Runtime原理探究（八）—— Runtime综合面试题

Runtime系列文章

先上面试题

//***********♦️♦️CLPerson.h♦️♦️************

#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface CLPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
-(void)print;
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END


//***********♥️♥️CLPerson.m♥️♥️************ 

#import "CLPerson.h"

@implementation CLPerson

-(void)print {
    NSLog(@"My name's %@", self.name);
}

@end

//***********🥝🥝ViewController.m🥝🥝************ 

#import "ViewController.h"
#import "CLPerson.h"

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [CLPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print]；  
}

@end

问题1 [(__bridge id)obj print];中的print方法可以被正常调用吗？
问题2 print方法最终的打印结果是什么？

运行结果

2019-08-13 17:10:58.075381+0800 iOS-Runtime[29076:3163099] My name's <ViewController: 0x7fce43e08aa0>

从运行结果，print方法可以被成功调用，打印结果是My name's <ViewController: 0x7fce43e08aa0>，从代码到运行结果，似乎莫名其妙。如果我在毫无防备的情况下碰到这样的面试题，我会选择选择直接起身，优雅离去，同时心里默念WHAT THE FUCK!!!

现在，我们就静下心来，好好来搞一搞。

①`[(__bridge id)obj print];`中的`print`方法为什么可以被正常调用？

我们先回顾一下正常人是怎么调用方法的

CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
[person print];

相信对于上面的代码没有人会有疑问，我们通过一张图来说明一下，这两行代码运行时，内存里面的情况

再看看我们面试题里面的代码

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [CLPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print]；  
}

可以看出，cls指向CLPerson的Class对象，而obj指向cls，如下图示

请看图中的文字说明，因为从本质上说，
指针person-->指针isa-->[CLPerson class]
指针obj-->指针cls-->[CLPerson class]
因此[person print]效果 == [(__bridge id)obj print]效果，这里需要仔细体会一下。

回想一下消息发送的本质，[person print]是从person所指向的结构体(实例对象)取出第一个成员变量isa，然后根据isa找到对应Class对象的内存空间，最后在Class对象的方法列表里面进行方法查找，最后调用方法。

那么[(__bridge id)obj print]，同样会遵从上面的流程，因为obj所指向的是一个cls指针变量地址，恰巧，这个cls指针指向的就是CLPerson的Class对象的内存空间，所以同样可以进入到它的方法列表进行查找，最后找到print方法进行调用，到此问题①解释完毕。

②打印结果为什么是`<ViewController: 0x7fce43e08aa0>`

这个问题有点小复杂，不过没关系，我们一步一步来

print方法找到后的调用过程
我们知道任何OC方法的底层都是一个C函数，并且函数头两个参数是默认参数id self 和 SEL _cmd，那么self是谁呢？以上面代码为例

CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
[person print];

**********
-(void)print {
    NSLog(@"My name's %@", self.name);
}

在print方法对应的C函数里面，self就是person，而print的内容是打印self.name，也就是必然要通过self，找到成员变量_name，如何找呢，这就需要我们来了解一下实例对象的内存布局，根据我们上面有关CLPerson类的定义，实例变量person的内存布局如下图

self.name相当于self->_name，因为_name是isa后面紧接着的成员变量，而_name是一个指针，占8个字节大小，因此self->_name实际上得到的就是从self所指向的内存地址往高地址偏移8个字节（跨过isa的大小）后的内存地址，指向一段8字节大小的内存空间，从而获得person对象的成员变量_name。

如果你还不太了解OC对象内存布局相关知识的，可以参考
OC对象的本质(上) —— OC对象的底层实现原理
 OC对象的本质（下）—— 详解isa&superclass指针

我在其中进行了详细阐述。如果对于上面的内容没有疑问，那么下面接着看面试题中设置的场景，在分析print方法为何能被调用的过程中，我们可以看到实际上

obj指针相当于person指针（也就是print方法里面的self）
cls指针相当于person指针所指向的实例对象里面的isa指针
所以对于面试题的场景，实际上是这样的

两张图本质是一样的，只不过在面试题的场景里，print方法被调用的时候，其内部的self = obj，因此self.name作用就是从obj所指向的内存空间，往高地址偏移8个字节，而obj指向了cls的内存地址，cls也是是一个指针，所以占8个字节，因此self.name取到的实际上恰好是指针变量cls之后接下来的一段8字节内存空间，所以最终print打印出的就是这段内存里面存储的内容。而结果我们已经看到了，打印的是<ViewController: 0x7fce43e08aa0>，接下来我们就要分析一下为啥cls下面存着的是ViewController对象。

因为obj，cls都是viewDidLoad方法（函数）里面的局部变量，我们知道函数的局部变量都是放在栈空间里面的。那么你了解函数的栈空间吗？我们来简单科普一下。

函数的栈空间简介

栈空间的作用，是用来存放被调用函数其内部所定义的局部变量的。对于arm64架构来说，这么理解就够了，如果你恰好了解过8086汇编，那么可能知道，栈空间里面还会存放函数的参数，但是对于arm64来说，函数的参数通常会放到寄存器里面，所以我们就先简单的认为，函数的栈空间里面放的就是函数的局部变量。而且局部变量的存放顺序，是根据定义的先后顺序，从函数栈底开始，一个一个排列，最先定义的局部变量位于栈底（高地址），通过下图来描绘一下

那么我们就来看一下viewDidLoad里面总共有哪些局部变量，再贴一下代码

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [CLPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print]；  
}

我们看到，viewDidLoad内部只有两个局部变量，分别是id cls和void *obj，其余的都是方法调用。那么栈里面的情况应该就是

可以看出如果按图中的分析，print方法将会最终打印栈底之外8个字节里面的内容，但是我们知道一个函数内部是不能访问其他函数的栈空间的，上图中的这8个字节明显超出了当前函数的栈空间，所以无法解释我们上面看到的打印结果。

其实，这个面试题里面设计了一个很隐藏的猫腻。问题的出口其实是在[super viewDidLoad];这句代码上，关于super问题，可以参考我在Runtime笔记（五）—— super的本质一文中的解析。这里就直接基于文章中的知识来解决我们当前的问题了。

[super viewDidLoad];展开成底层函数就是

objc_msgSendSuper((__rw_objc_super){
            (id)self,   
            (id)class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))
           },   
            @selector(viewDidLoad));

注意这个函数的第一个参数是一个结构体__rw_objc_super，那么这个结构体参数实际上是在当前viewDidLoad函数的作用域里面被定义赋值，然后再传入objc_msgSendSuper作为参数的。说白了viewDidLoad还含有一个隐藏局部变量，其内部实际上等同于这么写

//    [super viewDidLoad];
    struct __rw_objc_super arg = {
        (id)self,
        (id)class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))
    };
    
    objc_msgSendSuper(arg, @selector(viewDidLoad));
    
    id cls = [CLPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print];

所以，viewDidLoad内部第一个局部变量实际上是一个结构体类型struct __rw_objc_super的变量，该结构体内部有两个id类型（也就是指针变量）的成员变量，并且注意，第一个成员变量是 self，而这个self正式当前方法的消息接受者，也就是ViewController实例对象。需要说明的是，这个self跟我们上面讨论print方法里面用到的那个self是不同的两个对象哦，请用心体会。好了，说多了太绕，直接上图

综上所述，print里面通过self.name所拿到的变量，就是图中cls下面的那8个字节，也就是当前方法的消息接受者self（ViewController实例对象），因此打印的结果是<ViewController: 0x7fce43e08aa0>，好了，所有的问题就都得到解释了。

接下来，我们通过汇编手段来验证一下上面推断，我们先将程序运行至下图所示的断点处

此时， viewDidLoad函数栈上所有的局部变量已经赋值完毕，汇编情况如下

从上面的分析可以看出，viewDidLoad函数栈空间大小为48个字节，存放了6个局部变量，每个局部变量8个字节，栈空间的地址范围是[rbp-0x30] ~ [rbp]，因此想要查看当前栈空间里面内容，可以利用如下LLDB指令：
先读出当前栈底位置，也就寄存器rbp的值

(lldb) register read rbp
     rbp = 0x00007ffeeaddd130

rbp - 0x30 = 0x7FFEEADDD100 这样就得到了栈顶的的位置，然后打印出栈顶位置之后的48字节内容（也就是当前的函数栈空间）


(lldb) x/6xg 0x7FFEEADDD100
0x7ffeeaddd100: 0x00007ffeeaddd108 0x0000000104e245c8
0x7ffeeaddd110: 0x00007f9d01508f50 0x0000000104e24500
0x7ffeeaddd120: 0x00007fff527257c0 0x00007f9d01508f50

也就是下图所示

我们可以挨个打印一下每一个局部变量

(lldb) po 0x00007ffeeaddd108
<CLPerson: 0x7ffeeaddd108>

(lldb) po 0x0000000104e245c8
CLPerson

(lldb) po 0x00007f9d01508f50   -->❗️❗️❗️ 实际上 [(__bridge id)obj print]; 的本质就等同于这一句❗️❗️❗️
<ViewController: 0x7f9d01508f50>

(lldb) po 0x0000000104e24500
ViewController

(lldb) po 0x00007fff527257c0
140734576613312

(lldb) po 0x00007f9d01508f50
<ViewController: 0x7f9d01508f50>

你或许会好奇为什么_cmd所指向的内容打出来的为什么是140734576613312(=0x00007fff527257c0,也就是它自己)，根据_cmd的地址0x00007fff527257c0，说明它也是栈空间的地址，因为_cmd其实是viewDidLoad上层函数传过来的参数，因此这个栈空间应该是外层函数的局部变量，也就是说_cmd本质上说是一个指针。那我们看一下所指向的这段内存里面放了什么内容，因为不知道具体的大小，所以我们通过Xcode的内存查看器来看看

原来就是函数viewDidLoad所对应的函数名字符串而已，这样所以的疑问就扫清了。。。☕️☕️☕️

这道面试题确实有点扯，项目中也绝不会这么写代码，但从面试的角度，这里面涉及了对于函数栈空间的理解，对于super本质的理解，对于消息机制的理解，对于OC对象本质的理解，在高考里面，属于最后一道大题的难度级别，本文之前，你可能祈祷千万别碰到这种变态的面试题，但是本文过后，如果你能完全掌握里面的精髓，我相信大家肯定会祈祷面试碰到这道题，因为光是把里面涉及到的四个对于...的理解都展开讲一遍，那一般的面试官估计就要被您给反虐了：）

好了，关于面试的话题，到此结束，希望对大家有帮助，文中如有解释的不透彻或者不正确的地方，欢迎交流指正，程序员的世界没有容易二字，加油，与诸君共勉💪💪💪。

Runtime原理探究（八）—— Runtime综合面试题

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①[(__bridge id)obj print];中的print方法为什么可以被正常调用？

②打印结果为什么是<ViewController: 0x7fce43e08aa0>

函数的栈空间简介

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①`[(__bridge id)obj print];`中的`print`方法为什么可以被正常调用？

②打印结果为什么是`<ViewController: 0x7fce43e08aa0>`