关于iOS底层原理的若干解析

今天看到了这位兄弟的面试题总结文章:先是程序员,然后才是iOS程序员 — 写给广大非科班iOS开发者的一篇面试总结,里面的问题确实不错,所以就查资料学习了下,在这给个答案(链接-_-),以及一些其他的原理和发散。

问题

  1. 如果让你实现属性的weak,如何实现的?
  • 如果让你来实现属性的atomic,如何实现?
  • KVO为什么要创建一个子类来实现?
  • 类结构体的组成,isa指针指向了什么?(这里应该将元类和根元类也说一下)
  • RunLoop有几种事件源?有几种模式?
  • 方法列表的数据结构是什么?
  • 分类是如何实现的?它为什么会覆盖掉原来的方法?

1. weak原理

weak 弱引用的实现方式

这篇文章我觉得写得很好,我用自己的话简单总结下:
weak是啥?在一个对象被释放后,指向它的所有weak指针都跟着被设为nil,所以关键就是怎么从这个对象找到所有指向它的weak指针

系统使用一张表,用对象的地址做key,值是对象的引用计数和weak指针表。
在类似__weak SomeClass *obj = otherObj这种的时候,调用storeWeak方法把新指针obj和对象otherObj关联起来,实际干的就是:

  • 使用指针获取旧的对象,在使用旧对象获取旧对象的weak表,把指针从就旧对象的weak表里移除
  • 使用新对象获取新对象的weak表,把指针加入到weak表里

2.实现atomic

stackoverflow的这个问题很好

简单说,在属性的getter/setter实现里,先加锁然后再对变量进行访问

- (UITextField *) userName {
    UITextField *retval = nil;
    @synchronized(self) {
        retval = [[userName retain] autorelease];
    }
    return retval;
}

- (void) setUserName:(UITextField *)userName_ {
    @synchronized(self) {
      [userName_ retain];
      [userName release];
      userName = userName_;
    }
}

发散下

  • 首先这样做就会加大开销,因为开锁解锁
  • 然后这样做,实际很多时候并不能保证线程同步的作用,除了上面的stackoverflow问题里的第一个答案提到的firstname+secondname的例子,我可以举一个:比如仓库里有5袋米,然后10个人去拿,每个人就相当于每个线程,每个线程先要check是否还有米,然后决定去拿use。atomic只能保证你check的时候是独立的,use的时候也是独立的,这样可能出现什么?5人check完,第一个人还没有use,那么第6个人check的时候,他以为还有5袋米,然后他也去拿,最后结果就是米的数量变成了负数。

简单说,就是check和use要正整体加锁:

lock->check->use->unlock

atomic是在属性内部实现的加锁,即相当于:
lock->check->unlock->可能其他线程插入进来...->lock->use->unlock

  • 然后提到@synchronized,就也说下它的原理,参考这里
    简单说:
@synchronized(obj) {
    // do work
}

也是用一张哈希表,在进入这个代码块的时候,使用obj这个对象获取对应的递归锁,然后加锁,在出代码块的时候解锁。所以这是以obj的地址为唯一性的锁。

3. KVO的原理

原理参考
实现一个自己的KVO参考

  • 在你给对象a设置观察者之后,假设a的类型为ClassA,那么会从ClassA临时建一个子类subClassA,然后重写你观察的那个属性的方法,把对象a类型改成这个子类subClassA。
  • 修改子类的方法使用了runtime里的isa指针的作用
  • 回到问题,为什么要实现一个子类?
    • 重写属性,是怎么重写的?比如setName会变成:
void setName:(NSString *)name{
    [self willChangeValueForKey:@"name"];
     [super setName:name];
    [self didChangeValueForKey:@"name"];
}

也就是通过willChangeValueForKeydidChangeValueForKey来通知外界的,所以你必须要重写原本的setter方法,否则外界不会收到消息

  • 那么重写就有两种选择:改本类和改子类。如果改了本类,就会污染本类的所有其他的对象的方法
  • 本来我还想到重写的方法会被反复重写,导致willChangeValueForKey反复嵌套,但想这个是可以通过设置表示来避免的,比如在类里建个表存储KVO重写的方法
  • 其实这里是一个很好的思路,我见过使用method swizzling导致类的其他地方被污染的,可以像KVO里一样,自动创建一个子类,然后就你当前的对象方法被修改了,这样你就不用担心其他地方会因为方法篡改而导致位置bug

4. isa指针的问题

看这个图就好了:


isa指针图

好,下一题!-_-

5. RunLoop

深入理解RunLoop,看这篇就好了
mode有几种:公开的有kCFRunLoopDefaultModeUITrackingRunLoopMode后一种在scrollView滚动的时候会切换到。这里会牵扯到一个经典考题:滚动导致NSTimer不起作用的问题。上面的文章里有说明白。
事件有:source、timer和observer

struct __CFRunLoopMode {
CFStringRef _name; // Mode Name, 例如 @"kCFRunLoopDefaultMode"
CFMutableSetRef _sources0; // Set
CFMutableSetRef _sources1; // Set
CFMutableArrayRef _observers; // Array
CFMutableArrayRef _timers; // Array
...
};

6. 方法列表的结构

先看类的结构:

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_method_list **methodLists这个就是方法列表了,首先这里有个不易发现的知识点:为什么methodLists是指针的指针而不是指针?
这个问题里的答案说了一些,简单说:
objc_method_list *代表一个方法链,按理说对于类来说,这个结构就足够了,objc_method_list **这个代表n条方法链,其实是因为Category才会这样。

在合并Category和类的时候,就可以把Category的方法直接放进来,而不用修改原来的方法链。

while (i--) {
        //取出category的方法列表
        method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta);
        if (mlist) {
            //直接放到列的方法列表的列表里,而不修改类本身的方法列表
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= cats->list[i].fromBundle;
        }
    }

    attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, inoutVtablesAffected);

个人认为这样是为了:

  • 保持各个方法表的独立,比如category定义了和类本身同样的方法,可以共存
  • 修改起来方便些,如果只有一个表,就得增加和删除一大堆的节点,而且还得维护那些节点是category的,哪些是类的。

然后是objc_method_list的结构:

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;

    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}

这里没有借鉴,只有自己翻一下runtime的开源代码(这几个问题其实都是对runtime源码的解析吧)

/* These next three functions are the heart of ObjC method lookup. */
static inline Method _findMethodInList(struct objc_method_list * mlist, SEL sel) {
    int i;
    if (!mlist) return NULL;
    for (i = 0; i < mlist->method_count; i++) {
    Method m = &mlist->method_list[i];
    if (m->method_name == sel) {
        return m;
    }
    }
    return NULL;
}

上面这个函数是从里objc_method_list找到对应的Method,可以看出方法存储在method_list里面。没看代码前,我以为是objc_method_list实际是链表的一个节点,每个method_list只存储一个方法,然后用obsolete连接下一个方法。

7. Category的原理

参考这篇

  • 把category的方法、属性和协议都和原有类合并;
  • 对于属性和协议,把链表衔接起来就好了
newproperties = buildPropertyList(NULL, cats, isMeta);
        if (newproperties) {
            newproperties->next = cls->data()->properties;
            cls->data()->properties = newproperties;
        }

        newprotos = buildProtocolList(cats, NULL, cls->data()->protocols);
        if (cls->data()->protocols  &&  cls->data()->protocols != newprotos) {
            _free_internal(cls->data()->protocols);
        }
        cls->data()->protocols = newprotos;
  • 对于方法,先把所有category的方法列表都存在列表的列表(method_list_t **)里,然后把类原本的方法列表放进来
// Copy old methods to the method list array
    for (i = 0; i < oldCount; i++) {
        newLists[newCount++] = oldLists[i];
    }
  • 所以为什么会覆盖的问题就得到了解决:并不是覆盖,而是在类本身的方法列表放到了后面,从而被滞后隐藏了。其实也可以猜得到,不可能把原本类的方法去掉,否则原本方法就丢了,而现在这样,在category移除后,原本类的方法又可以暴露出来了。

  • 关于category,有个在静态库的加载问题,这篇回答讲得非常好。简单说就是category不是编译器用来确认加载的标识

Categories are a runtime-only feature, categories aren't symbols like classes or functions and that also means a linker cannot determine if a category is in use or not.

解决方案就是在Other Linker Flags里添加-Objc,-force_load或-all_load来加载,-Objc是所有OC代码的文件都加载,-force_load指定文件加载,-all_load全部加载。

其他的一些相关问题

在开始的时候,创建一个AutoreleasePoolPage类型的双向链表,它会保存所有使用__autoreleasing标记的对象(MRC时直接调用autoRelease方法),实际就是调用了下面的方法,创建一个新节点加进去

static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
    AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
    if (page && !page->full()) {
        return page->add(obj);
    } else if (page) {
        return autoreleaseFullPage(obj, page);
    } else {
        return autoreleaseNoPage(obj);
    }
}

在pool结束后,对每个对象release。

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