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objc-runtime 開源地址

由于OC是屬于C的超集再加上runtime的存在，我們寫的每一個OC方法在編譯階段被轉(zhuǎn)成
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

關(guān)于它的實現(xiàn)已經(jīng)有大神提供了C語言版本的實現(xiàn)由于每個OC方法都會轉(zhuǎn)換成這個函數(shù)調(diào)用，所以它的高效性顯得尤為重要。

關(guān)于objc_msgSend的實現(xiàn)過程，上篇文章其實我們也有提到過，歸根到底，就是利用SEL去尋找IMP，執(zhí)行目標函數(shù)。
我們來分析一下這個"尋根"的過程:

YY大神在他的博客中提到：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...) {
    if (!self) return nil;
    IMP imp = class_getMethodImplementation(self->isa, SEL op);
    imp(self, op, ...); //調(diào)用這個函數(shù)，偽代碼.
}

class_getMethodImplementation他的實現(xiàn)在源碼里是可以找到的。

第一步調(diào)用這個函數(shù)

IMP lookUpImpOrNil(Class cls, SEL sel, id inst, 
                   bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = lookUpImpOrForward(cls, sel, inst, initialize, cache, resolver);
    if (imp == _objc_msgForward_impcache) return nil;
    else return imp;
}

然后主要是這個函數(shù)：

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)

這個方法的執(zhí)行過程很有趣：

// 先從cache里檢查是否存在
 if (cache) {
        imp = cache_getImp(cls, sel); // 此方法在上面??大神提供的C語言實現(xiàn)中，有具體實現(xiàn)。
        if (imp) return imp;
    }

 // cache尋找
  cls   = self->isa;
  cache = cls->cache;
  hash  = cache->mask;
  index = (unsigned int) _cmd & hash;
      
  do{
     method = cache->buckets[ index];
     if(!method) goto recache;
     index = (index + 1) & cache->mask;
  }while( method->method_name != _cmd);

  return( (*method->method_imp)( (id) self, _cmd));

為了讀懂上面的代碼。這里不得不提的事class的源碼結(jié)構(gòu)：盜Vanney大神的圖

bits.png

isa superclass 這二者的作用很容易理解。
cache 緩存的方法列表
class_data_bits_t bits這個結(jié)構(gòu)體非常重要！它存儲了非常多的信息，包括編譯時確定的類的變量信息，方法列表，協(xié)議方法列表，weak表... 關(guān)于它我們稍后再談。

現(xiàn)在我們知道了Class類型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，回頭我們再看下剛才的消息調(diào)用。

cls = self->isa; // 通過isa指針拿到當前對象的class
cache = cls->cache; // 通過class拿到cache—方法緩存列表
hash = cache->mask; index = (unsigned int) _cmd & hash; // 通過cmd和cache掩碼的與運算獲取method在map表中的序列號（這里我們可以看到，哈希表中其實存儲的是method即SEL和IMP的映射關(guān)系）,進而拿到最終的IMP指針。

struct method_t {
  SEL name;
  const char *types;
  IMP imp;
}

通過這一系列的操作我們最終獲取到了函數(shù)的地址。但這僅僅是從方法緩存中獲取方法。那么，如果cache里沒有對應(yīng)的IMP呢？

在回到IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, bool initialize, bool cache, bool resolver)函數(shù)，往下走會代碼會執(zhí)行到這一句:
它主要對類創(chuàng)建了真正的運行時環(huán)境( rwlock_writer_t lock(runtimeLock); 保證線程安全)。

if (!cls->isRealized()) {
  rwlock_writer_t lock(runtimeLock);
  realizeClass(cls);
}

具體實現(xiàn):

static Class realizeClass(Class cls){
...
 // 中間代碼
    ro = (const class_ro_t *)cls->data();
    if (ro->flags & RO_FUTURE) {
        // This was a future class. rw data is already allocated.
        rw = cls->data();
        ro = cls->data()->ro;
        cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
    } else {
        // Normal class. Allocate writeable class data.
        rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
        rw->ro = ro;
        rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
        cls->setData(rw);
    }
...
}

到了這里我們可以接著看class_data_bits_t結(jié)構(gòu)體了：

// 只截取了部分 源碼
struct class_data_bits_t {

    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;
  
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    void setData(class_rw_t *newData)
    {
        assert(!data()  ||  (newData->flags & (RW_REALIZING | RW_FUTURE)));
        // Set during realization or construction only. No locking needed.
        bits = (bits & ~FAST_DATA_MASK) | (uintptr_t)newData;
    }
    bool isSwift() {
        return getBit(FAST_IS_SWIFT);
    }
}

這個結(jié)構(gòu)體中只有一個變量 uintptr_t bits; 它是一個擁有指針存儲功能的unsigned long 類型。它只有64位大小，指針存儲結(jié)構(gòu)如下:

class_bits.png

通過與bits與對應(yīng)flag的按位運算得到對應(yīng)的指針地址。比如：

bool isSwift() {
     return getBit(FAST_IS_SWIFT);
}

#define FAST_IS_SWIFT (1UL<<0)與上圖的結(jié)構(gòu)一直，第一位標識位儲存是否是Swift語言的flag(由編譯器設(shè)置)。

不過，最關(guān)鍵的還是下面這個:

 class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}

它的data函數(shù)，返回一個class_rw_t 類型的結(jié)構(gòu)體指針。

根據(jù)上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分布圖，bits 里有44位儲存著class_rw_t。

這一點可以在#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL里解釋。

然而，在源碼中，ro = (const class_ro_t *)cls->data();class的data即：

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data(); // 調(diào)用的上面的函數(shù)
    }

被強轉(zhuǎn)成了const class_ro_t *這是為什么呢？
其實，在runtime調(diào)用之前，編譯之后，bits.data()也就是bits的class_rw_t data是指向const class_ro_t結(jié)構(gòu)的。
我們再來看class_ro_t的結(jié)構(gòu)


struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

這里面正真存儲了，class在編譯時期就確定的屬性，方法，協(xié)議等等。
而且這里的

    method_list_t * baseMethodList;
    const ivar_list_t * ivars;

都是基于entsize_list_tt實現(xiàn)，保證了它們在runtime期間的不可變性。
同時我們在這里也可以順便解釋下分類方法的加載過程，為什么在分類中不能添加成員變量的問題:
我們創(chuàng)建的分類其實在源碼中屬于另一種類型:

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;

    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }

    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return nil; // classProperties;
        else return instanceProperties;
    }
};

可以看到，它其實是沒有isa指針的！但這并不能解釋不能添加變量的問題。
我們要從它的裝載過程說起。
在app啟動后，系統(tǒng)會調(diào)用load_images的方法，來加載各種庫文件，當然就包括runtime庫，下面是objclib的加載過程：

_objc_init
└──map_2_images
    └──map_images_nolock
        └──_read_images

當執(zhí)行到_read_images的時候，我們可以在源碼中找到實現(xiàn)過程
線從boundle里獲取class目錄。
然后我們會發(fā)現(xiàn)，在這里調(diào)用了realizeClass(cls);方法！為類開辟了runtime預(yù)備環(huán)境(將bits的data重新指向了class_rw_t類型，并且將class_ro_t放入了class_rw_t的ro變量中)。
做完這些之后，在是對categories的處理。
真正實現(xiàn)分類中的類attach到class的方法是：

static void 
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches);

    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);

    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);

    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);

可以看到，分類中的method等是被賦予到了，cls->data()中，這是cls->data()指向的是class_rw_t類型。
而在category_t中只有property_list_t沒有ivar_list_t，并且在class_rw_t ro 中的ivar_list_t又是只讀的，所以分類中的屬性是不會生成實例變量的（但是可以利用另一種方法變相實現(xiàn)“添加變量”）。

蘋果這樣做的目的是為了保護class的在編譯時期確定的內(nèi)存空間的連續(xù)性，防止runtime時期增加的變量或者方法造成的內(nèi)存重疊。

繼續(xù)objc_msgSend的調(diào)用過程，通過isa指針得到的method_list_t等信息，我們就直接可以得到對應(yīng)的IMP，然后調(diào)用函數(shù)，同時存入cache表中。

這一切都是基于函數(shù)能夠成功調(diào)用的前提。那么，如果IMP沒有找到呢？runtime會被觸發(fā)另一套機制——消息轉(zhuǎn)發(fā)。

關(guān)于runtime 方法調(diào)用源碼中還有好多細節(jié)，由于精力能力有限，以后會慢慢補充！

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