啟動流程

objc-os.mm的init方法是初始化的入口。

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    lock_init();
    exception_init();

    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}

幾個初始化

environ_init，讀取環境配置方法，在這個方法里會讀取在Xcode 中配置的環境變量參數
tls_init，用于初始化不是使用pthread_key_create()創建的線程的析構函數
static_init，執行 C++ 靜態構造函數功能
lock_init，初始化后臺線程和主線程優先級
exception_init，異常初始化

map_images

在map_images函數中，內部也是做了一個調用中轉。然后調用到map_images_nolock函數，內部核心就是_read_images函數。先整體梳理一遍_read_images函數內部的邏輯：

加載所有類到類的gdb_objc_realized_classes表中。
對所有類做重映射。
將所有SEL都注冊到namedSelectors表中。
修復函數指針遺留。
將所有Protocol都添加到protocol_map表中。
對所有Protocol做重映射。
初始化所有非懶加載的類，進行rw、ro等操作。
遍歷已標記的懶加載的類，并做初始化操作。
處理所有Category，包括Class和Meta Class。
初始化所有未初始化的類。

load_images

在load_images函數中主要做了兩件事，

首先通過prepare_load_methods函數準備Class load list和Category load list，
然后通過call_load_methods函數調用已經準備好的兩個方法列表

isa

在ARM 64之前，isa是一個指針，存儲著Class、Meta-Class對象的內存地址。
ARM 64之后，isa是一個共用體，除了存儲Class、Meta-Class對象的內存地址，還保存了更多的信息。ARM 64情況下，isa共用體的定義。

union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
        uintptr_t magic             : 6;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 19;
#       define RC_ONE   (1ULL<<45)
#       define RC_HALF  (1ULL<<18)
    };
}

isa的位域的意義

nonpointer
- 0 ，表示指針，存儲Class對象地址
- 1，使用共用體，存儲更多信息
has_assoc
- 是否設置過關對象。如果沒有，該對象會釋放地更快
has_cxx_dtor
- 是否有C++析構函數。如果沒有，該對象會釋放地更快
shiftcls
- 類對象，元類對象的內存地址
magic
- 對象是否完成初始化
weakly_referenced
- 是否被若引用指向過。如果沒有，該對象會釋放地更快
deallocating
- 是否正在被釋放
has_sidetable_rc
- 是否引用計數器過大，不能保存在isa中。如果過大，會保存在SideTable中
extra_rc
- 保存該對象的引用計數減1

method_t

struct method_t {
    SEL name;       // 底層結構類似于char *
    const char *types;
    IMP imp;     // 該表函數的具體實現
};

SEL代表方法\函數名，一般叫做選擇器，底層結構跟char *類似

可以通過@selector()和sel_registerName()獲得
可以通過sel_getName()和NSStringFromSelector()
不同類中相同名字的方法，所對應的方法選擇器是相同的

types包含了函數返回值，參數編碼的字符串

// i 24  @ 0  : 8   i 16  f 20
/*  i 24，表示所有參數占據的字節數
    @ 0，表示第一個參數，self，從第0個參數開始
    : 8，表示第二個參數，SEL，從第8個開始
    i 16，表示(int)age
    f 20，表示(float)height
 */
- (void)test:(int)age height:(float)height {
 
}

IMP表示函數的具體實現

typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);

cache_t

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;      // 數組
    mask_t _mask;          // 數組長度
    mask_t _occupied;    // 已經使用的長度
}

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;      // SEL
    IMP _imp;
}

散列表使用的hash算法，就是&運算

static inline mask_t cache_hash(cache_key_t key, mask_t mask) 
{
    return (mask_t)(key & mask);
}

如果發生Hash碰撞，則從前一個開始找，直到索引為0。如果還找不到，就再從數組最后一個，倒序開始找。

bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)
{
    assert(k != 0);

    bucket_t *b = buckets();
    mask_t m = mask();
    mask_t begin = cache_hash(k, m);
    mask_t i = begin;
    do {
        if (b[i].key() == 0  ||  b[i].key() == k) {
            return &b[i];
        }
    } while ((i = cache_next(i, m)) != begin);

    // hack
    Class cls = (Class)((uintptr_t)this - offsetof(objc_class, cache));
    cache_t::bad_cache(receiver, (SEL)k, cls);
}

子類調用父類方法之后，先在子類找不到方法，然后去父類找，

也是先找父類的緩存，再找父類的方法列表
找到之后，會把方法緩存到子類的cache中

緩存的時候，如果緩存滿了，則清除所有緩存，并且2倍擴容

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);
}

obj_msgSend()

OC中的方法調用，都是轉換成調用obj_msgSend()函數。整個過程可以分成3個階段：

消息發送：根據OC對象模型圖，從子類到父類，去找方法
動態方法解析：可能會向類對象添加方法
消息轉發：可能將該方法調用，轉到其他對象去調用。

_class_lookupMethodAndLoadCache3
lookUpImpOrForward
getMethodNoSuper_nolock、search_method_list、log_and_fill_cache
cache_getImp、log_and_fill_cache、getMethodNoSuper_nolock、log_and_fill_cache
_class_resolveInstanceMethod
_objc_msgForward_impcache

匯編調用

由于obj_msgSend()調用十分頻繁，所以obj_msgSend()有一部分是使用匯編實現的。
一般如果是C函數是objc_msgSend，則對應的匯編函數就是加上下劃線_objc_msgSend
匯編做了如下工作：

判斷receiver是否為nil，如果是nil就直接返回
查找緩存，如果緩存沒有命中，就在方法列表查找方法

objc-msg-arm64.s
ENTRY _objc_msgSend
b.le    LNilOrTagged
CacheLookup NORMAL
.macro CacheLookup
.macro CheckMiss
STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
.macro MethodTableLookup
__class_lookupMethodAndLoadCache3

查找方法

匯編函數是__class_lookupMethodAndLoadCache3，則對應的runtime方法是_class_lookupMethodAndLoadCache3
在C函數還是會查找一遍緩存，原因是：再執行到這次的查找緩存之前，可能動態添加一些方法，緩存方法變化。

在本類進行查找
1. 再次查找緩存，
2. 查找方法，在本類對象的方法列表，還可以分成二分查找（如果已經排好序）和線性查找。如果找到了，會進行緩存
不斷地向上，在父類進行查找。不管是
1. 先找父類的緩存。如果找到了，在自己的類緩存
2. 在找父類的方法列表。如果找到了，在自己的類緩存

動態方法解析

當通過上面的方法查找，找不到方法，就會進入動態方法解析。

通過triedResolver，只解析一次
goto retry會重新進入方法查找：先查找本類緩存，在找本類方法列表；再父類

  if (resolver  &&  !triedResolver) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_resolveMethod(cls, sel, inst);
        runtimeLock.read();
        // Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have 
        // changed already. Re-do the search from scratch instead.
        triedResolver = YES;
        goto retry;
    }

使用如下示例代碼，進行動態方法解析

void c_anotherMethod(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"c_another class method");
}

- (void)anotherTest {
    NSLog(@"instance %s",__func__);
}

+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
{
    if (sel == @selector(test)) {
        // 第一個參數是object_getClass(self)
        class_addMethod(object_getClass(self), sel, (IMP)c_anotherMethod, "v16@0:8");
        return YES;
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(test)) {
        Method anotherMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(anotherTest));
        class_addMethod(self,
                        sel,
                        method_getImplementation(anotherMethod),
                        method_getTypeEncoding(anotherMethod));
        return YES;
    }
    
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

消息轉發

消息轉發.png

首先是調用forwardingTargetForSelector:，如果返回不為nil，就進入target的方法調用流程。forwarding:沒有開源，可以通過逆向，了解其實現的。
如果最終能夠走到forwardInvocation:，即使forwardInvocation:是空實現，該方法調用也能成功完成。

調用forwardInvocation之前，系統會先調用resolveInstanceMethod:，傳入的selector為_forwardStackInvocation:
如果實現methodSignatureForSelector :，但是沒有實現forwardInvocation :，也會unrecognized selector

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return [[ForwardTarget alloc] init];
}

// 方法簽名：返回值類型、參數類型
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v24@0:8@16"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

// NSInvocation封裝了一個方法調用，包括：方法調用者、方法名、方法參數
//    anInvocation.target 方法調用者
//    anInvocation.selector 方法名
//    anInvocation.methodSignature methodSignatureForSelector:方法返回的
//    [anInvocation getArgument:NULL atIndex:0]
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
    [anInvocation invokeWithTarget:[[ForwardTarget alloc] init]];
}

Super

[super message]的底層實現，最初是objc_msgSendSuper(arg, sel)，其中第一個參數是結構體，該結構體包含兩個成員變量：

消息接收者，就是子類實例對象
父類類對象，找方法會從父類類對象開始找

struct objc_super {
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver; // 消息接收者
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class; // 消息接收者的父類
};

后來實現變成objc_msgSendSuper2(arg, sel)，第一個參數是結構體，其成員變量是：

消息接收者，仍然是子類對象
消息接收者的類對象。但是其內部實現，仍然是獲取父類類對象，從父類開始找

struct objc_super2 {
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver; // 消息接收者
    __unsafe_unretained _Nonnull Class current_class; // 消息接收者的類對象
};

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        NSLog(@"[self class] = %@", [self class]); // MJStudent
        NSLog(@"[self superclass] = %@", [self superclass]); // MJPerson

        NSLog(@"--------------------------------");

        // objc_msgSendSuper({self, [MJPerson class]}, @selector(class));
        NSLog(@"[super class] = %@", [super class]); // MJStudent
        NSLog(@"[super superclass] = %@", [super superclass]); // MJPerson
    }
    return self;
}

isKindOf

objc的源碼如下，要特別注意的是

+ (BOOL)isKindOfClass:，要求傳入的是metaClass，但是最后一步會走到NSObject的class對象。

// 這句代碼的方法調用者不管是哪個類（只要是NSObject體系下的），都返回YES
NSLog(@"%d", [NSObject isKindOfClass:[NSObject class]]); // 1
NSLog(@"%d", [NSObject isMemberOfClass:[NSObject class]]); // 0
NSLog(@"%d", [MJPerson isKindOfClass:[Person class]]); // 0
NSLog(@"%d", [MJPerson isMemberOfClass:[Person class]]); // 0

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return object_getClass((id)self) == cls;
}

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

面試題

以下代碼中，是否能夠正常打印

@interface Person : NSObject
@property (copy, nonatomic) NSString *name;

- (void)print;
@end

@implementation MJPerson

- (void)print
{
    NSLog(@"my name is %@", self->_name);
}

@end

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    id cls = [MJPerson class];

    void *obj = &cls;

    [(__bridge id)obj print];
}

首先分析，變量之間的關系，如下圖所示

與正常調用實例方法的結構相同，都包含指針變量，對象的ISA指針，類對象
所以可以調用到print方法

變量之間的關系.png

執行方法時，棧中變量地址的位置，如下圖所示

棧中的變量地址是從高到低，即先出現的變量，占據高地址
[super viewDidLoad];，上文說過，會有一個結構體變量；接著是cls，接著是obj
根據實例對象的結構圖，訪問name成員變量，就是訪問self占據的指針

棧中的變量地址.png

API使用

成員變量是基本數據類型，需要先轉成指針，再bridge

    // 創建類
    Class newClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], "MJDog", 0);
    class_addIvar(newClass, "_age", 4, 1, @encode(int));
    class_addIvar(newClass, "_weight", 4, 1, @encode(int));
    class_addMethod(newClass, @selector(run), (IMP)run, "v@:");
    // 注冊類
    objc_registerClassPair(newClass);
    // 如果是基本數據類型，需要先轉成指針，再bridge
    object_setIvar(person, ageIvar, (__bridge id)(void *)10);

具體應用

利用關聯對象（AssociatedObject）給分類添加屬性
遍歷類的所有成員變量（修改textfield的占位文字顏色、字典轉模型、自動歸檔解檔）
交換方法實現（交換系統的方法，method_exchangeImplementions會清空方法緩存
利用消息轉發機制解決方法找不到的異常問題

+ (void)load { 
    static dispatch_once_t onceToken; 
    dispatch_once(&onceToken, ^{ 
        Class aClass = [self class]; 
 
        SEL originalSelector = @selector(viewWillAppear:); 
        SEL swizzledSelector = @selector(xxx_viewWillAppear:); 
 
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(aClass, originalSelector); 
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(aClass, swizzledSelector); 
        
        // When swizzling a class method, use the following:
        // Class aClass = object_getClass((id)self);
        // ...
        // Method originalMethod = class_getClassMethod(aClass, originalSelector);
        // Method swizzledMethod = class_getClassMethod(aClass, swizzledSelector);
 
        BOOL didAddMethod = 
            class_addMethod(aClass, 
                originalSelector, 
                method_getImplementation(swizzledMethod), 
                method_getTypeEncoding(swizzledMethod)); 
 
        if (didAddMethod) { 
            class_replaceMethod(aClass, 
                swizzledSelector, 
                method_getImplementation(originalMethod), 
                method_getTypeEncoding(originalMethod)); 
        } else { 
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod); 
        } 
    }); 
}

數組和字典的方法交換

集合類型，由于使用了類簇.

可變數組真正的類型是__NSArrayM
可變字典真正的類型是__NSDictionaryM
不可變字典真正的類型是__NSDictionaryI

   static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
       // 類簇：NSString、NSArray、NSDictionary，真實類型是其他類型
        Class cls = NSClassFromString(@"__NSArrayM");
        Method method1 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(insertObject:atIndex:));
        Method method2 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(my_insertObject:atIndex:));
        method_exchangeImplementations(method1, method2);
    });

    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class cls = NSClassFromString(@"__NSDictionaryM");
        Method method1 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(setObject:forKeyedSubscript:));
        Method method2 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(my_setObject:forKeyedSubscript:));
        method_exchangeImplementations(method1, method2);
        
        Class cls2 = NSClassFromString(@"__NSDictionaryI");
        Method method3 = class_getInstanceMethod(cls2, @selector(objectForKeyedSubscript:));
        Method method4 = class_getInstanceMethod(cls2, @selector(my_objectForKeyedSubscript:));
        method_exchangeImplementations(method3, method4);
    });

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Runtime

Runtime

啟動流程

幾個初始化

map_images

load_images

isa

isa的位域的意義

method_t

cache_t

obj_msgSend()

匯編調用

查找方法

動態方法解析

消息轉發

Super

isKindOf

面試題

API使用

具體應用

數組和字典的方法交換

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isa的位域的意義

method_t

cache_t

obj_msgSend()

匯編調用

查找方法

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消息轉發

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