load 与 initialize 方法

+load 与 +initialize 的异同

  1. +load 方法会在 main() 函数之前调用，而 +initialize 是在类第一次使用时才会调用

  2. +load 方法调用优先级：父类>子类>分类，并且不会被覆盖，均会调用

  3. +initialize 调用优先级：分类>父类，父类>子类，父类的分类重写了 +initialize方法会覆盖父类的 +initialize 方法。即：

    • 如果分类和父类均实现了 +initialize，则只有分类的 +initialize 会被调用；
    • 如果父类和子类均实现了 +initialize，第一次引用 子类时，先调用父类的 +initialize，再调用子类的 +initialize；
    • 如果父类实现了 +initialize，则第一次引用子类时，会调用两次父类的 +initialize

  4. +load 方法在 main() 函数之前调用，所有的类文件都会加载，分类也会加载

  5. 均无须显式调用 super 方法

+load 方法

0x01 load 方法的加载时机

苹果文档描述如下

Invoked whenever a class or category is added to the Objective-C runtime.

当 class 或者 category 添加到 runtime 时被唤醒。即 +load 是在这个文件被程序加载时调用，因此 +load 方法是在 main 函数以前调用

0x02 load 方法调用顺序
// 定义了如下的类
// 1. TestModel
// 2. TestModel 的子类 SubTestModel
// 3. TestModel Category 类

// 输出如下
TestModel load
SubTestModel load
TestModel Category load

可以看到系统调用顺序是父类->子类->分类

0x03 load 方法的使用场景

由于 +load 方法在 App 启动加载的时候调用，此时不能保证所有的类被加载完成。

+load 方法是线程安全的，因为内部有锁，但是也带了一定的性能开销。所以一般会在 +load 方法中实现 Method Swizzle

0x04 load 方法实现原理

打断点查看调用栈

打断点可以看到 load_images 函数开始加载，在 call_load_methods 调用所有类的 +load 方法。打开 runtime 源码，这里下载的是 objc4-709，找到 objc-runtime-new.mm 文件，找到 load_images 函数。

void
load_images(const char *path __unused, const struct mach_header *mh)
{
    // Return without taking locks if there are no +load methods here.
    if (!hasLoadMethods((const headerType *)mh)) return;

    recursive_mutex_locker_t lock(loadMethodLock);

    // Discover load methods
    {
        rwlock_writer_t lock2(runtimeLock);
        prepare_load_methods((const headerType *)mh);
    }

    // Call +load methods (without runtimeLock - re-entrant)
    call_load_methods();
}

可以看到调用了 prepare_load_methods 函数，提前准备需要调用的所有 load 函数。

看下 prepare_load_methods 函数内部实现

void prepare_load_methods(const headerType *mhdr)
{
    size_t count, i;

    runtimeLock.assertWriting();

    classref_t *classlist = 
        _getObjc2NonlazyClassList(mhdr, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        schedule_class_load(remapClass(classlist[i]));
    }

    category_t **categorylist = _getObjc2NonlazyCategoryList(mhdr, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        category_t *cat = categorylist[i];
        Class cls = remapClass(cat->cls);
        if (!cls) continue;  // category for ignored weak-linked class
        realizeClass(cls);
        assert(cls->ISA()->isRealized());
        add_category_to_loadable_list(cat);
    }
}

可以看到 prepare_load_methods 内部先获取 class 的 load 方法，然后才获取 category 中的 load 方法。因此 load 方法的加载顺序为 class->category

继续看内部调用的 schedule_class_load() 函数

static void schedule_class_load(Class cls)
{
    if (!cls) return;
    assert(cls->isRealized());  // _read_images should realize

    if (cls->data()->flags & RW_LOADED) return;

    // Ensure superclass-first ordering
    schedule_class_load(cls->superclass);

    add_class_to_loadable_list(cls);
    cls->setInfo(RW_LOADED); 
}

这是一个递归函数，保证父类先被添加进类表，然后才是类本身。所以 superClass 和 class 的 load 方法加载顺序为 superClass->class。

继续看 add_class_to_loadable_list 函数

void add_class_to_loadable_list(Class cls)
{
    IMP method;

    loadMethodLock.assertLocked();

    method = cls->getLoadMethod();
    if (!method) return;  // Don't bother if cls has no +load method
    
    if (PrintLoading) {
        _objc_inform("LOAD: class '%s' scheduled for +load", 
                     cls->nameForLogging());
    }
    
    if (loadable_classes_used == loadable_classes_allocated) {
        loadable_classes_allocated = loadable_classes_allocated*2 + 16;
        loadable_classes = (struct loadable_class *)
            realloc(loadable_classes,
                              loadable_classes_allocated *
                              sizeof(struct loadable_class));
    }
    
    loadable_classes[loadable_classes_used].cls = cls;
    loadable_classes[loadable_classes_used].method = method;
    loadable_classes_used++;
}

loadable_classes 是一个全局的结构体， add_class_to_loadable_list 作用是将模块里所有类的 load 函数存放到loadable_classes 中。load 函数加载完毕，下面看一下 load 函数的调用 call_load_methods() 函数。

void call_load_methods(void)
{
    static bool loading = NO;
    bool more_categories;

    loadMethodLock.assertLocked();

    // Re-entrant calls do nothing; the outermost call will finish the job.
    if (loading) return;
    loading = YES;

    void *pool = objc_autoreleasePoolPush();

    do {
        // 1. Repeatedly call class +loads until there aren't any more
        while (loadable_classes_used > 0) {
            call_class_loads();
        }

        // 2. Call category +loads ONCE
        more_categories = call_category_loads();

        // 3. Run more +loads if there are classes OR more untried categories
    } while (loadable_classes_used > 0  ||  more_categories);

    objc_autoreleasePoolPop(pool);

    loading = NO;
}

关键函数是 call_class_loads()和call_category_loads() 。可以看出，在所有类的 load 方法调用完毕，才会调用 category 的 load 方法

call_class_loads() 的实现如下

static void call_class_loads(void)
{
    int i;
    
    // Detach current loadable list.
    struct loadable_class *classes = loadable_classes;
    int used = loadable_classes_used;
    loadable_classes = nil;
    loadable_classes_allocated = 0;
    loadable_classes_used = 0;
    
    // Call all +loads for the detached list.
    for (i = 0; i < used; i++) {
        Class cls = classes[i].cls;
        load_method_t load_method = (load_method_t)classes[i].method;
        if (!cls) continue; 

        if (PrintLoading) {
            _objc_inform("LOAD: +[%s load]\n", cls->nameForLogging());
        }
        (*load_method)(cls, SEL_load);
    }
    
    // Destroy the detached list.
    if (classes) free(classes);
}

上面的代码其实就是从 loadable_classes 中把 load 函数取出来，然后调用。需要注意的是 (*load_method)(cls, SEL_load);，load 方法是直接使用函数指针调用，即走 C 语言函数调用的流程，不是发送消息，并不会走消息转发流程，也就是说如果一个类实现了 load 函数就会调用，如果没有实现也不会调用该类的父类 load 函数。

+initialize 方法

0x01 initialize 方法加载时机

苹果官网描述

Initializes the class before it receives its first message.

这意味着这个函数是懒加载，只有当类接收了第一个消息的时候才会调用 initialize 方法，否则一直不会调用

0x02 initialize 方法的调用顺序

父类->子类，分类会覆盖类，如果子类没有实现 initialize 方法，父类会调用两次

  1. 子类实现了 initialize，会先调用父类 initialize，再调用子类 initialize
  2. 子类没有实现 initialize，父类 initialize 方法会调用两次
  3. 如果先引用父类的实例对象，再引用子类实例对象，则会在引用父类实例对象时调用父类 initialize 方法；当引用子类实例对象时，由于父类的 initialize 方法已经执行，所以此时只调用子类 initialize 方法
  4. 如果先引用子类的实例对象，再引用父类的实例对象，则会在引用子类的实例对象时，在调用 initialize 方法前，先调用父类 initialize 方法，再调用子类的 initialize 方法；当引用父类实例对象时，由于在引用子类实例对象时已经调用了 initialzie 方法了，此时不再调用 initialize 方法

由于 initialzie 方法可能会被调用多次，所以为保证 initialize 方法只被调用一次，苹果建议

+ (void)initialize {
  if (self == [ClassName self]) {
    // ... do the initialization ...
  }
}

或者使用 dispatch_once

0x03 initialize 方法使用场景

initialize 是线程安全的，有可能阻塞线程，所以 initialize 方法应该限制做一些简单不复杂的类初始化的前期准备工作

0x04 initialize 方法实现原理

打断点查看 initialize 方法的调用栈

可以看到在调用 _class_initialize 函数之前，调用了 lookUpImpOrForward 函数，我们先看一下 lookUpImOrForward 函数的实现：

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = nil;
    bool triedResolver = NO;

    runtimeLock.assertUnlocked();
    ...
    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        runtimeLock.read();
        // 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
    }
    ...    
}

该函数调用了 _class_initialize 函数，看一下 _class_initialize 内部实现：

void _class_initialize(Class cls)
{
    assert(!cls->isMetaClass());

    Class supercls;
    bool reallyInitialize = NO;

    // Make sure super is done initializing BEFORE beginning to initialize cls.
    // See note about deadlock above.
    supercls = cls->superclass;
    if (supercls  &&  !supercls->isInitialized()) {
        _class_initialize(supercls);
    }
    
    // Try to atomically set CLS_INITIALIZING.
    {
        monitor_locker_t lock(classInitLock);
        if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) {
            cls->setInitializing();
            reallyInitialize = YES;
        }
    }   
    if (reallyInitialize) {
            callInitialize(cls);
    }
    ...
}

_class_initialize 函数中调用了 callInitialize 函数，其中的调用顺序是从父类开始，到子类的，并且根据 if (supercls && !supercls->isInitialized()) 来看，如果父类已经调用过 initialize 函数，则父类不会再次调用 initialize 函数，对应了前文方法调用顺序中的 1、3，if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) 对应前文调用顺序中的 4

我们继续看下 callInitialize 函数做了什么：

void callInitialize(Class cls)
{
    ((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);
    asm("");
}

callInitialize 函数的工作简单，就是发送消息。这是和 load 函数实现不一样的地方。load 函数的调用直接是函数指针的调用，而 initialize 函数是消息转发。所以 class 的子类就算没有实现 initialize 函数，也会调用父类的 initialize 函数。对应了前文调用顺序中的 2

参考

  1. load
  2. initialize
  3. objc-runtime-new
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