iOS底層原理總結 - Category的本質
面試題
- Category的實現原理，以及Category為什么只能加方法不能加屬性。
- Category中有load方法嗎？load方法是什么時候調用的？load 方法能繼承嗎？
- load、initialize的區別，以及它們在category重寫的時候的調用的次序。
Category的本質
首先我們寫一段簡單的代碼，之后的分析都基于這段代碼。
Presen類
// Presen.h
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Preson : NSObject
{
int _age;
}
- (void)run;
@end
// Presen.m
#import "Preson.h"
@implementation Preson
- (void)run
{
NSLog(@"Person - run");
}
@end
Presen擴展1
// Presen+Test.h
#import "Preson.h"
@interface Preson (Test) <NSCopying>
- (void)test;
+ (void)abc;
@property (assign, nonatomic) int age;
- (void)setAge:(int)age;
- (int)age;
@end
// Presen+Test.m
#import "Preson+Test.h"
@implementation Preson (Test)
- (void)test
{
}
+ (void)abc
{
}
- (void)setAge:(int)age
{
}
- (int)age
{
return 10;
}
@end
Presen分類2
// Preson+Test2.h
#import "Preson.h"
@interface Preson (Test2)
@end
// Preson+Test2.m
#import "Preson+Test2.h"
@implementation Preson (Test2)
- (void)run
{
NSLog(@"Person (Test2) - run");
}
@end
我們之前講到過實例對象的isa指針指向類對象，類對象的isa指針指向元類對象，當p調用run方法時，通過實例對象的isa指針找到類對象，然后在類對象中查找對象方法，如果沒有找到，就通過類對象的superclass指針找到父類對象，接著去尋找run方法。
那么當調用分類的方法時，步驟是否和調用對象方法一樣呢？
分類中的對象方法依然是存儲在類對象中的，同本類對象方法在同一個地方，調用步驟也同調用對象方法一樣。如果是類方法的話，也同樣是存儲在元類對象中。
那么分類方法是如何存儲在類對象中的，我們來通過源碼看一下分類的底層結構。
分類的底層結構
如何驗證上述問題？通過查看分類的源碼我們可以找到category_t 結構體。
struct category_t {
const char *name;
classref_t cls;
struct method_list_t *instanceMethods; // 對象方法
struct method_list_t *classMethods; // 類方法
struct protocol_list_t *protocols; // 協議
struct property_list_t *instanceProperties; // 屬性
// Fields below this point are not always present on disk.
struct property_list_t *_classProperties;
method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
if (isMeta) return classMethods;
else return instanceMethods;
}
property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};
從源碼基本可以看出我們平時使用categroy的方式，對象方法，類方法，協議，和屬性都可以找到對應的存儲方式。并且我們發現分類結構體中是不存在成員變量的，因此分類中是不允許添加成員變量的。分類中添加的屬性并不會幫助我們自動生成成員變量，只會生成get set方法的聲明，需要我們自己去實現。
通過源碼我們發現，分類的方法，協議，屬性等好像確實是存放在categroy結構體里面的，那么他又是如何存儲在類對象中的呢？
我們來看一下底層的內部方法探尋其中的原理。
首先我們通過命令行將Preson+Test.m文件轉化為c++文件，查看其中的編譯過程。
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Preson+Test.m
在分類轉化為c++文件中可以看出_category_t結構體中，存放著類名，對象方法列表，類方法列表，協議列表，以及屬性列表。
緊接著，我們可以看到_method_list_t類型的結構體，如下圖所示
上圖中我們發現這個結構體_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Preson_$_Test從名稱可以看出是INSTANCE_METHODS對象方法，并且一一對應為上面結構體內賦值。我們可以看到結構體中存儲了方法占用的內存，方法數量，以及方法列表。并且從上圖中找到分類中我們實現對應的對象方法，test , setAge, age三個方法
接下來我們發現同樣的_method_list_t類型的類方法結構體，如下圖所示
同上面對象方法列表一樣，這個我們可以看出是類方法列表結構體 _OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_Preson_$_Test，同對象方法結構體相同，同樣可以看到我們實現的類方法，abc。
接下來是協議方法列表
通過上述源碼可以看到先將協議方法通過_method_list_t結構體存儲，之后通過_protocol_t結構體存儲在_OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_Preson_$_Test中同_protocol_list_t結構體一一對應，分別為protocol_count 協議數量以及存儲了協議方法的_protocol_t結構體。
最后我們可以看到屬性列表
屬性列表結構體
_OBJC_$_PROP_LIST_Preson_$_Test同_prop_list_t結構體對應，存儲屬性的占用空間，屬性屬性數量，以及屬性列表，從上圖中可以看到我們自己寫的age屬性。
最后我們可以看到定義了_OBJC_$_CATEGORY_Preson_$_Test結構體，并且將我們上面著重分析的結構體一一賦值，我們通過兩張圖片對照一下。
上下兩張圖一一對應，并且我們看到定義_class_t類型的OBJC_CLASS_$_Preson結構體，最后將_OBJC_$_CATEGORY_Preson_$_Test的cls指針指向OBJC_CLASS_$_Preson結構體地址。我們這里可以看出，cls指針指向的應該是分類的主類類對象的地址。
通過以上分析我們發現。分類源碼中確實是將我們定義的對象方法，類方法，屬性等都存放在catagory_t結構體中。接下來我們在回到runtime源碼查看catagory_t存儲的方法，屬性，協議等是如何存儲在類對象中的。
首先來到runtime初始化函數
接著我們來到 &map_images讀取模塊（images這里代表模塊），來到map_images_nolock函數中找到_read_images函數，在_read_images函數中我們找到分類相關代碼
從上述代碼中我們可以知道這段代碼是用來查找有沒有分類的。通過_getObjc2CategoryList函數獲取到分類列表之后，進行遍歷，獲取其中的方法，協議，屬性等。可以看到最終都調用了remethodizeClass(cls);函數。我們來到remethodizeClass(cls);函數內部查看。
通過上述代碼我們發現attachCategories函數接收了類對象cls和分類數組cats，如我們一開始寫的代碼所示，一個類可以有多個分類。之前我們說到分類信息存儲在category_t結構體中，那么多個分類則保存在category_list中。
我們來到attachCategories函數內部。
上述源碼中可以看出，首先根據方法列表，屬性列表，協議列表，malloc分配內存，根據多少個分類以及每一塊方法需要多少內存來分配相應的內存地址。之后從分類數組里面往三個數組里面存放分類數組里面存放的分類方法，屬性以及協議放入對應mlist、proplists、protolosts數組中，這三個數組放著所有分類的方法，屬性和協議。
之后通過類對象的data()方法，拿到類對象的class_rw_t結構體rw，在class結構中我們介紹過，class_rw_t中存放著類對象的方法，屬性和協議等數據，rw結構體通過類對象的data方法獲取，所以rw里面存放這類對象里面的數據。
之后分別通過rw調用方法列表、屬性列表、協議列表的attachList函數，將所有的分類的方法、屬性、協議列表數組傳進去，我們大致可以猜想到在attachList方法內部將分類和本類相應的對象方法，屬性，和協議進行了合并。
我們來看一下attachLists函數內部。
上述源代碼中有兩個重要的數組
array()->lists： 類對象原來的方法列表，屬性列表，協議列表。
addedLists：傳入所有分類的方法列表，屬性列表，協議列表。
attachLists函數中最重要的兩個方法為memmove內存移動和memcpy內存拷貝。我們先來分別看一下這兩個函數
// memmove ：內存移動。
/* __dst : 移動內存的目的地
* __src : 被移動的內存首地址
* __len : 被移動的內存長度
* 將__src的內存移動__len塊內存到__dst中
*/
void *memmove(void *__dst, const void *__src, size_t __len);
// memcpy ：內存拷貝。
/* __dst : 拷貝內存的拷貝目的地
* __src : 被拷貝的內存首地址
* __n : 被移動的內存長度
* 將__src的內存移動__n塊內存到__dst中
*/
void *memcpy(void *__dst, const void *__src, size_t __n);
下面我們圖示經過memmove和memcpy方法過后的內存變化。
經過memmove方法之后，內存變化為
// array()->lists 原來方法、屬性、協議列表數組
// addedCount 分類數組長度
// oldCount * sizeof(array()->lists[0]) 原來數組占據的空間
memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists,
oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
經過memmove方法之后，我們發現，雖然本類的方法，屬性，協議列表會分別后移，但是本類的對應數組的指針依然指向原始位置。
memcpy方法之后，內存變化
// array()->lists 原來方法、屬性、協議列表數組
// addedLists 分類方法、屬性、協議列表數組
// addedCount * sizeof(array()->lists[0]) 原來數組占據的空間
memcpy(array()->lists, addedLists,
addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
我們發現原來指針并沒有改變，至始至終指向開頭的位置。并且經過memmove和memcpy方法之后，分類的方法，屬性，協議列表被放在了類對象中原本存儲的方法，屬性，協議列表前面。
那么為什么要將分類方法的列表追加到本來的對象方法前面呢，這樣做的目的是為了保證分類方法優先調用，我們知道當分類重寫本類的方法時，會覆蓋本類的方法。
其實經過上面的分析我們知道本質上并不是覆蓋，而是優先調用。本類的方法依然在內存中的。我們可以通過打印所有類的所有方法名來查看
- (void)printMethodNamesOfClass:(Class)cls
{
unsigned int count;
// 獲得方法數組
Method *methodList = class_copyMethodList(cls, &count);
// 存儲方法名
NSMutableString *methodNames = [NSMutableString string];
// 遍歷所有的方法
for (int i = 0; i < count; i++) {
// 獲得方法
Method method = methodList[i];
// 獲得方法名
NSString *methodName = NSStringFromSelector(method_getName(method));
// 拼接方法名
[methodNames appendString:methodName];
[methodNames appendString:@", "];
}
// 釋放
free(methodList);
// 打印方法名
NSLog(@"%@ - %@", cls, methodNames);
}
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
Preson *p = [[Preson alloc] init];
[p run];
[self printMethodNamesOfClass:[Preson class]];
}
通過下圖中打印內容可以發現，調用的是Test2中的run方法，并且Person類中存儲著兩個run方法。
總結：
問： Category的實現原理，以及Category為什么只能加方法不能加屬性?
答：分類的實現原理是將category中的方法，屬性，協議數據放在category_t結構體中，然后將結構體內的方法列表拷貝到類對象的方法列表中。
Category可以添加屬性，但是并不會自動生成成員變量及set/get方法。因為category_t結構體中并不存在成員變量。通過之前對對象的分析我們知道成員變量是存放在實例對象中的，并且編譯的那一刻就已經決定好了。而分類是在運行時才去加載的。那么我們就無法再程序運行時將分類的成員變量中添加到實例對象的結構體中。因此分類中不可以添加成員變量。
load 和 initialize
load方法會在程序啟動就會調用，當裝載類信息的時候就會調用。
調用順序看一下源代碼。
通過源碼我們發現是優先調用類的load方法，之后調用分類的load方法。
我們通過代碼驗證一下：
我們添加Student繼承Presen類，并添加Student+Test分類，分別重寫只+load方法，其他什么都不做通過打印發現
確實是優先調用類的load方法之后調用分類的load方法，不過調用類的load方法之前會保證其父類已經調用過load方法。
之后我們為Preson、Student 、Student+Test 添加initialize方法。
我們知道當類第一次接收到消息時，就會調用initialize，相當于第一次使用類的時候就會調用initialize方法。調用子類的initialize之前，會先保證調用父類的initialize方法。如果之前已經調用過initialize，就不會再調用initialize方法了。當分類重寫initialize方法時會先調用分類的方法。但是load方法并不會被覆蓋，首先我們來看一下initialize的源碼。
上圖中我們發現，initialize是通過消息發送機制調用的，消息發送機制通過isa指針找到對應的方法與實現，因此先找到分類方法中的實現，會優先調用分類方法中的實現。
我們再來看一下load方法的調用源碼
我們看到load方法中直接拿到load方法的內存地址直接調用方法，不在是通過消息發送機制調用。
我們可以看到分類中也是通過直接拿到load方法的地址進行調用。因此正如我們之前試驗的一樣，分類中重寫load方法，并不會優先調用分類的load方法，而不調用本類中的load方法了。
總結
問：Category中有load方法嗎？load方法是什么時候調用的？load 方法能繼承嗎？
答：Category中有load方法，load方法在程序啟動裝載類信息的時候就會調用。load方法可以繼承。調用子類的load方法之前，會先調用父類的load方法
問：load、initialize的區別，以及它們在category重寫的時候的調用的次序。
答：區別在于調用方式和調用時刻
調用方式：load是根據函數地址直接調用，initialize是通過objc_msgSend調用
調用時刻：load是runtime加載類、分類的時候調用（只會調用1次），initialize是類第一次接收到消息的時候調用，每一個類只會initialize一次（父類的initialize方法可能會被調用多次）
調用順序：先調用類的load方法，先編譯那個類，就先調用load。在調用load之前會先調用父類的load方法。分類中load方法不會覆蓋本類的load方法，先編譯的分類優先調用load方法。initialize先初始化父類，之后再初始化子類。如果子類沒有實現+initialize，會調用父類的+initialize（所以父類的+initialize可能會被調用多次），如果分類實現了+initialize，就覆蓋類本身的+initialize調用。
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