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Effective Objective-C(第11-14条)动态绑定、objc_msgSend、消息转发机制

来源：互联网 发布：adobe muse for mac 编辑：程序博客网 时间：2024/06/06 18:10

第11条：理解objc_msgSend的作用

转自：http://blog.csdn.net/hherima/article/details/38425605

 

    在对象上调用方法是OC中经常使用的功能。用OC术语来说这叫做：“传递消息”（pass a message）。消息有“名称”（name）或者“选择子”（selector），可以接收参数，而且可能还有返回值。

    由于OC是C的超集，所以最好理解C语言的函数调用方式。C语言使用“静态绑定”，就是说在编译期就能决定运行时所应调用的函数。以下列代码为例：

[objc] view plaincopyprint?
  1. #import <stdio.h>   
  2. void printHello(){  
  3.     printf("Hello world\n");  
  4. }  
  5. void printGoodBye(){  
  6.     printf("Goodbye world\n");  
  7. }  
  8. void doTheThing(int type){  
  9.     if(type == 0){  
  10.         printfHello();  
  11.     }else{  
  12.         printGoodbye();  
  13. }  
  14.     return 0;     
  15. }  

    编译器在编译代码的时候就已经知道程序中有printHello与printGoodBye这两个函数了，于是直接生成调用这些函数的指令。而函数地址实际上是硬编码在指令之中的。若将刚才那段代码写成下面这样，会如何呢？

[objc] view plaincopyprint?
  1. #import <stdio.h>   
  2. void printHello(){  
  3.     printf("Hello world\n");  
  4. }  
  5. void printGoodBye(){  
  6.     printf("Goodbye world\n");  
  7. }  
  8. void doTheThing(int type){  
  9.     void (*fun)();  
  10.     if(type == 0){  
  11.         fun = printfHello();  
  12.     }else{  
  13.         fun = printGoodbye();  
  14. }  
  15.     fun();  
  16.     return 0;     
  17. }  

    这时就得使用“动态绑定”（dynamic binding），因为所要用的函数知道运行时才能确定。编译器在这个环境下生成的指令与刚才哪个例子不同，在第一个例子中if和else语句中都有函数调用指令。而第二个例子中，只有一个函数调用指令，不过待调用的地址无法硬编码在指令之中，而是要运行期读出来。

    在OC中，如果向某对象传递消息，那就会使用动态绑定机制来决定需要调用的方法。在底层，所有方法都是普通C语言函数，然而对象收到消息后，究竟该掉哪个方法则完全于运行期决定，甚至可以在程序运行时改变，这些特性使得OC称为一门真正的动态语言。

    给对象发消息可以这样写：

[objc] view plaincopyprint?
  1. id returnValue = [someObject messageName:parameter];  

    本例中，someObject叫做“接收者”，messageName叫做“选择子”。选择子与参数合起来称为“消息”。编译器看到此消息后，将其转换为一条标准的C语言函数调用，所调用的函数乃是消息传递机制的核心函数，叫做objc_msgSend，其原型如下：

[objc] view plaincopyprint?
  1. void objc_msgSend(id self ,SEL cmd,...);  

    这是个参数个数可变长的函数，经过转化，刚才的函数被转化为这样：

[objc] view plaincopyprint?
  1. id returnValue = objc_msgSend(someObject,@selector(messageName),parameter);  

    objc_msgSend函数会依据接收者与选择子的类型来调用适当的方法。为了完成此操作，该方法需要在接收者所属的类中搜索其“方法列表”（list of methods）如果能找到与选择子名称相符的方法，就跳至其实现代码。若找不到，那就沿着继承体系继续向上查找，等找到名称相符的方法之后再跳转。如果最终还是找不到相符的方法，那就执行“消息转发”

    这么说来，想调用一个方法似乎需要很多步骤。所幸objc_msgSend会将匹配结果缓存在“快速映射表”里面。实际上，消息派发（message dispatch）并非应用程序的瓶颈所在。

    前面讲的这部分内容只描述了部分消息的调用过程，其他“边界情况”（edge case）则需要交由OC运行环境中的另一些函数来处理：

● objc_msgSend_stret 待发的消息要返回结构体

● objc_msgSend_fpret 消息返回的是浮点数

● objc_msgSend_super 要给超类发消息。

    刚才曾提到，objc_msgSend等函数一旦找到应该调用的方法实现之后，就会“跳转过去”。之所以能这样做，是因为OC对象的每个方法都可以视为简单的C函数，原型如下：

    <return_type> class_selector(id self,SEL _cmd,...)

   每个类里都有一张表格（参考下面第14条关于isa的描述），其中的指针都会指向这个函数，而选择子的名称则是查表时所用的“键”。objc_msgSend等函数正是通过这张表格来寻找应该执行的方法并跳至其实现的。请注意，原型的样子和objc_msgSend很像。这不是巧合，而是利用“尾调用优化”（tail-call optimization）技术，令“跳至方法实现”这一操作变得更简单。

    在实际编写OC时，无须担心这些问题，开发者应该了解其底层工作原理。代码究竟是如何执行的，而且能理解为何在调试的时候，栈信息中总是出现objc_msgSend

【本节要点】

● 消息由接收者、选择子及参数构成。给某对象“发送消息”也就相当于在该对象上“调用方法”

● 发给某对象的去全部消息都要由“动态消息派发系统”（dynamic message dispatch system）来处理。该系统会查出对应的方法，并执行其代码

第12条：理解消息转发机制

    第11条讲了对象的消息传递机制，并强调了其重要性。本节讲另外一个重要的问题，就是对象在接收到无法解读的消息之后会发生什么情况。
    若想令类能理解某条消息，我们必须实现方法才行。如果没有实现就会启动“消息转发”（message forwarding）机制。在控制台看到这样的错误，说明启动了消息转发：
[objc] view plaincopyprint?
  1. -[__NSCFNumber lowercaseString]:unrecognized selector sent to instance 0x87  
  2. *** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException',reason:'-[__NSCFNumber lowercaseString]:unrecognized selector sent to instance 0x87'  
    上面这段异常信息是由NSObject的“doesNotRecognizedSelector:”方法所抛出的，次异常表明：消息接收者__NSCFNumber，其无法理解lowercaseString的选择子。在本利中，消息转发过程以应用程序崩溃而告终，开发者可于转发过程中设置挂钩，用于执行预订的逻辑，而不实用程序崩溃。
    消息转发分为两大阶段。第一阶段先征询接收者，所属的类，看其是否能动态添加方法，已处理当前这个“未知选择子”，这叫做“动态方法解析”。第二阶段涉及“完整的消息转发机制”

    动态方法解析

    对象在收到无法解读的消息后，首先将调用其所属类的下列类方法：
    +(BOOL) resolveInstanceMethod:(SEL)selector
    该方法的参数就是哪个未知的选择子，其返回值为Boolean类型，表示这个类是否新增一个实例方法处理此选择子。在继续往下执行转发机制之前，本类有机会新增一个处理此选择子的方法。假如尚未实现的方法不是实例方法而是类方法，那么运行期系统就会调用另外一个方法，“resolveClassMethod”
    使用这种办法的前提是：相关方法的实现代码已经写好，只等待运行的时候动态插在类里面就可以了。此方案通常用来实现@dynamic属性，下面代码展示了如何使用“resolveInstanceMethod:”来实现@dynamic属性：
[objc] view plaincopyprint?
  1. id autoDictionaryGetter(id self,self _cmd);  
  2. void autoDictionarySetter(id self, SEL _cmd,id value);  
  3. +(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)selector{  
  4.     NSString *selectorString = NSStringFromSelector(selector);  
  5.     if(/*selector is from a @dynamic property*/)  
  6.     {  
  7.         if([selectorString hasPrefix:@"set"]){  
  8.             class_addMethod(self.selector,(IMP)autoDictionarySetter,"v@:@");  
  9.         }else{  
  10.             class_addMethod(self.selector,(IMP)autoDictionaryGetter,"v@:@");  
  11.         }  
  12.     return YES;  
  13.     }  
  14. return [super resolveInstanceMethod:selector];  
  15. }  
    首先将选择子化为字符串，然后检测其是否表示设置方法。若前缀为set，则表示“设置方法”，否则就是“获取方法”。

备援接收者

    当前接收者还有第二次机会处理未知的选择子，在这一步中，运行期系统会问它：能不能把这条消息转给其他接收者来注册。
[objc] view plaincopyprint?
  1. -(id) forwardingTargetForSelector:(SEL)selector  
    方法参数代表未知的选择子，若当前接收者能找到备援对象，则将其返回，若找不到返回nil

完整的消息转发

    如果转发算法已经来到这一步，那么唯一能做的就是启动完整的消息转发机制了。首先创建NSInvacaton对象，把与尚未处理的那条消息有关的全部细节都封于其中，此对象包含选择子、目标（target）及参数。在触发NSInvocation对象时，“消息派发系统”将亲自出马，把消息指派给目标对象。

    此步骤会调用下列方法转发消息：

[objc] view plaincopyprint?
  1. -(void) forwardInvocation:(NSInvocation*)invocation  

    这个方法可以实现得很简单：只需要改变调用目标，使消息在新目标上得以调用即可。然而这样实现出来的方法与“备援接收者”方案所实现的方法等效，所以很少有人采用这么简单的实现方式。比较有用的实现方式为：在触发消息前，先以某种方式改变消息内容，比如追加另外一个参数，或是该换选择子，等等。

    实现此方法时，若发现某调用操作不应本类处理，则需要调用超类的同名方法。这样的话，继承体系中的每个类都有机会处理此调用请求，直至NSObject。如果最后调用了NSObject类的方法，那么该方法还会继而调用“doesNotRecognizeSelector:”以抛出异常，次异常表示选择子最终未能得到处理。

消息转发全流程

    下图描述了消息转发的各个步骤：


    接收者在每一步均有机会处理消息。步骤越往后，消息处理的代价就越大。

第13条：用“方法调配技术”测试“黑盒方法”

    第11条中解释过：OC对象收到消息之后，究竟会调用何种方法需要在运行期才能解析出来。你也许会问：于给定的选择子名称对应的方法是不是可以在运行期改变呢？没错，就是这样。若能善用此特性，则可发挥出巨大优势，因为我们既不需要源代码，也不需要通过继承子类来覆写方法就能改变这个类本身的功能。这样一来，新功能将在本类的所有实例中生效，而不是仅限于覆写了相关方法的那些子类实例。次方案经常称为“方法调配”（method swizzling）。
    类的方法列表会把选择子的名称映射到相关的方法实现之上，使得“动态消息派发系统”能够肇东啊应该调用的方法。这些方法均以函数指针的形式来表示，这种指针叫做IMP，其原型如下：
[objc] view plaincopyprint?
  1. id(*IMP)(id,SEL,..)  
    NSString类可以相应lowercaseString、uppercaseString、capitalizedString等选择子。这张映射表中的每个选择字都映射到了不同的IMP之上。如下图

    OC运行期系统提供的几个方法都能够用来操作这张表。开发者可以向其新增选择子，也可以改变某选择子对应的方法实现，还可以交换选择子所映射到的指针。经过几次操作之后，类的方法表就会标称如图这个样子


    在新的映射表中，多了一个名为newSelector的选择子，capitalizedString的实现也变了，而lowercaseString与uppercaseString的实现则互换了。上述修改均无需编写子类，只要修改了“方法表”的布局，就会反映到程序中所有的NSString实例之上。这下大家见识到此特性的强大之处了吧

    下面看一下如何互换两个方法实现。想交换方法实现，可用下列函数：

[objc] view plaincopyprint?
  1. void method_exchangeImplementations(Method m1,Method m2)  

    此函数的两个参数表示待交换的两个方法实现，而方法实现则可通过下列函数获得：

[objc] view plaincopyprint?
  1. Method class_getInstanceMethod(Class aClass,SEL aSelector)  

    具体操作如下：

[objc] view plaincopyprint?
  1. Method originalMethod = class_getInstanceMethod([NSStringclass],@selector(lowercaseString));  
  2. Method swappedMethod = class_getInstanceMethod([NSStringclass],@selector(uppercaseString));  
  3. method_exchangeImplementations(originalMethod,swappedMethod);  

    实际应用，可以为那些黑盒方法增加日志技术功能。比如NSString 的lowercaseString接口，想在lowercaseString中添加log，该如何做呢

[objc] view plaincopyprint?
  1. @interface NSString (EOCMyAddtions)  
  2. -(NSString*)eoc_myLowercaseString;  
  3. @end  
  4. @implementation NSString(EOCMyAdditions)  
  5. -(NSString*) eoc_myLowercaseString{  
  6.     NSString *lowercase = [self eoc_mylowercaseString];  
  7.     NSLog(@"%@ =>%@",self,lowercase);  
  8.     return lowercase;  
  9. }  
  10. @end  
    这段代码看上去好像会陷入递归调用的死循环，不过大家要记住，此方法是准备和lowercaseString方法互换的。所以，在运行期，eoc_myLowercaseString选择子实际上对应于原有的lowercaseString方法实现。最后，通过下列代码叫魂这两个方法实现：

[objc] view plaincopyprint?
  1. Method originalMethod = class_getInstanceMethod([NSStringclass],@selector(lowercaseString));  
  2. Method swappedMethod = class_getInstanceMethod([NSStringclass],@selector(roc_myLowercaseString));  
  3. method_exchangeImplementations(originalMethod,swappedMethod);  

    执行完上诉代码之后，只要在NSString实例上调用lowercaseString方法，就会输出log了。

【本节要点】

● 在运行期间，可以向类中新增或者替换选择子所对应的方法实现。

● 使用另一份实现来替换缘由的方法实现，这道工序叫：“方法调配”，开发者常用此技术向原有实现中添加新功能。

● 一般来说，只有调试程序的时候才需要在运行期修改方法实现，这种做法不宜滥用。

第14条：理解“类对象”的用意

    OC实际上是一门及其动态的语言。第11条讲解了运行期系统如何查找并调用某方法的实现代码，第12条则讲述了消息转发的原理：如果类无法立即响应某个选择子，那么就会启动消息转发流程。然而，消息的接收者究竟是何物？是对象本身么？运行期系统如何知道某个对象的类型呢？对象类型并非在编译器就绑定好了，而是要在运行期查找。而且还有个特殊类型id，它能够指代任意的OC对象类型。

    我们先讲一些基础知识，看看OC对象本质是什么。每个OC对象都是指向某块内存数据的指针。所以在声明变量时，类型后面都要跟一个星号（*）

[objc] view plaincopyprint?
  1. NSString *pointerVariable = @"Some thing";  

    编过C语言程序的人都知道什么意思。该变量“指向”（point to）NSString实例。所有OC对象都是如此，如果想把OC对象声明在栈上，编译器会报错：

[objc] view plaincopyprint?
  1. Sting stackVariable = @"Some thing";  
  2. //error: interface type cannot be statically allocated  

    对于通用id类型，由于其本身已经是指针了，所以我们能够这样写：

[objc] view plaincopyprint?
  1. id genericTypeString = @"Some thing";  

    描述OC对象所用的数据结构定义在运行期程序库的头文件里，id类型本身也在定义这里：

[objc] view plaincopyprint?
  1. typedef struct objc_object{  
  2.     Class isa;  
  3. } *id;  

    由此可见，每个对象结构体的首个成员是Class类的变量。该变量定义了对象所属的类，通常称为is a指针。例如，刚才的例子中所有的对象is a NSString，所以其“is a”指针就指向NSString。Class对象也定义在运行期程序库的头文件中：

[objc] view plaincopyprint?
  1. typedef struct objc_class *Class;  
  2. struct objc_class{  
  3.     Class isa;  
  4.     Class super_class;  
  5.     const char* name;  
  6.     long version;  
  7.     long instance_size;  
  8.     struct objc_ivar_list *ivars;  
  9.     struct objc_method_list **methodLists;  
  10.     struct objc_cache *cache;  
  11.     struct objc_protocol_list *protocols  
  12. };  
    此结构图存放类的“元数据”（metadata），例如类的实例实现了几个方法，具备多少实例变量等信息。此结构体的首个变量也是isa指针，这说明Class本身亦为OC对象。结构体里还有个变量叫做super_class，它定义了本类的超类。类对象所属的类型（也就是isa指针所指向的类型）是另外一个类，叫做“元类”（metaclass），用来表述类对象本身所具备的元数据。“类方法”就定义于此处，因为这些方法可以理解成类对象的实例方法。

    假设有个名为SomeClass的子类从NSObject中继承而来，则其继承体系如下图所示


    super_class指针确立了继承关系，而isa指针描述了实例所属的类。通过这张布局关系图即可执行“类型信息查询”。我们可以查出对象是否能响应某个选择子，是否遵从某项协议，并且能看出此对象位于“类继承体系”的那一部分。每个类仅有一个”类对象”，而每个“类对象”仅有一个与之相关的“元类”。

下图可以证明：多个实例中的isa就是同一个：


在类继承体系中查询类型信息

    可以用类型信息查询方法来检视类继承体系。“isMemberOfClass:”能够判断出对象是否为某个特定类的实例。而“isKindOfClass:”则能够判断出对象是否为某类或其派生的实例。

[objc] view plaincopyprint?
  1. NSMutableDictionary *dict = [NSMutableDictionary new];  
  2. [dict isMemberOfClass:[NSDictionary class]];//no  
  3. [dict isMemberOfClass:[NSMutableDictionary class]];//yes  
  4. [dict isKindOfClass:[NSDictionary class]];//yes  
  5. [dict isKindOfClass:[NSArray class]];//no  
    由于OC使用“动态类型系统”（dynamic typing），所以用于查询对象所属类的类型信息查询非常有用。从collecting中获取对象时，通常是id类型，那就可以使用查询类型信息方法了。

【本节要点】

● 每个实例都有一个指向Class对象的指针，用以表明其类型。从这些Class对象则构成了类的继承体系。

● 如果对象类型无法在编译期确定，那么就应该使用类型查询方法来探知

● 尽量使用类型信息查询方法来确定对象类型，而不要直接比较类对象，因为某些对象可能实现了消息转发功能。

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