消息 和 Category
来源:互联网 发布:我的世界枪械js 编辑:程序博客网 时间:2024/06/04 00:21
习题内容
下面的代码会?Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?
@interface NSObject (Sark)+ (void)foo;@end@implementation NSObject (Sark)- (void)foo{ NSLog(@"IMP: -[NSObject(Sark) foo]");}@endint 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:
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:
((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:
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:
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:
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:
2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] foo2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] 0x7fff8fde51142014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] foo2014-11-06 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:
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:
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
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:
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
typedef struct objc_cache *Cache OBJC2_UNAVAILABLE;
实际指向objc_cache
结构体,如下:
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:
typedef struct objc_category *Category;
同样也是指向一个 objc_category
的C 结构体,定义如下:
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:
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:
// @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);}// @endstatic 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:
// 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:
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
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:1. objc_msgSend 第一个参数是 “(id)objc_getClass("NSObject")”,获得NSObject Class的对象2. 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3. 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。4. 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:
1. [NSObject new]生成一个NSObject对象2. 直接在该对象的类(NSObject)的方法列表里找3. 能够找到,所以正常输出结果
thx:
http://chun.tips/blog/2014/11/06/bao-gen-wen-di-objective%5Bnil%5Dc-runtime(3)%5Bnil%5D-xiao-xi-he-category/
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