刨根问底Objective-C Runtime
http://chun.tips/blog/2014/11/05/bao-gen-wen-di-objective%5Bnil%5Dc-runtime-(2)%5Bnil%5D-object-and-class-and-meta-class/
刨根问底Objective-C Runtime(1)- Self & Super
刨根问底Objective-C Runtime(2)- Object & Class & Meta Class
刨根问底Objective-C Runtime(3)- 消息和Category
刨根问底Objective-C Runtime(4)- 成员变量与属性
刨根问底Objective-C Runtime(1)- Self & Super
下面的代码输出什么?
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@implementation Son : Father - (id)init { self = [ super init]; if (self) { NSLog(@ "%@" , NSStringFromClass([self class])); NSLog(@ "%@" , NSStringFromClass([ super class])); } return self; } @end |
答案:都输出 Son
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2014-11-05 11:06:18.060 Test[8566:568584] NSStringFromClass([self class]) = Son 2014-11-05 11:06:18.061 Test[8566:568584] NSStringFromClass([ super class]) = Son |
解惑:这个题目主要是考察关于objc中对 self 和 super 的理解。
self 是类的隐藏参数,指向当前调用方法的这个类的实例。而 super 是一个 Magic Keyword, 它本质是一个编译器标示符,和 self 是指向的同一个消息接受者。上面的例子不管调用[self class]还是[super class],接受消息的对象都是当前 Son *xxx 这个对象。而不同的是,super是告诉编译器,调用 class 这个方法时,要去父类的方法,而不是本类里的。
当使用 self 调用方法时,会从当前类的方法列表中开始找,如果没有,就从父类中再找;而当使用 super 时,则从父类的方法列表中开始找。然后调用父类的这个方法。
真的是这样吗?继续看:
使用clang重写命令:
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$ clang -rewrite-objc test.m |
发现上述代码被转化为:
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NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_a5cecc_mi_0, NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName( "class" )))); NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_a5cecc_mi_1, NSStringFromClass(((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){ (id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass( "Son" )) }, sel_registerName( "class" )))); |
从上面的代码中,我们可以发现在调用 [self class] 时,会转化成 objc_msgSend函数。看下函数定义:
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id objc_msgSend(id self, SEL op, ...) |
我们把 self 做为第一个参数传递进去。
而在调用 [super class]时,会转化成 objc_msgSendSuper函数。看下函数定义:
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id objc_msgSendSuper(struct objc_super * super , SEL op, ...) |
第一个参数是 objc_super 这样一个结构体,其定义如下:
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struct objc_super { __unsafe_unretained id receiver; __unsafe_unretained Class super_class; }; |
结构体有两个成员,第一个成员是 receiver, 类似于上面的 objc_msgSend函数第一个参数self 。第二个成员是记录当前类的父类是什么。
所以,当调用 [self class] 时,实际先调用的是 objc_msgSend函数,第一个参数是 Son当前的这个实例,然后在 Son 这个类里面去找 - (Class)class这个方法,没有,去父类 Father里找,也没有,最后在 NSObject类中发现这个方法。而 - (Class)class的实现就是返回self的类别,故上述输出结果为 Son。
objc Runtime开源代码对- (Class)class方法的实现:
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- (Class)class { return object_getClass(self); } |
而当调用 [super class]时,会转换成objc_msgSendSuper函数。第一步先构造 objc_super 结构体,结构体第一个成员就是 self 。第二个成员是 (id)class_getSuperclass(objc_getClass(“Son”)) , 实际该函数输出结果为 Father。第二步是去 Father这个类里去找- (Class)class,没有,然后去NSObject类去找,找到了。最后内部是使用 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))去调用,此时已经和[self class]调用相同了,故上述输出结果仍然返回 Son。
刨根问底Objective-C Runtime(2)- Object & Class & Meta Clas
本篇笔记主要是讲述objc runtime中关于Object & Class & Meta Class的细节。
习题内容
下面代码的运行结果是?
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@interface Sark : NSObject @end @implementation Sark @end int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]]; BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]]; BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]]; BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]]; NSLog(@ "%d %d %d %d" , res1, res2, res3, res4); } return 0; } |
运行结果为:
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2014-11-05 14:45:08.474 Test[9412:721945] 1 0 0 0 |
这里先看几个概念
什么是 id
id 在 objc.h 中定义如下:
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/// A pointer to an instance of a class. typedef struct objc_object *id; |
就像注释中所说的这样 id 是指向一个 objc_object 结构体的指针。
id 这个struct的定义本身就带了一个 *, 所以我们在使用其他NSObject类型的实例时需要在前面加上 *, 而使用 id 时却不用。
那么objc_object又是什么呢
objc_object 在 objc.h 中定义如下:
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/// Represents an instance of a class. struct objc_object { Class isa; }; |
这个时候我们知道Objective-C中的object在最后会被转换成C的结构体,而在这个struct中有一个 isa 指针,指向它的类别 Class。
那么什么是Class呢
在 objc.h 中定义如下:
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/// An opaque type that represents an Objective-C class. typedef struct objc_class *Class; |
我们可以看到 Class本身指向的也是一个C的struct objc_class。
继续看在runtime.h中objc_class定义如下:
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struct objc_class { Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; #if !__OBJC2__ Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE; const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; long version OBJC2_UNAVAILABLE; long info OBJC2_UNAVAILABLE; long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; #endif } OBJC2_UNAVAILABLE; |
该结构体中,isa 指向所属Class, super_class指向父类别。
继续看
下载objc源代码,在 objc-runtime-new.h 中,我们发现 objc_class有如下定义:
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struct objc_class : objc_object { // Class ISA; Class superclass; ... ... } |
豁然开朗,我们看到在Objective-C的设计哲学中,一切都是对象。Class在设计中本身也是一个对象。而这个Class对象的对应的类,我们叫它 Meta Class。即Class结构体中的 isa 指向的就是它的 Meta Class。
Meta Class
根据上面的描述,我们可以把Meta Class理解为 一个Class对象的Class。简单的说:
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当我们发送一个消息给一个NSObject对象时,这条消息会在对象的类的方法列表里查找 当我们发送一个消息给一个类时,这条消息会在类的Meta Class的方法列表里查找 |
而 Meta Class本身也是一个Class,它跟其他Class一样也有自己的 isa 和 super_class 指针。看下图:
每个Class都有一个isa指针指向一个唯一的Meta Class
每一个Meta Class的isa指针都指向最上层的Meta Class(图中的NSObject的Meta Class)
最上层的Meta Class的isa指针指向自己,形成一个回路
每一个Meta Class的super class指针指向它原本Class的 Super Class的Meta Class。但是最上层的Meta Class的 Super Class指向NSObject Class本身
最上层的NSObject Class的super class指向 nil
解惑
为了更加清楚的知道整个函数调用过程,我们使用clang -rewrite-objc main.m重写,可获得如下代码:
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BOOL res1 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "NSObject" ), sel_registerName( "class" )), sel_registerName( "isKindOfClass:" ), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "NSObject" ), sel_registerName( "class" ))); BOOL res2 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "NSObject" ), sel_registerName( "class" )), sel_registerName( "isMemberOfClass:" ), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "NSObject" ), sel_registerName( "class" ))); BOOL res3 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "Sark" ), sel_registerName( "class" )), sel_registerName( "isMemberOfClass:" ), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "NSObject" ), sel_registerName( "class" ))); BOOL res4 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "Sark" ), sel_registerName( "class" )), sel_registerName( "isMemberOfClass:" ), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "NSObject" ), sel_registerName( "class" ))); |
先看前两个调用:
最外层是 objc_msgSend函数,转发消息。
函数第一个参数是 (id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class"))
函数第二个参数是转发的selector
函数第三个参数是 ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class"))
我们注意到第一个参数和第三个参数对应重写的是[NSObject class],即使用objc_msgSend向 NSObject Class 发送 @selector(class) 这个消息
打开objc源代码,在 Object.mm 中发现+ (Class)class实现如下:
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+ (Class)class { return self; } |
所以即返回Class类的对象本身。看如下输出:
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NSLog(@ "%p" , [NSObject class]); NSLog(@ "%p" , [NSObject class]); 2014-11-05 18:48:30.939 Test[11682:865988] 0x7fff768d40f0 2014-11-05 18:48:30.940 Test[11682:865988] 0x7fff768d40f0 |
继续打开objc源代码,在 Object.mm 中,我们发现 isKindOfClass的实现如下:
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- (BOOL)isKindOf:aClass { Class cls; for (cls = isa; cls; cls = cls->superclass) if (cls == (Class)aClass) return YES; return NO; } |
对着上面Meta Class的图和实现,我们可以看出
当 NSObject Class对象第一次进行比较时,得到它的isa为 NSObject的Meta Class, 这个时候 NSObject Meta Class 和 NSObject Class不相等。
然后取NSObject 的Meta Class 的Super class,这个时候又变成了 NSObject Class, 所以返回相等。
所以上述第一个输出结果是 YES 。
我们在看下 ‘isMemberOfClass’的实现:
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- (BOOL)isMemberOf:aClass { return isa == (Class)aClass; } |
综上所述,当前的 isa 指向 NSObject 的 Meta Class, 所以和 NSObject Class不相等。
所以上述第二个输出结果为 NO 。
继续看后面两个调用:
Sark Class 的isa指向的是 Sark的Meta Class,和Sark Class不相等
Sark Meta Class的super class 指向的是 NSObject Meta Class, 和 Sark Class不相等
NSObject Meta Class的 super class 指向 NSObject Class,和 Sark Class 不相等
NSObject Class 的super class 指向 nil, 和 Sark Class不相等
所以后面两个调用的结果都输出为 NO 。
刨根问底Objective-C Runtime(3)- 消息 和 Category
本篇笔记主要是讲述objc runtime的 消息和Category。
习题内容
下面的代码会?Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?
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@interface NSObject (Sark) + (void)foo; @end @implementation NSObject (Sark) - (void)foo { NSLog(@ "IMP: -[NSObject(Sark) foo]" ); } @end int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { [NSObject foo]; [[NSObject new ] foo]; } return 0; } |
答案:代码正常输出,输出结果如下:
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2014-11-06 13:11:46.694 Test[14872:1110786] IMP: -[NSObject(Sark) foo] 2014-11-06 13:11:46.695 Test[14872:1110786] IMP: -[NSObject(Sark) foo] |
使用clang -rewrite-objc main.m重写,我们可以发现 main 函数中两个方法调用被转换成如下代码:
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((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "NSObject" ), sel_registerName( "foo" )); ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass( "NSObject" ), sel_registerName( "new" )), sel_registerName( "foo" )); |
我们发现上述两个方法最终转换成使用 objc_msgSend 函数传递消息。
这里先看几个概念
objc_msgSend函数定义如下:
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id objc_msgSend(id self, SEL op, ...) |
关于 id 的解释请看objc runtime系列第二篇博文: objc runtime中Object & Class & Meta Class的细节
什么是 SEL
打开objc.h文件,看下SEL的定义如下:
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typedef struct objc_selector *SEL; |
SEL是一个指向objc_selector结构体的指针。而 objc_selector 的定义并没有在runtime.h中给出定义。我们可以尝试运行如下代码:
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SEL sel = @selector(foo); NSLog(@ "%s" , (char *)sel); NSLog(@ "%p" , sel); const char *selName = [@ "foo" UTF8String]; SEL sel2 = sel_registerName(selName); NSLog(@ "%s" , (char *)sel2); NSLog(@ "%p" , sel2); |
输出如下:
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2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] foo 2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] 0x7fff8fde5114 2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] foo 2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] 0x7fff8fde5114 |
Objective-C在编译时,会根据方法的名字生成一个用来区分这个方法的唯一的一个ID。只要方法名称相同,那么它们的ID就是相同的。
两个类之间,不管它们是父类与子类的关系,还是之间没有这种关系,只要方法名相同,那么它的SEL就是一样的。每一个方法都对应着一个SEL。编译器会根据每个方法的方法名为那个方法生成唯一的SEL。这些SEL组成了一个Set集合,当我们在这个集合中查找某个方法时,只需要去找这个方法对应的SEL即可。而SEL本质是一个字符串,所以直接比较它们的地址即可。
当然,不同的类可以拥有相同的selector。不同类的实例对象执行相同的selector时,会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。
那么什么是IMP呢
继续看定义:
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typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); |
IMP本质就是一个函数指针,这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id,调用方法的SEL,以及一些方法参数,并返回一个id。因此我们可以通过SEL获得它所对应的IMP,在取得了函数指针之后,也就意味着我们取得了需要执行方法的代码入口,这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。
那么 objc_msgSend 到底是怎么工作的呢?
在Objective-C中,消息直到运行时才会绑定到方法的实现上。编译器会把代码中[target doSth]转换成 objc_msgSend消息函数,这个函数完成了动态绑定的所有事情。它的运行流程如下:
检查selector是否需要忽略。(ps: Mac开发中开启GC就会忽略retain,release方法。)
检查target是否为nil。如果为nil,直接cleanup,然后return。(这就是我们可以向nil发送消息的原因。)
然后在target的Class中根据Selector去找IMP
寻找IMP的过程:
先从当前class的cache方法列表(cache methodLists)里去找
找到了,跳到对应函数实现
没找到,就从class的方法列表(methodLists)里找
还找不到,就到super class的方法列表里找,直到找到基类(NSObject)为止
最后再找不到,就会进入动态方法解析和消息转发的机制。(这部分知识,下次再细谈)
那么什么是方法列表呢?
上一篇博文中提到了objc_class结构体定义,如下:
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struct objc_class { Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; #if !__OBJC2__ Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE; const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; long version OBJC2_UNAVAILABLE; long info OBJC2_UNAVAILABLE; long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; #endif } OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_method_list { struct objc_method_list *obsolete OBJC2_UNAVAILABLE; int method_count OBJC2_UNAVAILABLE; #ifdef __LP64__ int space OBJC2_UNAVAILABLE; #endif /* variable length structure */ struct objc_method method_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE; } |
1) objc_method_list 就是用来存储当前类的方法链表,objc_method存储了类的某个方法的信息。
Method
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typedef struct objc_method *Method; |
Method 是用来代表类中某个方法的类型,它实际就指向objc_method结构体,如下:
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struct objc_method { SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE; char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE; IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE; } OBJC2_UNAVAILABLE; |
method_types是个char指针,存储着方法的参数类型和返回值类型。
SEL 和 IMP 就是我们上文提到的,所以我们可以理解为objc_class中 method list保存了一组SEL<->IMP的映射。
2)objc_cache 用来缓存用过的方法,提高性能。
Cache
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typedef struct objc_cache *Cache OBJC2_UNAVAILABLE; |
实际指向objc_cache结构体,如下:
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struct objc_cache { unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE; unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE; Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE; }; |
mask: 指定分配cache buckets的总数。在方法查找中,Runtime使用这个字段确定数组的索引位置
occupied: 实际占用cache buckets的总数
buckets: 指定Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是,指针可能是NULL,表示这个缓存bucket没有被占用,另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。
objc_msgSend每调用一次方法后,就会把该方法缓存到cache列表中,下次的时候,就直接优先从cache列表中寻找,如果cache没有,才从methodLists中查找方法。
说完了 objc_msgSend, 那么题目中的Category又是怎么工作的呢?
继续看概念
我们知道Catagory可以动态地为已经存在的类添加新的方法。这样可以保证类的原始设计规模较小,功能增加时再逐步扩展。在runtime.h中查看定义:
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typedef struct objc_category *Category; |
同样也是指向一个 objc_category 的C 结构体,定义如下:
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struct objc_category { char *category_name OBJC2_UNAVAILABLE; char *class_name OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_method_list *instance_methods OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_method_list *class_methods OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; } OBJC2_UNAVAILABLE; |
通过上面的结构体,大家可以很清楚的看出存储的内容。我们继续往下看,打开objc源代码,在 objc-runtime-new.h中我们可以发现如下定义:
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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; }; |
上面的定义需要提到的地方有三点:
name 是指 class_name 而不是 category_name
cls是要扩展的类对象,编译期间是不会定义的,而是在Runtime阶段通过name对应到对应的类对象
instanceProperties表示Category里所有的properties,这就是我们可以通过objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject增加实例变量的原因,不过这个和一般的实例变量是不一样的
为了验证上述内容,我们使用clang -rewrite-objc main.m重写,题目中的Category被编译器转换成了这样:
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// @interface NSObject (Sark) // + (void)foo; /* @end */ // @implementation NSObject (Sark) static void _I_NSObject_Sark_foo(NSObject * self, SEL _cmd) { NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_dd1ee3_mi_0); } // @end static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark __attribute__ ((used, section ( "__DATA,__objc_const" ))) = { "NSObject" , 0, // &OBJC_CLASS_$_NSObject, (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_NSObject_$_Sark, 0, 0, 0, }; static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ( "__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip" )))= { &_OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark, }; |
_OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark是按规则生成的字符串,我们可以清楚的看到是NSObject类,且Sark是NSObject类的Category
_category_t结构体第二项 classref_t 没有数据,验证了我们上面的说法
由于题目中只有 - (void)foo方法,所以结构体中存储的list只有第三项instanceMethods被填充。
_I_NSObject_Sark_foo代表了Category的foo方法,I表示实例方法
最后这个类的Category生成了一个数组,存在了__objc_catlist里,目前数组的内容只有一个&_OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark
最终这些Category里面的方法是如何被加载的呢?
1.打开objc源代码,找到 objc-os.mm, 函数_objc_init为runtime的加载入口,由libSystem调用,进行初始化操作。
2.之后调用objc-runtime-new.mm -> map_images加载map到内存
3.之后调用objc-runtime-new.mm->_read_images初始化内存中的map, 这个时候将会load所有的类,协议还有Category。NSOBject的+load方法就是这个时候调用的
这里贴上Category被加载的代码:
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// Discover categories. for (EACH_HEADER) { category_t **catlist = _getObjc2CategoryList(hi, &count); for (i = 0; i < count; i++) { category_t *cat = catlist[i]; Class cls = remapClass(cat->cls); if (!cls) { // Category's target class is missing (probably weak-linked). // Disavow any knowledge of this category. catlist[i] = nil; if (PrintConnecting) { _objc_inform( "CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with " "missing weak-linked target class" , cat->name, cat); } continue ; } // Process this category. // First, register the category with its target class. // Then, rebuild the class's method lists (etc) if // the class is realized. BOOL classExists = NO; if (cat->instanceMethods || cat->protocols || cat->instanceProperties) { addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi); if (cls->isRealized()) { remethodizeClass(cls); classExists = YES; } if (PrintConnecting) { _objc_inform( "CLASS: found category -%s(%s) %s" , cls->nameForLogging(), cat->name, classExists ? "on existing class" : "" ); } } if (cat->classMethods || cat->protocols /* || cat->classProperties */ ) { addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi); if (cls->ISA()->isRealized()) { remethodizeClass(cls->ISA()); } if (PrintConnecting) { _objc_inform( "CLASS: found category +%s(%s)" , cls->nameForLogging(), cat->name); } } } } |
1) 循环调用了 _getObjc2CategoryList方法,这个方法的实现是:
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GETSECT(_getObjc2CategoryList, category_t *, "__objc_catlist" ); |
方法中最后一个参数__objc_catlist就是编译器刚刚生成的category数组
2) load完所有的categories之后,开始对Category进行处理。
从上面的代码中我们可以发现:实例方法被加入到了当前的类对象中, 类方法被加入到了当前类的Meta Class中 (cls->ISA)
Step 1. 调用addUnattachedCategoryForClass方法
Step 2. 调用remethodizeClass方法, 在remethodizeClass的实现里调用attachCategoryMethods
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static void attachCategoryMethods(Class cls, category_list *cats, bool flushCaches) { if (!cats) return ; if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats); bool isMeta = cls->isMetaClass(); method_list_t **mlists = (method_list_t **) _malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists)); // Count backwards through cats to get newest categories first int mcount = 0; int i = cats->count; BOOL fromBundle = NO; while (i--) { method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta); if (mlist) { mlists[mcount++] = mlist; fromBundle |= cats->list[i].fromBundle; } } attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, flushCaches); _free_internal(mlists); } |
这里把一个类的category_list的所有方法取出来生成了method list。这里是倒序添加的,也就是说,新生成的category的方法会先于旧的category的方法插入。
之后调用attachMethodLists将所有方法前序添加进类的method list中,如果原来类的方法列表是a,b,Category的方法列表是c,d。那么插入之后的方法列表将会是c,d,a,b。
小发现
看上面被编译器转换的代码,我们发现Category头文件被注释掉了,结合上面category的加载过程。这就是我们即使没有import category的头文件,都能够成功调用到Category方法的原因。
runtime加载完成后,Category的原始信息在类结构中将不会存在。
解惑
根据上面提到的知识,我们对题目中的代码进行分析。
1) objc runtime加载完后,NSObject的Sark Category被加载。而NSObject的Sark Category的头文件 + (void)foo 并没有实质参与到工作中,只是给编译器进行静态检查,所有我们编译上述代码会出现警告,提示我们没有实现 + (void)foo 方法。而在代码编译中,它已经被注释掉了。
2) 实际被加入到Class的method list的方法是 - (void)foo,它是一个实例方法,所以加入到当前类对象NSObject的方法列表中,而不是NSObject Meta class的方法列表中。
3) 当执行 [NSObject foo]时,我们看下整个objc_msgSend的过程:
结合上一篇Meta Class的知识:
objc_msgSend 第一个参数是 “(id)objc_getClass("NSObject")”,获得NSObject Class的对象。
类方法在Meta Class的方法列表中找,我们在load Category方法时加入的是- (void)foo实例方法,所以并不在NSOBject Meta Class的方法列表中
继续往 super class中找,在上一篇博客中我们知道,NSObject Meta Class的super class是NSObject本身。所以,这个时候我们能够找到- (void)foo 这个方法。
所以正常输出结果
4) 当执行[[NSObject new] foo],我们看下整个objc_msgSend的过程:
[NSObject new]生成一个NSObject对象。
直接在该对象的类(NSObject)的方法列表里找。
能够找到,所以正常输出结果。
刨根问底Objective-C Runtime(4)- 成员变量与属性
本篇笔记主要是讲述objc runtime的 成员变量和属性。
习题内容
下面代码会? Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?
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@interface Sark : NSObject @property (nonatomic, copy) NSString *name; @end @implementation Sark - (void)speak { NSLog(@ "my name is %@" , self.name); } @end @interface Test : NSObject @end @implementation Test - (instancetype)init { self = [ super init]; if (self) { id cls = [Sark class]; void *obj = &cls; [(__bridge id)obj speak]; } return self; } @end int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { [[Test alloc] init]; } return 0; } |
答案:代码正常输出,输出结果为:
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2014-11-07 14:08:25.698 Test[1097:57255] my name is |
为什么呢?
前几节博文中多次讲到了objc_class结构体,今天我们再拿出来看一下:
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struct objc_class { Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; #if !__OBJC2__ Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE; const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; long version OBJC2_UNAVAILABLE; long info OBJC2_UNAVAILABLE; long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; #endif } OBJC2_UNAVAILABLE; |
其中objc_ivar_list结构体存储着objc_ivar数组列表,而objc_ivar结构体存储了类的单个成员变量的信息。
那么什么是Ivar呢?
Ivar 在objc中被定义为:
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typedef struct objc_ivar *Ivar; |
它是一个指向objc_ivar结构体的指针,结构体有如下定义:
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struct objc_ivar { char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE; char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE; int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE; #ifdef __LP64__ int space OBJC2_UNAVAILABLE; #endif } OBJC2_UNAVAILABLE; |
这里我们注意第三个成员 ivar_offset。它表示基地址偏移字节。
在编译我们的类时,编译器生成了一个 ivar布局,显示了在类中从哪可以访问我们的 ivars 。看下图:
上图中,左侧的数据就是地址偏移字节,我们对 ivar 的访问就可以通过 对象地址 + ivar偏移字节的方法。但是这又引发一个问题,看下图:
我们增加了父类的ivar,这个时候布局就出错了,我们就不得不重新编译子类来恢复兼容性。
而Objective-C Runtime中使用了Non Fragile ivars,看下图:
使用Non Fragile ivars时,Runtime会进行检测来调整类中新增的ivar的偏移量。 这样我们就可以通过 对象地址 + 基类大小 + ivar偏移字节的方法来计算出ivar相应的地址,并访问到相应的ivar。
我们来看一个例子:
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@interface Student : NSObject { @private NSInteger age; } @end @implementation Student - (NSString *)description { return [NSString stringWithFormat:@ "age = %d" , age]; } @end int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { Student *student = [[Student alloc] init]; student->age = 24; } return 0; } |
上述代码,Student有两个被标记为private的ivar,这个时候当我们使用 -> 访问时,编译器会报错。那么我们如何设置一个被标记为private的ivar的值呢?
通过上面的描述,我们知道ivar是通过计算字节偏量来确定地址,并访问的。我们可以改成这样:
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@interface Student : NSObject { @private int age; } @end @implementation Student - (NSString *)description { NSLog(@ "current pointer = %p" , self); NSLog(@ "age pointer = %p" , &age); return [NSString stringWithFormat:@ "age = %d" , age]; } @end int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { Student *student = [[Student alloc] init]; Ivar age_ivar = class_getInstanceVariable(object_getClass(student), "age" ); int *age_pointer = (int *)((__bridge void *)(student) + ivar_getOffset(age_ivar)); NSLog(@ "age ivar offset = %td" , ivar_getOffset(age_ivar)); *age_pointer = 10; NSLog(@ "%@" , student); } return 0; } |
上述代码的输出结果为:
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2014-11-08 18:24:38.892 Test[4143:466864] age ivar offset = 8 2014-11-08 18:24:38.893 Test[4143:466864] current pointer = 0x1001002d0 2014-11-08 18:24:38.893 Test[4143:466864] age pointer = 0x1001002d8 2014-11-08 18:24:38.894 Test[4143:466864] age = 10 |
我们可以清晰的看到指针地址的变化和偏移量,和我们上述描述一致。
说完了Ivar, 那Property又是怎么样的呢?
使用clang -rewrite-objc main.m重写题目中的代码,我们发现Sark类中的name属性被转换成了如下代码:
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struct Sark_IMPL { struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; NSString *_name; }; // @property (nonatomic, copy) NSString *name; /* @end */ // @implementation Sark static NSString * _I_Sark_name(Sark * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Sark$_name)); } static void _I_Sark_setName_(Sark * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Sark, _name), (id)name, 0, 1); } |
类中的Property属性被编译器转换成了Ivar,并且自动添加了我们熟悉的Set和Get方法。
我们这个时候回头看一下objc_class结构体中的内容,并没有发现用来专门记录Property的list。我们翻开objc源代码,在objc-runtime-new.h中,发现最终还是会通过在class_ro_t结构体中使用property_list_t存储对应的propertyies。
而在刚刚重写的代码中,我们可以找到这个property_list_t:
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static struct /*_prop_list_t*/ { unsigned int entsize; // sizeof(struct _prop_t) unsigned int count_of_properties; struct _prop_t prop_list[1]; } _OBJC_$_PROP_LIST_Sark __attribute__ ((used, section ( "__DATA,__objc_const" ))) = { sizeof(_prop_t), 1, name }; static struct _class_ro_t _OBJC_CLASS_RO_$_Sark __attribute__ ((used, section ( "__DATA,__objc_const" ))) = { 0, __OFFSETOFIVAR__(struct Sark, _name), sizeof(struct Sark_IMPL), (unsigned int)0, 0, "Sark" , (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_METHODS_Sark, 0, (const struct _ivar_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_Sark, 0, (const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_Sark, }; |
解惑
1)为什么能够正常运行,并调用到speak方法?
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id cls = [Sark class]; void *obj = &cls; [(__bridge id)obj speak]; |
obj被转换成了一个指向Sark Class的指针,然后使用id转换成了objc_object类型。这个时候的obj已经相当于一个Sark的实例对象(但是和使用[Sark new]生成的对象还是不一样的),我们回想下Runtime的第二篇博文中objc_object结构体的构成就是一个指向Class的isa指针。
这个时候我们再回想下上一篇博文中objc_msgSend的工作流程,在代码中的obj指向的Sark Class中能够找到speak方法,所以代码能够正常运行。
2) 为什么self.name的输出为?
我们在测试代码中加入一些调试代码和Log如下:
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- (void)speak { unsigned int numberOfIvars = 0; Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &numberOfIvars); for (const Ivar *p = ivars; p < ivars+numberOfIvars; p++) { Ivar const ivar = *p; ptrdiff_t offset = ivar_getOffset(ivar); const char *name = ivar_getName(ivar); NSLog(@ "Sark ivar name = %s, offset = %td" , name, offset); } NSLog(@ "my name is %p" , &_name); NSLog(@ "my name is %@" , *(&_name)); } @implementation Test - (instancetype)init { self = [ super init]; if (self) { NSLog(@ "Test instance = %@" , self); void *self2 = (__bridge void *)self; NSLog(@ "Test instance pointer = %p" , &self2); id cls = [Sark class]; NSLog(@ "Class instance address = %p" , cls); void *obj = &cls; NSLog(@ "Void *obj = %@" , obj); [(__bridge id)obj speak]; } return self; } @end |
输出结果如下:
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2014-11-11 00:56:02.464 Test[10475:1071029] Test instance = 2014-11-11 00:56:02.464 Test[10475:1071029] Test instance pointer = 0x7fff5fbff7c8 2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Class instance address = 0x1000023c8 2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Void *obj = 2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Sark ivar name = _name, offset = 8 2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] my name is 0x7fff5fbff7c8 2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] my name is |
Sark中Propertyname最终被转换成了Ivar加入到了类的结构中,Runtime通过计算成员变量的地址偏移来寻找最终Ivar的地址,我们通过上述输出结果,可以看到 Sark的对象指针地址加上Ivar的偏移量之后刚好指向的是Test对象指针地址。
这里的原因主要是因为在C中,局部变量是存储到内存的栈区,程序运行时栈的生长规律是从地址高到地址低。C语言到头来讲是一个顺序运行的语言,随着程序运行,栈中的地址依次往下走。
看下图,可以清楚的展示整个计算的过程:
我们可以做一个另外的实验,把Test Class 的init方法改为如下代码:
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@interface Father : NSObject @end @implementation Father @end @implementation Test - (instancetype)init { self = [ super init]; if (self) { NSLog(@ "Test instance = %@" , self); id fatherCls = [Father class]; void *father; father = (void *)&fatherCls; id cls = [Sark class]; void *obj; obj = (void *)&cls; [(__bridge id)obj speak]; } return self; } @end |
你会发现这个时候的输出变成了:
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2014-11-08 21:40:36.724 Test[4845:543231] Test instance = 2014-11-08 21:40:36.725 Test[4845:543231] ivar name = _name, offset = 8 2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] Sark instance = 0x7fff5fbff7b8 2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] my name is 0x7fff5fbff7c0 2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] my name is |
关于C语言内存分配和使用的问题可参考这篇文章 http://www.th7.cn/Program/c/201212/114923.shtml。
(via:Chun Tips)
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