深入理解 Objective-C 的方法调用流程

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hi_xgb
0.2 2016.04.05 22:10* 字数 952

我们知道,Objective-C 的方法调用不同于其他编程语言。在 Objective-C 中,所有的 [receiver message] 都会转换为 objc_msgSend(receiver, @selector(message));

objc_msgSend 的调用又涉及到方法查找、消息动态处理等过程。下面我们结合 objc 的源码来深入了解 Objective-C 的方法调用流程。

首先了解几个概念,

SEL

打开 objc.h,我们能看到 SEL 的定义如下:

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

Objective-C 在编译时,会根据方法的名字生成一个用来区分这个方法的唯一的一个ID,本质上就是一个字符串。只要方法名称相同,那么它们的ID就是相同的。

IMP

打开 objc.h,我们看到 IMP 的定义如下:

typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 

实际上就是一个函数指针,指向方法实现的首地址。

通过取得 IMP,我们可以跳过 runtime 的消息传递机制,直接执行 IMP指向的函数实现,这样省去了 runtime 消息传递过程中所做的一系列查找操作,会比直接向对象发送消息高效一些,当然必须说明的是,这种方式只适用于极特殊的优化场景,如效率敏感的场景下大量循环的调用某方法[1]

直接使用 IMP 执行方法调用的例子如下:

- (void)callFunctionUsingIMP
{
    //Build Setting --> Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls  改为 NO
    void (*imp) (id,SEL,id) = (void (*)(id,SEL,id))[self methodForSelector:@selector(testImp:)];
    imp(self,@selector(testImp:),@"hello");
}

- (void)testImp:(NSString *)string
{
    NSLog(@"%@",string);
}

有两点需要注意:

  1. 需要在 Build Setting 中将 Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls 的设置改为 NO
  2. 通过 methodForSelector 获取到 IMP 需要根据具体的参数进行类型转换,参考这个问题

Method

objc.h 中, Method 的定义如下:

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

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

Method = SEL + IMP + method_types,相当于在SEL和IMP之间建立了一个映射。

iOS方法调用流程

objc_msgSend() Tour 系列文章通过对 objc_msgSend 的汇编源码分析,总结出以下流程:

  1. 检查 selector 是否需要忽略
  2. 检查 target 是否为 nil,如果是 nil 就直接 cleanup,然后 return
  3. 在 target 的 Class 中根据 selector 去找 IMP

寻找 IMP 的过程[2]:

  1. 在当前 class 的方法缓存里寻找(cache methodLists)
  2. 找到了跳到对应的方法实现,没找到继续往下执行
  3. 从当前 class 的 方法列表里查找(methodLists),找到了添加到缓存列表里,然后跳转到对应的方法实现;没找到继续往下执行
  4. 从 superClass 的缓存列表和方法列表里查找,直到找到基类为止
  5. 以上步骤还找不到 IMP,则进入消息动态处理和消息转发流程,详见这篇文章

我们能在 objc.h 源码中找到上述寻找 IMP 的过程,具体对应的代码如下:

/***********************************************************************
* lookUpMethod.
* The standard method lookup. 
* initialize==NO tries to avoid +initialize (but sometimes fails)
* cache==NO skips optimistic unlocked lookup (but uses cache elsewhere)
* Most callers should use initialize==YES and cache==YES.
* May return _objc_msgForward_internal. IMPs destined for external use 
*   must be converted to _objc_msgForward or _objc_msgForward_stret.
**********************************************************************/
__private_extern__ IMP lookUpMethod(Class cls, SEL sel, 
                                    BOOL initialize, BOOL cache)
{
    Class curClass;
    IMP methodPC = NULL;
    Method meth;
    BOOL triedResolver = NO;

    // Optimistic cache lookup
    if (cache) {
        methodPC = _cache_getImp(cls, sel);
        if (methodPC) return methodPC;    
    }

    // realize, +initialize, and any special early exit
    methodPC = prepareForMethodLookup(cls, sel, initialize);
    if (methodPC) return methodPC;


    // 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:
    lockForMethodLookup();

    // Try this class's cache.

    methodPC = _cache_getImp(cls, sel);
    if (methodPC) goto done;

    // 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;
    }

    // Try superclass caches and method lists.

    curClass = cls;
    while ((curClass = _class_getSuperclass(curClass))) {
        // Superclass cache.
        meth = _cache_getMethod(curClass, sel, &_objc_msgForward_internal);
        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;
        }
    }

    // No implementation found. Try method resolver once.

    if (!triedResolver) {
        unlockForMethodLookup();
        _class_resolveMethod(cls, sel);
        // Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have 
        // changed already. Re-do the search from scratch instead.
        triedResolver = YES;
        goto retry;
    }

    // No implementation found, and method resolver didn't help. 
    // Use forwarding.

    _cache_addForwardEntry(cls, sel);
    methodPC = &_objc_msgForward_internal;

 done:
    unlockForMethodLookup();

    // paranoia: look for ignored selectors with non-ignored implementations
    assert(!(sel == (SEL)kIgnore  &&  methodPC != (IMP)&_objc_ignored_method));

    return methodPC;
}

通过上述代码,我们清晰地了解到了 runtime 库寻找 IMP 的过程。

需要注意的是,在 superClass 中寻找 IMP 时,不论是在 cache methodLists 还是 methodLists 中找到 IMP,都会先存入当前 class 的 cache methodLists 再跳转到对应的方法实现。

这是我写的 runtime 系列文章中的一篇,还有以下几篇从其他方面对 runtime 进行了介绍

  1. iOS runtime之消息转发
  2. iOS runtime 之 Class 和 MetaClass
  3. iOS runtime 之 Category
  4. Objective-C 深入理解 +load 和 +initialize

参考资料

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