iOS底层原理--007：方法本质

1. Runtime
2. 方法本质
3. objc_msgSend汇编代码
3. 流程图
总结

1. Runtime

1.1 `Runtime`介绍

Runtime称之为运行时，它与编译时的区别：

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报错，即词法分析、语法分析等，是一个静态的阶段
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，是一个动态阶段

1.2 `Runtime`的两个版本

Legacy版本：早期版本

◦ 对应Objective-C 1.0编程接⼝
◦ ⽤于32位的Mac OS X平台上

Modern版本：现⾏版本

◦ 对应Objective-C 2.0编程接⼝
◦ 用于iPhone程序和Mac OS X v10.5及以后系统中的64位程序

1.3 使用`Runtime`的三种方式

通过Objective-C代码，例如：[person sayNB]
通过Foundation框架的NSObject类定义的方法，例如：isKindOfClass
通过Runtime API，例如：class_getInstanceSize

Compiler：编译器
Runtime System Libarary：Runtime的底层系统库

官方文档：Objective-C Runtime Programming Guide

2. 方法本质

2.1 方法底层的实现

在main函数中，写入以下代码：

LGPerson *person = [LGPerson alloc];
[person sayNB];
[person say:@"NB"];

生成cpp文件，底层代码如下：

LGPerson *person = ((LGPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayNB"));
((void (*)(id, SEL, NSString *))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("say:"), (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_jl_d06jlfkj2ws74_5g45kms07m0000gn_T_main_d8842a_mi_3);

方法的本质：objc_msgSend消息发送

objc_msgSend的参数：

消息接收者
消息主体（SEL + 参数）

2.2 `objc_msgSend`

在Build Setting中，将Enable Strict Checking of obc_msgSend Calls设置为NO

导入头文件：

#import <objc/message.h>

在main函数中，写入以下代码：

@interface LGPerson : NSObject
- (void)sayNB;
@end
@implementation LGPerson
- (void)sayNB{
    NSLog(@"666");
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayNB"));
    }
    return 0;
}
-------------------------
//输出结果：
666

和调用OC方法的执行结果相同
sel_registerName为@selector()的底层实现

2.2 `objc_msgSendSuper`

子类调用父类方法时，可使用objc_msgSendSuper，向父类发送消息

在objc源码中，找到objc_msgSendSuper的定义

OBJC_EXPORT void
objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

传入objc_super类型的结构体指针

找到objc_super结构体的定义

struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
    /* super_class is the first class to search */
};

receiver：消息接收者
super_class：传入第一查找的类，如果找不到，继续向所属父类一层一层的查找

在项目中调用objc_msgSendSuper

定义LGTeacher，继承于LGPerson

@interface LGTeacher : LGPerson
- (void)sayNB;
@end
@implementation LGTeacher
@end

定义sayNB方法，但不实现

在main函数中，写入以下代码：

struct lg_objc_super {
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LGTeacher *teacher = [LGTeacher alloc];
        struct lg_objc_super lgSuper;
        lgSuper.receiver=teacher;
        lgSuper.super_class=[LGPerson class];
        objc_msgSendSuper(&lgSuper, @selector(sayNB));
    }
    return 0;
}
-------------------------
//输出结果：
666

按照objc_super相同结构，定义lg_objc_super结构体
我们已经知道LGTeacher中没有sayNB方法的实现，所以super_class直接传入LGPerson的类对象
如果super_class传入LGTeacher的类对象，打印结果相同。区别在于需要向父类多查找一层

3. `objc_msgSend`汇编代码

在objc4-818.2源码中，不同系统架构的汇编指令都有差异，我们只针对最常用的arm64架构下的汇编代码进行探索

3.1 `objc_msgSend`

    ENTRY _objc_msgSend
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
    cmp    p0, #0            // nil check and tagged pointer check
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)
#else
    b.eq    LReturnZero
#endif
    ldr    p13, [x0]        // p13 = isa
    GetClassFromIsa_p16 p13, 1, x0    // p16 = class

ENTRY _objc_msgSend：入口
p0寄存器，存储消息接收者
cmp p0, #0：消息接收者和#0比较

◦ 汇编代码中，没有nil，只有0和1
◦ 这里的#0比较，可以理解消息接收者为nil

SUPPORT_TAGGED_POINTERS：真机arm64架构，SUPPORT_TAGGED_POINTERS定义为1
b.le LNilOrTagged：小于等于0，进入LNilOrTagged流程
b.eq LReturnZero：等于0，进入LReturnZero流程
否则，消息接收者存在，继续执行代码

◦ ldr p13, [x0]：将x0寄存器取地址，赋值p13寄存器
◦ p13：存储消息接收者的isa

进入GetClassFromIsa_p16流程，传入isa、1、消息接收者

3.2 `LNilOrTagged`

LNilOrTagged:
    b.eq    LReturnZero        // nil check
    GetTaggedClass
    b    LGetIsaDone

b.eq：等于0，进入LReturnZero流程
否则，小于0，继续执行代码
进入GetTaggedClass流程
进入LGetIsaDone流程

3.3 `LReturnZero`

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

返回nil

3.4 `GetClassFromIsa_p16`

.macro GetClassFromIsa_p16 src, needs_auth, auth_address /* note: auth_address is not required if !needs_auth */
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    // Indexed isa
    mov    p16, \src            // optimistically set dst = src
    tbz    p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f    // done if not non-pointer isa
    // isa in p16 is indexed
    adrp    x10, _objc_indexed_classes@PAGE
    add    x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
    ubfx    p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS  // extract index
    ldr    p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT]    // load class from array
1:
#elif __LP64__
.if \needs_auth == 0 // _cache_getImp takes an authed class already
    mov    p16, \src
.else
    // 64-bit packed isa
    ExtractISA p16, \src, \auth_address
.endif
#else
    // 32-bit raw isa
    mov    p16, \src
#endif
.endmacro

入参：

◦ src：isa
◦ needs_auth：1
◦ auth_address：消息接收者

当前不符合SUPPORT_INDEXED_ISA条件，跳过
符合__LP64__条件，不满足needs_auth等于0的条件，进入else分支
ExtractISA p16, \src, \auth_address：进入ExtractISA流程

◦ 传入p16寄存器，isa，消息接收者
◦ p16寄存器的值，存储的是什么不重要，因为传入到ExtractISA中会被赋值

3.5 `ExtractISA`

.macro ExtractISA
    and    $0, $1, #ISA_MASK
.endmacro

$0：p16寄存器
$1：isa
and $0, $1, #ISA_MASK：将isa & ISA_MASK的结果，存储到p16寄存器

◦ p16：存储类对象地址

3.6 `LGetIsaDone`

LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend, __objc_msgSend_uncached

objc_msgSend的后续流程

◦ 消息接收者存在，并且得到类对象，继续LGetIsaDone流程

进入CacheLookup缓存查找流程，也就是所谓的sel-imp快速查找流程
内部会调用imp或objc_msgSend_uncached

3. 流程图

为什么要获取类对象？

在快速查找流程中，查找的cache存储在类对象中，所以必须拿到类对象才能进行后面的流程

总结

Runtime介绍：

Runtime称之为运行时
与编译时的区别：

◦ 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报错，即词法分析、语法分析等，是一个静态的阶段
◦ 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，是一个动态阶段

Runtime的两个版本：

Legacy版本：早期版本

◦ 对应Objective-C 1.0编程接⼝
◦ ⽤于32位的Mac OS X平台上

Modern版本：现⾏版本

◦ 对应Objective-C 2.0编程接⼝
◦ 用于iPhone程序和Mac OS X v10.5及以后系统中的64位程序

使用Runtime的三种方式：

通过Objective-C代码，例如：[person sayNB]
通过Foundation框架的NSObject类定义的方法，例如：isKindOfClass
通过Runtime API，例如：class_getInstanceSize

方法本质：

方法的本质：objc_msgSend消息发送
objc_msgSend的参数：

◦ 消息接收者
◦ 消息主体（SEL + 参数）

sel_registerName为@selector()的底层实现
objc_msgSendSuper：向父类发送消息

objc_msgSend汇编代码：

ENTRY _objc_msgSend：汇编代码的入口
消息接收者receiver不存在，返回nil
否则，receiver存在：

◦ 获取isa
◦ isa & ISA_MASK，得到类对象
◦ 成功得到类对象，进入CacheLookup缓存查找流程，也就是所谓的sel-imp快速查找流程

1. Runtime

1.1 Runtime介绍

1.2 Runtime的两个版本

1.3 使用Runtime的三种方式

2. 方法本质

2.1 方法底层的实现

2.2 objc_msgSend

2.2 objc_msgSendSuper

3. objc_msgSend汇编代码

3.1 objc_msgSend

3.2 LNilOrTagged

3.3 LReturnZero

3.4 GetClassFromIsa_p16

3.5 ExtractISA

3.6 LGetIsaDone

3. 流程图

总结

1.1 `Runtime`介绍

1.2 `Runtime`的两个版本

1.3 使用`Runtime`的三种方式

2.2 `objc_msgSend`

2.2 `objc_msgSendSuper`

3. `objc_msgSend`汇编代码

3.1 `objc_msgSend`

3.2 `LNilOrTagged`

3.3 `LReturnZero`

3.4 `GetClassFromIsa_p16`

3.5 `ExtractISA`

3.6 `LGetIsaDone`