Runtime源码 方法调用的过程
栏目: Objective-C · 发布时间: 6年前
内容简介:Objective-C语言的一大特性就是动态的,根据官方文档的描述:在runtime之前,消息和方法并不是绑定在一起的,编译器会把方法调用转换为SEL其实就是一个不透明的类型它代表一个方法选择子,在编译期,会根据方法名字生成一个ID。他是一个函数指针,指向方法实现的首地址。
Objective-C语言的一大特性就是动态的,根据官方文档的描述:在runtime之前,消息和方法并不是绑定在一起的,编译器会把方法调用转换为 objc_msgSend(receiver, selector)
,如果方法中带有参数则转换为 objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)
接下来我们通过源码一窥究竟,在次之前我们先了解几个基本概念
- SEL 在objc.h文件中我们可以看到如下代码:
/// An opaque type that represents a method selector. typedef struct objc_selector *SEL; 复制代码
SEL其实就是一个不透明的类型它代表一个方法选择子,在编译期,会根据方法名字生成一个ID。
- IMP 在objc.h文件中我们可以看到IMP:
/// A pointer to the function of a method implementation. #if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); #else typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); #endif 复制代码
他是一个函数指针,指向方法实现的首地址。
- Method
/// An opaque type that represents a method in a class definition. typedef struct objc_method *Method; struct objc_method { SEL _Nonnull method_name OBJC2_UNAVAILABLE; char * _Nullable method_types OBJC2_UNAVAILABLE; IMP _Nonnull method_imp OBJC2_UNAVAILABLE; } OBJC2_UNAVAILABLE; 复制代码
它保存了SEL到IMP和方法类型,所以我们可以通过SEL调用对应的IMP
方法调用的流程
objc_msgSend的消息分发分为以下几个步骤: 我们找到objc _msgSend源码,都是汇编,不过注释比较详尽
/******************************************************************** * * id objc_msgSend(id self, SEL _cmd,...); * IMP objc_msgLookup(id self, SEL _cmd, ...); * * objc_msgLookup ABI: * IMP returned in r11 * Forwarding returned in Z flag * r10 reserved for our use but not used * ********************************************************************/ .data .align 3 .globl _objc_debug_taggedpointer_classes _objc_debug_taggedpointer_classes: .fill 16, 8, 0 .globl _objc_debug_taggedpointer_ext_classes _objc_debug_taggedpointer_ext_classes: .fill 256, 8, 0 ENTRY _objc_msgSend UNWIND _objc_msgSend, NoFrame MESSENGER_START NilTest NORMAL GetIsaFast NORMAL // r10 = self->isa CacheLookup NORMAL, CALL // calls IMP on success NilTestReturnZero NORMAL GetIsaSupport NORMAL // cache miss: go search the method lists LCacheMiss: // isa still in r10 MESSENGER_END_SLOW jmp __objc_msgSend_uncached END_ENTRY _objc_msgSend ENTRY _objc_msgLookup NilTest NORMAL GetIsaFast NORMAL // r10 = self->isa CacheLookup NORMAL, LOOKUP // returns IMP on success NilTestReturnIMP NORMAL GetIsaSupport NORMAL // cache miss: go search the method lists LCacheMiss: // isa still in r10 jmp __objc_msgLookup_uncached END_ENTRY _objc_msgLookup ENTRY _objc_msgSend_fixup int3 END_ENTRY _objc_msgSend_fixup STATIC_ENTRY _objc_msgSend_fixedup // Load _cmd from the message_ref movq 8(%a2), %a2 jmp _objc_msgSend END_ENTRY _objc_msgSend_fixedup 复制代码
就此我们大概可以了解到其调用流程:
-
判断receiver是否为nil,也就是objc_msgSend的第一个参数self,也就是要调用的那个方法所属对象
-
从缓存里寻找,找到了则分发,否则
-
利用objc-class.mm中_ class _lookupMethodAndLoadCache3方法去寻找selector
- 如果支持GC,忽略掉非GC环境的方法(retain等)
- 从本class的method list寻找selector,如果找到,填充到缓存中,并返回selector,否则
- 寻找父类的method list,并依次往上寻找,直到找到selector,填充到缓存中,并返回selector,否则
- 调用_class_resolveMethod,如果可以动态resolve为一个selector,不缓存,方法返回,否则
- 转发这个selector,否则
- 报错,抛出异常
这里的**_ class _lookupMethodAndLoadCache3 其实就是对 lookUpImpOrForward**方法的调用:
/*********************************************************************** * _class_lookupMethodAndLoadCache. * Method lookup for dispatchers ONLY. OTHER CODE SHOULD USE lookUpImp(). * This lookup avoids optimistic cache scan because the dispatcher * already tried that. **********************************************************************/ IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls) { return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/); } 复制代码
对第五个参数 cache 传值为NO,因为在此之前已经做了一个查找这里 CacheLookup NORMAL, CALL ,这里是对缓存查找的一个优化。
接下来看一下lookUpImpOrForward的一些关键实现细节
- 缓存查找优化
// Optimistic cache lookup if (cache) methodPC = _cache_getImp(cls, sel); if (methodPC) return methodPC; } 复制代码
这里有个判断,是否需要缓存查找,如果cache为NO则进入下一步
- 检查被释放类
// Check for freed class if (cls == _class_getFreedObjectClass()) return (IMP) _freedHandler; 复制代码
_class _getFreedObjectClass的实现:
/*********************************************************************** * _class_getFreedObjectClass. Return a pointer to the dummy freed * object class. Freed objects get their isa pointers replaced with * a pointer to the freedObjectClass, so that we can catch usages of * the freed object. **********************************************************************/ static Class _class_getFreedObjectClass(void) { return (Class)freedObjectClass; } 复制代码
注释写到,这里返回的被释放对象的指针,不是太理解,备注这以后再看看
- 懒加载+initialize
// Check for +initialize if (initialize && !cls->isInitialized()) { _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst)); // 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 } 复制代码
在方法调用过程中,如果类没有被初始化的时候,会调用_class_initialize对类进行初始化,关于+initialize可以看之前的 Runtime源码 +load 和 +initialize 。
- 加锁保证原子性
// 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: methodListLock.lock(); // Try this class's cache. methodPC = _cache_getImp(cls, sel); if (methodPC) goto done; 复制代码
这里又做了一次缓存查找,因为上一步执行了+initialize
加锁这一部分只有一行简单的代码,其主要目的保证方法查找以及缓存填充(cache-fill)的原子性,保证在运行以下代码时不会有新方法添加导致缓存被冲洗(flush)。
- 本类的方法列表查找
// 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; } 复制代码
这里调用了 log_ and_ fill_cache 这个后面来看,接下里就是
- 父类方法列表查找
// Try superclass caches and method lists. curClass = cls; while ((curClass = curClass->superclass)) { // Superclass cache. meth = _cache_getMethod(curClass, sel, _objc_msgForward_impcache); 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; } } 复制代码
关于消息在列表方法查找的过程,根据官方文档如下:
这里沿着集成体系对父类的方法列表进行查找,找到了就调用 log_ and_ fill_cache
log_ and_ fill_cach的实现:
记录:
/*********************************************************************** * log_and_fill_cache * Log this method call. If the logger permits it, fill the method cache. * cls is the method whose cache should be filled. * implementer is the class that owns the implementation in question. **********************************************************************/ static void log_and_fill_cache(Class cls, Class implementer, Method meth, SEL sel) { #if SUPPORT_MESSAGE_LOGGING if (objcMsgLogEnabled) { bool cacheIt = logMessageSend(implementer->isMetaClass(), cls->nameForLogging(), implementer->nameForLogging(), sel); if (!cacheIt) return; } #endif _cache_fill (cls, meth, sel); } 复制代码
内部调用了**_cache _fill**,填充缓存:
/*********************************************************************** * _cache_fill. Add the specified method to the specified class' cache. * Returns NO if the cache entry wasn't added: cache was busy, * class is still being initialized, new entry is a duplicate. * * Called only from _class_lookupMethodAndLoadCache and * class_respondsToMethod and _cache_addForwardEntry. * * Cache locks: cacheUpdateLock must not be held. **********************************************************************/ bool _cache_fill(Class cls, Method smt, SEL sel) { uintptr_t newOccupied; uintptr_t index; cache_entry **buckets; cache_entry *entry; Cache cache; cacheUpdateLock.assertUnlocked(); // Never cache before +initialize is done if (!cls->isInitialized()) { return NO; } // Keep tally of cache additions totalCacheFills += 1; mutex_locker_t lock(cacheUpdateLock); entry = (cache_entry *)smt; cache = cls->cache; // Make sure the entry wasn't added to the cache by some other thread // before we grabbed the cacheUpdateLock. // Don't use _cache_getMethod() because _cache_getMethod() doesn't // return forward:: entries. if (_cache_getImp(cls, sel)) { return NO; // entry is already cached, didn't add new one } // Use the cache as-is if it is less than 3/4 full newOccupied = cache->occupied + 1; if ((newOccupied * 4) <= (cache->mask + 1) * 3) { // Cache is less than 3/4 full. cache->occupied = (unsigned int)newOccupied; } else { // Cache is too full. Expand it. cache = _cache_expand (cls); // Account for the addition cache->occupied += 1; } // Scan for the first unused slot and insert there. // There is guaranteed to be an empty slot because the // minimum size is 4 and we resized at 3/4 full. buckets = (cache_entry **)cache->buckets; for (index = CACHE_HASH(sel, cache->mask); buckets[index] != NULL; index = (index+1) & cache->mask) { // empty } buckets[index] = entry; return YES; // successfully added new cache entry } 复制代码
这里还没找到实现则进入下一步,动态方法解析和消息转发,关于消息转发的细节我们下篇再看。
方法缓存
在上面截出的源码中我们多次看到了 cache ,下面我们就来看看这个,在 runtime.h
和 objc-runtime-new
cache的定义如下
struct objc_cache { unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE; unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE; Method _Nullable buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE; }; 复制代码
struct cache_t { struct bucket_t *_buckets; mask_t _mask; mask_t _occupied; ... } 复制代码
这就是cache在runtime层面的表示,里面的字段和代表的含义类似
- buckets
数组表示的hash表,每个元素代表一个方法缓存 - mask
当前能达到的最大index(从0开始),,所以缓存的size(total)是mask+1 - occupied
被占用的槽位,因为缓存是以散列表的形式存在的,所以会有空槽,而occupied表示当前被占用的数目
而在_ buckets中包含了一个个的 cache_entry 和 bucket_t (objc2.0的变更):
typedef struct { SEL name; // same layout as struct old_method void *unused; IMP imp; // same layout as struct old_method } cache_entry; 复制代码
cache_entry定义也包含了三个字段,分别是:
- name,被缓存的方法名字
- unused,保留字段,还没被使用。
- imp,方法实现
struct bucket_t { private: cache_key_t _key; IMP _imp; ... } 复制代码
而bucket_t则没有了老的unused,包含了两个字段:
- key,方法的标志(和之前的name对应)
- imp, 方法的实现
后记
从runtime的源码我们知道了方法调用的流程和方法缓存,有些附带的问题答案也就呼之欲出了:
- 方法缓存在元类的上,由第一节( Runtime源码 类、对象、isa )我们就知道在objc_class的isa指向了他的元类,所以每个类都只有一份方法缓存,而不是每一个类的object都保存一份。
- 在方法调用的父类方法列表查找过程中,如果命中了也会调用
_cache_fill (cls, meth, sel);
,所以即便是从父类取到的方法,也会存在类本身的方法缓存里。而当用一个父类对象去调用那个方法的时候,也会在父类的metaclass里缓存一份。 - 缓存容量限制,在上面的代码中我们注意到这个判断:
// Use the cache as-is if it is less than 3/4 full mask_t newOccupied = cache->occupied() + 1; mask_t capacity = cache->capacity(); if (cache->isConstantEmptyCache()) { // Cache is read-only. Replace it. cache->reallocate(capacity, capacity ?: INIT_CACHE_SIZE); } else if (newOccupied <= capacity / 4 * 3) { // Cache is less than 3/4 full. Use it as-is. } else { // Cache is too full. Expand it. cache->expand(); } 复制代码
当cache为空时创建;当新的被占用槽数小于等于其容量的3/4时,直接使用;否则调用 cache->expand();
扩充容量:
void cache_t::expand() { cacheUpdateLock.assertLocked(); uint32_t oldCapacity = capacity(); uint32_t newCapacity = oldCapacity ? oldCapacity*2 : INIT_CACHE_SIZE; if ((uint32_t)(mask_t)newCapacity != newCapacity) { // mask overflow - can't grow further // fixme this wastes one bit of mask newCapacity = oldCapacity; } reallocate(oldCapacity, newCapacity); } 复制代码
-
为什么类的方法列表不直接做成散列表呢,做成list,还要单独缓存,多费事?
散列表是没有顺序的,Objective-C的方法列表是一个list,是有顺序的 这个问题么,我觉得有以下三个原因:
- Objective-C在查找方法的时候会顺着list依次寻找,并且category的方法在原始方法list的前面,需要先被找到,如果直接用hash存方法,方法的顺序就没法保证。
- list的方法还保存了除了selector和imp之外其他很多属性。
- 散列表是有空槽的,会浪费空间。
相关资料:
美团酒旅博文: 深入理解Objective-C:方法缓存
官方文档:Messaging
以上就是本文的全部内容,希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助,也希望大家多多支持 码农网
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