• 2

  • 524

iOS底层原理10:objc_msgSend流程分析

3星期前

本文探索一下方法的本质,而在探索之前,我们先简单了解 Runtime 的知识点。

Runtime 简介

runtime称为运行时,它区别于编译时

  • 编译时源代码翻译成机器能识别的代码的过程,主要是对语言进行最基本的检查,即词法分析、语法分析等,是静态类型检查。

  • 运行时代码跑起来,被装载到内存中的过程,如果此时出错,则程序会崩溃,是静态类型检查。

runtime 交互的三种方式

  • Objective-C Code直接调用 比如直接调用方法[person eat]、#selector()等。

  • Framework&Serivce 比如isKindeofClass、isMemberOfClass等方法。

  • RuntimeAPI 比如class_getInstanceSize等底层方法。

探索方法的本质

Clang编译

isa底层原理探索上文章中,通过clang编译的源码,理解了OC对象的本质,同样我们在main中调用方法,查看clang编译main.cpp文件。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Person *p = [Person alloc];

        [p eat];
        [p say];
    }
    return 0;
}
复制代码

clang编译后的底层实现

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        Person *p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));

        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("eat"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("say"));
    }
    return 0;
}
复制代码

通过clang编译后代码可以看出,方法的本质就是objc_msgSend消息发送

使用objc_msgSend调用方法

注: 1、直接调用objc_msgSend,需要导入头文件#import <objc/message.h>

2、需要将target --> Build Setting -->搜索msg -- 将enable strict checking of obc_msgSend calls由YES 改为NO,将严厉的检查机制关掉,否则objc_msgSend的参数会报错。

  • 方法调用
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Person *p = [Person alloc];
        [p eat];

        objc_msgSend(p,sel_registerName("eat"));

    }
    return 0;
}
复制代码
  • 调用父类方法

定义一个Person类

@interface Person : NSObject{
    NSString *hobby;
}

@property (nonatomic,copy) NSString *name;

- (void)eat;
- (void)say;
+ (void)run;

@end
复制代码

定义一个Teacher类集成Person类

@interface Teacher : Person
-(void)teach;
@end
复制代码

main函数

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Person *p = [Person alloc];
        Teacher *t = [Teacher alloc];

        [p say];

        struct objc_super lsuper;
        lsuper.receiver = t;
        lsuper.super_class = [Teacher class];
        
        objc_msgSendSuper(&lsuper, sel_registerName("say"));

    }
    return 0;
}
复制代码
  • objc_msgSendSuper源码
OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_msgSendSuper(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
#endif
复制代码
  • objc_super源码
  • 打印结果

总结

  • 方法的本质就是objc_msgSend消息发送
  • OC调用方法等价于runtime中objc_msgSendobjc_msgSendSuper消息发送。

探索objc_msgSend

  • 在objc4-781源码中,搜索objc_msgSend,我们日常开发用的是arm64架构,所以在arm64.s后缀的文件中查找objc_msgSend源码实现,发现是汇编代码实现的。

  • objc_msgSend 之所以采用汇编来实现,有以下两种主要因素:

    • 汇编更容易能被机器识别 • 参数未知、类型未知对于 C 和 C++ 来说不如汇编更得心应手

objc_msgSend 汇编源码

//---- 消息发送 -- 汇编入口--objc_msgSend主要是拿到接收者的isa信息
ENTRY _objc_msgSend 
//---- 无窗口
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame 
    
//---- p0 和空对比,即判断接收者是否存在,其中p0是objc_msgSend的第一个参数-消息接收者receiver
    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check 
//---- le小于 --支持taggedpointer(小对象类型)的流程
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative) 
#else
//---- p0 等于 0 时,直接返回 空
    b.eq    LReturnZero 
#endif 
//---- p0即receiver 肯定存在的流程
//---- 根据对象拿出isa ,即从x0寄存器指向的地址 取出 isa,存入 p13寄存器
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa 
//---- 在64位架构下通过 p16 = isa(p13) & ISA_MASK,拿出shiftcls信息,得到class信息
    GetClassFromIsa_p16 p13     // p16 = class 
LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached 
//---- 如果有isa,走到CacheLookup 即缓存查找流程,也就是所谓的sel-imp快速查找流程
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend

#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged:
//---- 等于空,返回空
    b.eq    LReturnZero     // nil check 

    // tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #60, #4
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    adrp    x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGE
    add x10, x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEOFF
    cmp x10, x16
    b.ne    LGetIsaDone

    // ext tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #52, #8
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    b   LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endif

LReturnZero:
    // x0 is already zero
    mov x1, #0
    movi    d0, #0
    movi    d1, #0
    movi    d2, #0
    movi    d3, #0
    ret

    END_ENTRY _objc_msgSend
复制代码

_objc_msgSend 入口函数流程图

CacheLookup 缓存查找汇编源码

//!!!!!!!!!重点!!!!!!!!!!!!
.macro CacheLookup 
    //
    // Restart protocol:
    //
    //   As soon as we're past the LLookupStart$1 label we may have loaded
    //   an invalid cache pointer or mask.
    //
    //   When task_restartable_ranges_synchronize() is called,
    //   (or when a signal hits us) before we're past LLookupEnd$1,
    //   then our PC will be reset to LLookupRecover$1 which forcefully
    //   jumps to the cache-miss codepath which have the following
    //   requirements:
    //
    //   GETIMP:
    //     The cache-miss is just returning NULL (setting x0 to 0)
    //
    //   NORMAL and LOOKUP:
    //   - x0 contains the receiver
    //   - x1 contains the selector
    //   - x16 contains the isa
    //   - other registers are set as per calling conventions
    //
LLookupStart$1:

//---- p1 = SEL, p16 = isa --- #define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__),其中 __SIZEOF_POINTER__表示pointer的大小 ,即 2*8 = 16
//---- p11 = mask|buckets -- 从x16(即isa)中平移16字节,取出cache 存入p11寄存器 -- isa距离cache 正好16字节:isa(8字节)-superClass(8字节)-cache(mask高16位 + buckets低48位)
    ldr p11, [x16, #CACHE]              
//---- 64位真机
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16 
//--- p11(cache) & 0x0000ffffffffffff ,mask高16位抹零,得到buckets 存入p10寄存器-- 即去掉mask,留下buckets
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets 
    
//--- p11(cache)右移48位,得到mask(即p11 存储mask),mask & p1(msgSend的第二个参数 cmd-sel) ,得到sel-imp的下标index(即搜索下标) 存入p12(cache insert写入时的哈希下标计算是 通过 sel & mask,读取时也需要通过这种方式)
    and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask 

//--- 非64位真机
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4 
    and p10, p11, #~0xf         // p10 = buckets
    and p11, p11, #0xf          // p11 = maskShift
    mov p12, #0xffff
    lsr p11, p12, p11               // p11 = mask = 0xffff >> p11
    and p12, p1, p11                // x12 = _cmd & mask
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif

//--- p12是下标 p10是buckets数组首地址,下标 * 1<<4(即16) 得到实际内存的偏移量,通过buckets的首地址偏移,获取bucket存入p12寄存器
//--- LSL #(1+PTRSHIFT)-- 实际含义就是得到一个bucket占用的内存大小 -- 相当于mask = occupied -1-- _cmd & mask -- 取余数
    add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)   
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT)) -- PTRSHIFT是3
                     
//--- 从x12(即p12)中取出 bucket 分别将imp和sel 存入 p17(存储imp) 和 p9(存储sel)
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket 
    
//--- 比较 sel 与 p1(传入的参数cmd)
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd) 
//--- 如果不相等,即没有找到,请跳转至 2f
    b.ne    2f          //     scan more 
//--- 如果相等 即cacheHit 缓存命中,直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp 
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
//--- 如果一直都找不到, 因为是normal ,跳转至__objc_msgSend_uncached
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0 
//--- 判断p12(下标对应的bucket) 是否 等于 p10(buckets数组第一个元素,),如果等于,则跳转至第3步
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets 
//--- 定位到最后一个元素(即第一个bucket)
    b.eq    3f 
//--- 从x12(即p12 buckets首地址)- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE,得到得到第二个bucket元素,imp-sel分别存入p17-p9,即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket 
//--- 跳转至第1步,继续对比 sel 与 cmd
    b   1b          // loop 

3:  // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//--- 人为设置到最后一个元素
//--- p11(mask)右移44位 相当于mask左移4位,直接定位到buckets的最后一个元素,缓存查找顺序是向前查找
    add p12, p12, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT)) 
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT) 
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    add p12, p12, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif

    // Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
    // The slow path may detect any corruption and halt later.
//--- 再查找一遍缓存()
//--- 拿到x12(即p12)bucket中的 imp-sel 分别存入 p17-p9
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket 
    
//--- 比较 sel 与 p1(传入的参数cmd)
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd) 
//--- 如果不相等,即走到第二步
    b.ne    2f          //     scan more 
//--- 如果相等 即命中,直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp  
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
//--- 如果一直找不到,则CheckMiss
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0 
//--- 判断p12(下标对应的bucket) 是否 等于 p10(buckets数组第一个元素)-- 表示前面已经没有了,但是还是没有找到
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets 
    b.eq    3f //如果等于,跳转至第3步
//--- 从x12(即p12 buckets首地址)- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE,得到得到第二个bucket元素,imp-sel分别存入p17-p9,即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket 
//--- 跳转至第1步,继续对比 sel 与 cmd
    b   1b          // loop 

LLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3:  // double wrap
//--- 跳转至JumpMiss 因为是normal ,跳转至__objc_msgSend_uncached

    JumpMiss $0 
.endmacro

复制代码

CacheHit源码实现

.macro CacheHit
.if $0 == NORMAL
    TailCallCachedImp x17, x12, x1, x16 // authenticate and call imp
.elseif $0 == GETIMP
    mov p0, p17
    cbz p0, 9f          // don't ptrauth a nil imp
    AuthAndResignAsIMP x0, x12, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMP
9:  ret             // return IMP
.elseif $0 == LOOKUP
    // No nil check for ptrauth: the caller would crash anyway when they
    // jump to a nil IMP. We don't care if that jump also fails ptrauth.
    AuthAndResignAsIMP x17, x12, x1, x16    // authenticate imp and re-sign as IMP
    ret             // return imp via x17
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
复制代码

CheckMiss源码实现

.macro CheckMiss
    // miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP 
//--- 如果为GETIMP ,则跳转至 LGetImpMiss
    cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL 
//--- 如果为NORMAL ,则跳转至 __objc_msgSend_uncached
    cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP 
//--- 如果为LOOKUP ,则跳转至 __objc_msgLookup_uncached
    cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

.macro JumpMiss
.if $0 == GETIMP
    b   LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
    b   __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
    b   __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

复制代码

objc_msgSend 流程图

免责声明:文章版权归原作者所有,其内容与观点不代表Unitimes立场,亦不构成任何投资意见或建议。

ios

524

相关文章推荐

未登录头像

暂无评论