iOS 底层探索： objc_msgSend 慢速查找

iOS 底层探索： 学习大纲 OC篇

前言

  • 消息转发objc_msgSend 可以分为两个部分：一部分是objc_msgSend本身自己的快速路径（汇编编写的部分），另一部分是慢速路径（用C实现）。如果它是在汇编方式找到的缓存中的方法就跳转它。如果方法不在缓存中，它将调用C代码来处理事件。
  • 这篇主要内容是分析消息转发机制objc_msgSend慢速查找。继续探究__objc_msgSend_uncached之后的内容。

准备工作

一 、调用方法的举例分析

分析：
我们可以看到，我们使用[LGStudent performSelector:@selector(sayEasy)]，调用NSObject中的实例方法，也调用成功了；这个实际上，我们在之前的文章中也有提到过什么原因，这里再来回顾一下，首先类方法实际就是在元类中以实例方法的方式进行存储的，而元类的根源类，也是继承于NSObject的，所以在方法查找的过程中，类方法会最终查找到NSObject类的实例方法，找到并执行了；但是还有一部分方法是在本类，以及父类都找不到的时候就会崩溃，下面我们就进行分析一下

经典的isa图分析：


总结：

对象的实例方法：

  • 自己有
  • 自己没有-->父类有
  • 自己没有-->父类没有-->父类的父类----直到NSObject
  • 自己没有-->父类没有-->直到NSObject也没有--->崩溃

对象的类方法：

  • 自己有
  • 自己没有-->父类有
  • 自己没有-->父类没有-->父类的父类----直到NSObject
  • 自己没有-->父类没有-->直到NSObject类方法没有-->NSObject实例方法
  • 自己没有-->父类没有-->直到NSObject类方法没有-->NSObject实例方法没有--崩溃

以上例子证明了方法的查找流程,这种一层层的在父类中查找的方式称为慢速查找。

二 、慢速查找源码分析

回忆汇编写的快速查找流程中，如果check miss 就_ _objc_msgSend_uncached,查看源码：

注：
1、C/C++中调用 汇编 ，去查找汇编时，C/C++调用的方法需要多加一个下划线
2、汇编 中调用 C/C++方法时，去查找C/C++方法，需要将汇编调用的方法去掉一个下划线


STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
    UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves

    // THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
    // Out-of-band p16 is the class to search
    // 开始查询方法列表
    MethodTableLookup
    TailCallFunctionPointer x17

    END_ENTRY _ _objc_msgSend_uncached

MethodTableLookup的源码：

.macro MethodTableLookup
    
    // push frame
    SignLR
    stp fp, lr, [sp, #-16]!
    mov fp, sp

    // save parameter registers: x0..x8, q0..q7
    sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
    stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    str x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    mov x2, x16
    mov x3, #3
    bl  _lookUpImpOrForward //关键方法：查找imp 找不到就 向前查找

    ......

汇编调试验证：

  • 打断点

  • 开启汇编调试【Debug -- Debug worlflow -- 勾选Always show Disassembly】；

  • 按control + stepinto

    过程如下:
  • lookUpImpOrForward 就是慢速查找的入口。
  • 在objc4 源码中查找 lookUpImpOrForward的实现 ，在objc-runtime-new.mm中：
// behavior 后面流程作为判断的用来区分lookup的类型
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    // 定义的消息转发
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 
    IMP imp = nil;
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 快速查找，如果找到则直接返回imp
    //目的：防止多线程操作时，刚好调用函数，此时缓存进来了
    if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) { 
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) goto done_nolock;
    }
    
    //加锁，目的是保证读取的线程安全
    runtimeLock.lock();
    
    //判断是否是一个已知的类：判断当前类是否是已经被认可的类，即已经加载的类
    checkIsKnownClass(cls); 
    
    //判断类是否实现，如果没有，需要先实现，此时的目的是为了确定父类链，方法后续的循环
    if (slowpath(!cls->isRealized())) { 
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }

    //判断类是否初始化，如果没有，需要先初始化
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) { 
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

    runtimeLock.assertLocked();
    curClass = cls;

    //----查找类的缓存
    
    // unreasonableClassCount -- 表示类的迭代的上限
    //（猜测这里递归的原因是attempts在第一次循环时作了减一操作，然后再次循环时,仍在上限的范围内，所以可以继续递归）
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) { 
        //---当前类方法列表（采用二分查找算法），如果找到，则返回，将方法缓存到cache中
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
        //当前类 = 当前类的父类，并判断父类是否为nil
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //--未找到方法实现，方法解析器也不行，使用转发
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        // 如果父类链中存在循环，则停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // --父类缓存
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) { 
            // 如果在父类中找到了forward，则停止查找，且不缓存，首先调用此类的方法解析器
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            //如果在父类中，找到了此方法，将其存储到cache中
            goto done;
        }
    }

    //没有找到方法实现，尝试一次方法解析

    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //动态方法决议的控制条件，表示流程只走一次
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

 done:
    //存储到缓存
    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); 
    //解锁
    runtimeLock.unlock();
 done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;
}

画图解释其流程：

待分析1:
cache_getImp 源码是汇编调用方法：_cache_getImp

_cache_getImp

待分析2:

  • realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked 实现类的加载和 initializeAndLeaveLocked的初始化，这个有关于，类 ，分类，父类的加载后面在分析类的加载流程的时候会详细的探索。

  • 这里判断的目的：类是否实现，如果没有，则需要先实现，确定其父类链，此时实例化的目的是为了确定父类链、ro、以及rw等，方法后续数据的读取以及查找的循环

待分析3:
getMethodNoSuper_nolock方法：二分查找方法列表

  • 二分查找分析：二分查找操作的数据集是一个有序的数据集 ；
  • Sel 会转成相应的数值，所以method_list_t是递增的。

源码中分析：

/***********************************************************************
 * search_method_list_inline
 **********************************************************************/
ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
    ASSERT(list);

    const method_t * const first = &list->first; //获取list中第一个method_t 为first
    const method_t *base = first;//创建临时method_t 为 base
    const method_t *probe;  // 创建method_t变量 probe
    uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key; //创建临时SEL ：keyValue 等价于  key ; 类型 ： unsigned long  说明：方法名“sey666” 被转换为一个unsigned long类型
    uint32_t count; //count = list->count 为方法列表的中方法的总个数

    //count >>= 1 右移1 位 ；就是除以2 即二分查找  举例 8 >> 1 = 4
    //假如count = 8
    for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
        probe = base + (count >> 1);  //第一次循环 取下标为probe = 0 + 4 = 4 的method_t
        uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name; //获取probe的unsigned long类型的方法名
        if (keyValue == probeValue) { // 这里做判断 probe如果等于  keyValue（“say666”）
            while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) { // 查看是否是分类方法
                probe--; // 为什么找到了还-- ？因为防止类的分类方法也加载进来了 ，分类方法存储滞后，所以可能本类的方法在前面 所以优先取本类的方法
            }
            return (method_t *)probe;
        }
        if (keyValue > probeValue) { //如果keyValue> probeValue 让 count-- 并且 base = probe + 1; 进入下一次二分查找
            base = probe + 1;
            count--;
        }
    }
    
    return nil;
}

二分查找流程图学习：
二分查找流程图
  • 如果找不到就返回nil

待分析4:

  • 没有找到方法实现，尝试一次方法解析：动态方法决议和消息转发 详细请看下篇 。
    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //动态方法决议的控制条件
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

进入动态方法决议阶段，源码如下

static NEVER_INLINE IMP
resolveMethod_locked(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    runtimeLock.assertLocked();
    ASSERT(cls->isRealized());
    runtimeLock.unlock();
//判断是否是元类
    if (! cls->isMetaClass()) {
        resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);//类执行解析方式
    } 
    else {
        resolveClassMethod(inst, sel, cls); //元类执行解析方式
        if (!lookUpImpOrNil(inst, sel, cls)) {
            resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);//类执行解析方式
        }
    }
//重新进入 lookUpImpOrForward  根据 behavior | LOOKUP_CACHE进行判断执行方式
    return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior | LOOKUP_CACHE);
}

三、简单介绍消息转发

在方法查找过程中，经过缓存查找，方法列表查找和动态方法决议，如果以上步骤都没有查找到IMP，会分如下两步：

  1. 如果动态方法决议仍然没有找到实现，则进行消息转发：
消息转发阶段

2 .没有进行方法动态决议，消息转发也没实现，那么就会进入最后一步，找不到imp就崩溃处理unrecognized selector sent to instance。
如下图:

不做方法动态决议处理

四、总结

  • 1.当在 objc_msgSend 缓存中没有找到方法，就会来到 CheckMiss -> __objc_msgSend_uncached -> MethodTableLookup -> lookUpImpOrForward 进行慢速查找流程;
  • 2.在 lookUpImpOrForward 里面会先去本类当中查找方法 ;getMethodNoSuper_nolock ，本类没有找到就会去递归的去父类当中查找。
  • 3.如果本类和父类都没有找到，就会进行动态方法决议_class_resolveMethod ;
  • 4.动态方法我们还不处理，最后就会走到 将 imp 置换成 forward_imp ,
    最终到 _objc_forward_handler 方法 崩溃报错 unrecognized selector sent to instance ...
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