iOS底层原理总结 -- 利用Runtime源码分析Category的底层实现

时间 2019-11-16

标签 ios 底层原理总结利用 runtime 源码分析 category 实现栏目 iOS 繁體版

原文原文链接

窥探iOS底层实现--OC对象的本质(一)c++

窥探iOS底层实现--OC对象的本质(二)objective-c

窥探iOS底层实现--OC对象的分类：instance、class、meta-calss对象的isa和superclassshell

窥探iOS底层实现-- KVO/KVC的本质数组

iOS底层原理总结 -- 利用Runtime源码分析Category的底层实现 ...xcode

前言：

本文总结了一下Category中的内部去实现部分，代码部分较多，添加了注释，阅读起来可能比较枯燥。可是请你们务必坚持读完。会有更多的收货。app

本文中涉及到Class类对象的内部结构的知识，请参考文章窥探iOS底层实现--OC对象的分类：instance、class、meta-calss对象的isa和superclassiphone

思考：

Category的实现原理？
为何Category的中的方法会优先调用？
延伸问题 - 若是多个分类中都实现了同一个方法，那么在调用该方法的时候会优先调用哪个方法？
扩展和分类的区别？

Category 基本实现

首先看一下分类代码代码的实现可选择性跳过源码分析

///> main.h
int main(int argc, const char *argv[]){
	@autoreleasepool{
	  Person *person = [[Person alloc] init]
  	[person run];
	  [person test];
  	[person eat];
	}
	return 0
}

///> person
@interface Person: NSObject
@end
@implementation Person
- (void)run{
  Nslog(@"run")
}
@end

///> person+test
@interface Person(test)
- (void)test;
@end
@implementation Person(test)
- (void)test{
  Nslog(@"test")
}
@end
  
///> person+Eat
@interface Person(eat)
- (void)eat;
@end
@implementation Person(eat)
- (void)eat{
  Nslog(@"eat")
}
@end
复制代码

分类的底层结构体编译完毕以后post

编译完毕的时候一开始程序运行的时候全部分类的方法一开始都存放在结构体中(每个分类都有一个新的结构体对象)，ui

编译完毕以后 category存放在结构体category_t中并无合并到原始类中每个分类都会生成catrgory_t的结构体，在运行时的时候才会将分类中的方法、协议、属性等合并到原始的类中去。

下面是源码观看的过程在每一步都给出了注释，有点枯燥，可是看完以后会很受益。

分类代码 C\C++源码分析

利用：

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -  OC源文件 -o 输出的CPP文件
复制代码

命令能够查看转化为C\C++代码。会有生成一个xxx.cpp的文件就是咱们想要的文件

能够将其拖入到xcode中，方便搜索

接下来直接搜索 category_t 得出以下结构体我已经将注释放在后面了

struct _category_t{
  const char *name;   ///> 分类的名字
  struct _class_t *cls;   ///> class
  const struct _method_list_t *instance_methods;   ///> 实例方法列表
	const struct _method_list_t *class_methods;   ///>  类方法列表
	const struct _protocol_list_t *protocols;    ///>  协议
	const struct _prop_list_t *properties;   ///> 属性
}
复制代码

每建立一个类都会根会根据以下方法建立一个category_t的结构体

static struct _category_t OBJC_$CATEGORY_PERSON_$_Test __attribute__ ((userd, section("__DATA,__objc_const")))={
  ///> 属于那个类的分类
  "Person",  
  ///> class
  0,
  ///> 对象方法列表
  (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$Test,
  ///> 类方法列表
  (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_Person_$Test,
  ///> 协议列表 
  0, // (const _protocol_list_t *)&_OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_PERSON_$_Test, 
  ///> 属性列表
  0, // (const _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_PERSON_$_Test,
}
复制代码

接下来查看一下 Runtime的源码是怎么将分类合并的，

Runtime源码分析

首先下载Runtimed的源码。 ------ 这里用xcode打开

搜索 "catrgory_t {"

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    struct property_list_t *_classProperties;

    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }

    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};
复制代码

能够看到 Runtime中的结构和上面的category_t的结构相似。

Runtime的程序入口文件为objc-os.mm 文件，

我这里直接到有关Category的代码部分在objc-runtime-new.mm文件中搜搜Discover categories. 的注释代码

// Discover categories. 
   for (EACH_HEADER) {
        /** catlist 是一个二维数组， 每个分类都会建立一个category_t的结构体 这里的二维数组放了两个分类结构体的内容 如代码中的 eat和test catlist = [[],[]] */
        category_t **catlist = 
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();

        ///> 将每个数组中的内容遍历
        for (i = 0; i < count; i++) {
            ///> 获取 单独的category_t结构体
            category_t *cat = catlist[i];
            ///> 从新映射class 取出结构体的class
            Class cls = remapClass(cat->cls);

            if (!cls) {
                // Category's target class is missing (probably weak-linked).
                // Disavow any knowledge of this category.
                catlist[i] = nil;
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
                                 "missing weak-linked target class", 
                                 cat->name, cat);
                }
                continue;
            }

            // Process this category. 
            // First, register the category with its target class. 
            // Then, rebuild the class's method lists (etc) if 
            // the class is realized. 
            bool classExists = NO;
            /// 判断结构体的内容
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
                ||  cat->instanceProperties) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                if (cls->isRealized()) {
                    /// 核心内容 ： 从新组织类中的方法
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name, 
                                 classExists ? "on existing class" : "");
                }
            }

            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
                ||  (hasClassProperties && cat->_classProperties)) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
                if (cls->ISA()->isRealized()) {
                    /// 核心内容 ： 从新组织类中的元类方法
                    remethodizeClass(cls->ISA());
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name);
                }
            }
        }
    }
复制代码

以上代码中找到了核心的方法： remethodizeClass 使用了两次，从新组织类的方法和元类的方法

command+单机，进入

static void remethodizeClass(Class cls) {
    category_list *cats;
    bool isMeta;
    runtimeLock.assertWriting();
    isMeta = cls->isMetaClass();
    // Re-methodizing: check for more categories
    if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls, false/*not realizing*/))) {
        if (PrintConnecting) {
            _objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s", 
                         cls->nameForLogging(), isMeta ? "(meta)" : "");
        }
        
     		///> 附加分类的代码调用 ， 传入了 类对象、分类。
	      ///> cls: [Person class]
				///> cats: [category_t(test), category_t(eat)]
        attachCategories(cls, cats, true /*flush caches*/);        
        free(cats);
    }
}
复制代码

command 进入 attachCategories(cls, cats, true /flush caches/); 方法

///> cls: [Person class]
///> cats: [category_t(test), category_t(eat)]
static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches){
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

    ///> 是不是元类对象
    bool isMeta = cls->isMetaClass();

    // fixme rearrange to remove these intermediate allocations
    ///> malloc 分配内存
    ///> 方法数组 二维数组 eg:[[method_t,method_t], [method_t,method_t]]
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
      
    ///> 属性数组 eg:[[property_t,property_t], [property_t,property_t]]
    property_list_t **proplists = (property_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
  
    ///> 协议数组 eg:[[protocol_t,protocol_t], [protocol_t,protocol_t]]
    protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*protolists));

    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int propcount = 0;
    int protocount = 0;
    int i = cats->count;
    bool fromBundle = NO;
    while (i--) {
        ///> 取出某个分类
        auto& entry = cats->list[i];
        ///> 取出分类中的对象方法
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        ///> 将每个分类的方法列表数组放在 上方定义的二维数组当中！
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }

        property_list_t *proplist = 
            entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
        ///> 将每个分类的协议列表数组放在 上方定义的二维数组当中！
        if (proplist) {
            proplists[propcount++] = proplist;
        }

        protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
        ///> 将每个分类的属性列表数组放在 上方定义的二维数组当中！
        if (protolist) {
            protolists[protocount++] = protolist;
        }
    }

    ///> 取出类对象中的数据
    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    /** 核心代码： rw： 类对象结构体中 有一个erw的结构， 这一步骤就是将数据合并到类对象的 rw结构中去 请参照文章： 将全部的分类的对象方法 附加到类对象中去！ 也就是 在运行d时的时候讲 分类的数据合并到了原始的类对象中！！ */
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    
		free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);

    ///> 同理属性方法列表
    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);
    
    ///> 同理协议方法列表
    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);
}
复制代码

command 进入 rw->methods.attachLists(mlists, mcount); 方法中

/** addedLists: [[method_t, method_t],[method_t, method_t]] addedCount: 2 s二维数组的数量 */
    void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
        if (addedCount == 0) return;

        if (hasArray()) {
            // many lists -> many lists
            ///> 原始数组中的大小 每添加这个分类的
            uint32_t oldCount = array()->count;
            ///> 新的数组大小： 原始的加上新传入的 总计大小
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            ///> realloc 从新分配内存 newCont
            ///> 为了合并分类中的数组 扩充原来数组的大小
            ///> 须要从新分配内存
            setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            
            /* 内存移动 array()->lists 原来的方法列表 addedCount 分类的数组的count 将原来的方法列表挪动到新的位置， (array()->lists + addedCount addedCount是挪动的位数 至关有将原来的方法放到了最后！ */
            memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                    oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
            
            /* 内存挪动 拷贝 array()->lists 原来的方法列表 addedLists 传进来的分类list 上面的方法已经将 类的方法列表作到了扩充 而且类原始带的方法列表向后挪动的 addedCount的位数 为的就是 将传入的分类的方法列表 拷贝到array()->lists(原始方法列表)的最前面， 因此 这就是分类的数据会优先调用的 缘由 */
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            List* oldList = list;
            uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
    }
复制代码

总结分类的一些问题

由源码分析咱们能够得知，

Category的实现原理？

原理：底层结构是结构体 categoty_t 建立好分类以后分两个阶段：
1. 编译阶段：
  
  将每个分类都生成所对应的 category_t结构体，结构体中存放分类的所属类name、class、对象方法列表、类方法列表、协议列表、属性列表。
2. Runtime运行时阶段：
  
  将生成的分类数据合并到原始的类中去，某个类的分类数据会在合并到一个大的数组当中（后参与编译的分类会在数组的前面），分类的方法列表，属性列表，协议列表等都放在二维数组当中，而后从新组织类中的方法，将每个分类对应的列表的合并到原始类的列表中。（合并前会根据二维数组的数量扩充原始类的列表，而后将分类的列表放入前面）
为何Category的中的方法会优先调用？

如上所述，在扩充数组的时候会将原始类中拥有的方法列表移动到后面，将分类的方法列表数据放在前面，因此分类的数据会优先调用
延伸问题 - 若是多个分类中都实现了同一个方法，那么在调用该方法的时候会优先调用哪个方法？

在多个分类中拥有相同的方法的时候，会根据编译的前后顺序来添加分类方法列表，后编译的分类方法在最前面，因此要看 Build Phases --> compile Sources中的顺序。后参加编译的在前面。
扩展和分类的区别

扩展@interface 是匿名分类，不是分类。就是属性添加在编译的时候就加入到了类中

category在runtime中才合并的。

参考：

Runtime源码地址：Source Browser:OBJective-c源码找到objc4，下载版本号最大是最新的源码
MJ老师底层相关视频

再次感谢！！

若有错误之处还请各位大神指出！！

iOS底层原理总结 -- 利用Runtime源码 分析Category的底层实现

前言：

思考：