache->occupied() + 1;
mask_t capacity = cache->capacity();
if (cache->isConstantEmptyCache()) {
    // Cache is read-only. Replace it.
    cache->reallocate(capacity, capacity ?: INIT_CACHE_SIZE);
}
else if (newOccupied <= capacity / 4 * 3) {
     // Cache is less than 3/4 full. Use it as-is.
}
else {
     // Cache is too full. Expand it.
     cache->expand();
}
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当cache为空时建立；当新的被占用槽数小于等于其容量的3/4时，直接使用；不然调用cache->expand();扩充容量：

void cache_t::expand()
{
    cacheUpdateLock.assertLocked();
    
    uint32_t oldCapacity = capacity();
    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); } 复制代码

• 为何类的方法列表不直接作成散列表呢，作成list，还要单独缓存，多费事？
  散列表是没有顺序的，Objective-C的方法列表是一个list，是有顺序的 这个问题么，我以为有如下三个缘由：
  • Objective-C在查找方法的时候会顺着list依次寻找，而且category的方法在原始方法list的前面，须要先被找到，若是直接用hash存方法，方法的顺序就无法保证。
  • list的方法还保存了除了selector和imp以外其余不少属性。
  • 散列表是有空槽的，会浪费空间。

相关资料：
美团酒旅博文：深刻理解Objective-C：方法缓存
官方文档：Messaging