objc_msgSend流程分析之缓存查找
在上一篇文章：objc_class 中 cache 原理分析中，分析了cache的写入流程，在写入流程之前，还有一个cache读取流程，即objc_msgSend 和 cache_getImp
在分析之前，首先了解什么是Runtime
Runtime 介绍
runtime 即我们常说的 运行时，是 OC 底层的一套 C/C++ 的 API，编译器最终都会将 OC 代码转化为运行时代码，我们通过
clang -rewrite-objc xxx.m可以看到编译后的 .cpp 文件。
OC 语言将尽可能多的决策从编译时和链接时****延迟到运行时。只要有可能，它就动态地做事情。这意味着该语言不仅需要一个编译器，还需要一个运行时系统来执行编译后的代码。运行时系统作为Objective-C语言的一种操作系统；它使语言起作用。
运行时 是代码跑起来，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
编译时 是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
交互方式
runtime的使用有以下三种方式
- Objective-C 代码：例如 [person funcTest];
- NSObject 方法： 例如 isKindOfClass、isMemberOfClass
- Runtime API：例如 class_getInstanceSize
- compiler 就是我们熟知的编译器，即 LLVM，
- runtime system libarary 就是底层库
编译时：
- 1、对我们的代码进行语法词法等分析，并给出waring、error等提示。类似一个扫描过程，将代码扫一遍；
- 2、将编写的高级语言(C C++ OC等)编译成机器识别的机器语言(汇编、机器语言01等)，编译得到相应的二进制目标文件。
- 编译时并没有进行加载分配内存等操作。
链接时：
将编译得到的二进制文件和库函数等进行连接。
运行时：
代码已被装载到内存中，已运行起来了。
方法的本质
准备环境
- 1.创建一个 ZMPerson 类继承自 NSObject，添加一个实例方法
// .h 文件@interface ZMPerson : NSObject- (void)messageSent;@end// .m 文件
@implementation ZMPerson- (void)messageSent {NSLog(@"消息收到了");
}- 2.在 main 函数中创建 LCPerson 的实例，并调用实例方法
#import <UIKit/UIKit.h>
#import "ZMPerson.h"
#import <objc/message.h>int main(int argc, char * argv[]) {@autoreleasepool {ZMPerson *person = [ZMPerson new];[person messageSent];}return 0;
}
- 3.通过 Clang 命令，将 main.m 文件编译成 main.cpp 文件，找到 main 函数的实现代码
int main(int argc, char * argv[]) {/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; ZMPerson *person = ((ZMPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("ZMPerson"), sel_registerName("new"));((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("messageSent"));}return 0;
}
可以看到，ZMPerson 类调用 new 类方法以及对象调用messageSent 实例方法，最终都会转化为 objc_msgSend 消息发送，由此，我们可以判断方法的本质就是消息发送。
验证(方法的本质就是消息发送)
通过调用 objc_msgSend 方式调用，查看与对象直接调用结果是否一致
ZMPerson *person = [ZMPerson new];[person messageSent];objc_msgSend(person, sel_registerName("messageSent"));
[person messageSent] 与objc_msgSend(person, sel_registerName(“messageSent”)) 调用结果一样
注意：
直接调用 objc_msgSend 的方法会报错，需要导入头文件 #import
<objc/message.h>，此时编译还是会报错，需要将严厉检查机制设置为 NO
通过调用父类方法
1.我们再创建一个 ZMSon 类，继承自 ZMPerson 类，并声明 - (void)messageSent 实例方法，不实现
#import "ZMPerson.h"NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN@interface ZMSon : ZMPerson// 与父类方法一样没有实现
- (void)messageSent;@end
- 2.通过调用 objc_msgSendSuper 方式调用，查看与子类对象直接调用结果
int main(int argc, char * argv[]) {@autoreleasepool {// 子类没有实现 messageSentZMSon *son = [ZMSon new];[son messageSent];struct objc_super lcsuper;lcsuper.receiver = son;lcsuper.super_class = [ZMSon class];objc_msgSendSuper(&lcsuper, sel_registerName("messageSent"));}return 0;
}
我们发现 [son messageSent] 和 objc_msgSendSuper 执行的都是父类中 messageSent
的实现，由此我们可以猜测，方法调用，首先是在类中查找，如果类中没有找到，会到类的父类中查找。
拓展-objc_msgSendSuper
上面我们用到了 objc_msgSendSuper 调用，我们看下它的源码定义
OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_msgSendSuper(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
#endif
有两个参数（objc_super 结构体，sel 方法名），其结构体类型是objc_super定义的结构体对象
- 从源码我们可以知道 objc_super 有两个成员 receiver（消息接收者）以及 super_class （父类）。
- 这个是告诉编译器，优先从父类中查找方法实现；直接调用方法是优先从子类中找方法实现。
objc_msgSend
- 在 objc-781 源码中查找 objc_msgSend，发现都是用汇编实现的，汇编的特性
- 快：更容易被机器识别
- 参数的动态性：汇编调用函数时传递的参数是不确定的
消息查找机制
- 快速查找：通过 cache 缓存查找
- 慢速查找：methodList 中查找，查找不到会走消息转发流程
源码分析
objc_msgSend 流程
- 消息接收者 和 sel：
- 消息接受者 --> 对象 --> isa --> 方法(类/元类) --> cache_t --> methodliss(bits中)
所以需要在arm64.s后缀的文件中查找objc_msgSend源码实现，发现是汇编实现，其汇编整体执行的流程图如下
objc_msgSend源码整体流程
ENTRY _objc_msgSendUNWIND _objc_msgSend, NoFrame//p0 是传入的第一个参数：消息的接收者。//cmp（compare） p0与nil比较，如果p0为空，那么就直接返回cmp p0, #0 // nil check and tagged pointer check
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS//小对象类型b.le LNilOrTagged // (MSB tagged pointer looks negative)
#else//消息接收者（p0）为空，返回空b.eq LReturnZero
#endif//从x0寄存器指向的地址 取出消息接收者的 isa，存入 p13寄存ldr p13, [x0] // p13 = isa//在 64 位架构下，p16 = isa（p13） & ISA_MASK，拿出shiftcls信息，得到class信息GetClassFromIsa_p16 p13 // p16 = class
LGetIsaDone:// calls imp or objc_msgSend_uncached//如果有isa，走到CacheLookup 即缓存查找流程，也就是所谓的sel-imp快速查找流程CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged://等于空，返回空b.eq LReturnZero // nil check// taggedadrp x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEadd x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFFubfx x11, x0, #60, #4ldr x16, [x10, x11, LSL #3]adrp x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEadd x10, x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEOFFcmp x10, x16b.ne LGetIsaDone// ext taggedadrp x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEadd x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFFubfx x11, x0, #52, #8ldr x16, [x10, x11, LSL #3]b LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endifLReturnZero:// x0 is already zeromov x1, #0movi d0, #0movi d1, #0movi d2, #0movi d3, #0retEND_ENTRY _objc_msgSend
消息接收者（receiver）是否为空
- 如果支持 tagged pointer，跳转至 LNilOrTagged
- 如果小对象为空，直接返回空（LReturnZero）
不为空，继续下面流程
- 如果不是小对象
- 消息接收者（p0）为空，返回空（LReturnZero） 从 receiver 中取出 isa 存入 p13 寄存器
- 通过 GetClassFromIsa_p16 得到 class 信息
GetClassFromIsa_p16 得到 class 信息
获取isa
GetClassFromIsa_p16 的汇编代码如下
.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */
//此处用于watchOS
#if SUPPORT_INDEXED_ISA // Indexed isa
//将isa的值存入p16寄存器mov p16, $0 // optimistically set dst = src //判断是否是 nonapointer isatbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f // done if not non-pointer isa // isa in p16 is indexed
//将_objc_indexed_classes所在的页的基址 读入x10寄存器adrp x10, _objc_indexed_classes@PAGE
//x10 = x10 + _objc_indexed_classes(page中的偏移量) x10基址 根据 偏移量 进行 内存偏移add x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
//从p16的第ISA_INDEX_SHIFT位开始，提取 ISA_INDEX_BITS 位 到 p16寄存器，剩余的高位用0补充ubfx p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS // extract index ldr p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT] // load class from array
1:#elif __LP64__ // 64-bit packed isa
//p16 = class = isa & ISA_MASK(位运算 & 即获取isa中的shiftcls信息)and p16, $0, #ISA_MASK #else// 32-bit raw isamov p16, $0#endif.endmacro
CacheLookup 缓存查找
CacheLookup 的汇编源码
.macro CacheLookup//// Restart protocol://// As soon as we're past the LLookupStart$1 label we may have loaded// an invalid cache pointer or mask.//// When task_restartable_ranges_synchronize() is called,// (or when a signal hits us) before we're past LLookupEnd$1,// then our PC will be reset to LLookupRecover$1 which forcefully// jumps to the cache-miss codepath which have the following// requirements://// GETIMP:// The cache-miss is just returning NULL (setting x0 to 0)//// NORMAL and LOOKUP:// - x0 contains the receiver// - x1 contains the selector// - x16 contains the isa// - other registers are set as per calling conventions//
LLookupStart$1:// p1 = SEL, p16 = isa//#define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__)，其中 __SIZEOF_POINTER__表示pointer的大小 ，即 2*8 = 16//p11 = mask|buckets，从 x16（isa）中平移16字节，得到 cache，存入p11。objc_class 结构，偏移 isa（8字节）+ superClass（8字节）就是 cache（mask高16位 + buckets低48位）ldr p11, [x16, #CACHE] // p11 = mask|buckets#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16//p11(cache) & 0x0000ffffffffffff ，高16位抹零，得到 buckets，存入p10寄存器and p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = buckets//p11(cache)右移48位，得到 mask，mask&p1（sel，msgSend的第二个参数 cmd），就会得到 sel-imp的下标 index，存入p12and p12, p1, p11, LSR #48 // x12 = _cmd & mask
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4and p10, p11, #~0xf // p10 = bucketsand p11, p11, #0xf // p11 = maskShiftmov p12, #0xfffflsr p11, p12, p11 // p11 = mask = 0xffff >> p11and p12, p1, p11 // x12 = _cmd & mask
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif//define PTRSHIFT 3//p12是下标，p10是 buckets 的首地址，下标左移16位（1<<4）得到实际内存的偏移量，通过buckets的首地址偏移，获取bucket存入p12寄存器//LSL #(1+PTRSHIFT)-- 实际含义就是得到一个bucket占用的内存大小 -- 相当于mask = occupied -1-- _cmd & mask -- 取余数add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)// p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))//从x12（即p12）中取出 bucket 分别将imp和sel 存入 p17（存储imp） 和 p9（存储sel）ldp p17, p9, [x12] // {imp, sel} = *bucket
//比较 sel 与 p1
1: cmp p9, p1 // if (bucket->sel != _cmd)//不相等，跳转到2fb.ne 2f // scan more//相等，即 cacheHit 缓存命中，直接返回impCacheHit $0 // call or return imp2: // not hit: p12 = not-hit bucket//如果一直都找不到， 因为是normal ，跳转至__objc_msgSend_uncachedCheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0//判断p12（下标对应的bucket） 是否 等于 p10（buckets数组第一个元素）cmp p12, p10 // wrap if bucket == buckets//如果等于，则跳转至第3fb.eq 3f//从x12（即p12 buckets首地址）- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二个bucket元素，imp-sel分别存入p17-p9，即向前查找ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]! // {imp, sel} = *--bucket//跳转至第1步，继续对比 sel 与 cmdb 1b // loop3: // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16//人为设置到最后一个元素，p11（mask）右移44位 相当于mask左移4位，直接定位到buckets的最后一个元素，缓存查找顺序是向前查找add p12, p12, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))// p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4add p12, p12, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)// p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif// Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.// The slow path may detect any corruption and halt later.//再查找一遍缓存，拿到x12（即p12）bucket中的 imp-sel 分别存入 p17-p9ldp p17, p9, [x12] // {imp, sel} = *bucket
//比较 sel 与 p1（传入的参数cmd）
1: cmp p9, p1 // if (bucket->sel != _cmd)//如果不相等，即走到2fb.ne 2f // scan more//如果相等 即 CacheHit，直接返回impCacheHit $0 // call or return imp//如果一直找不到，即CheckMiss
2: // not hit: p12 = not-hit bucketCheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0//判断p12（下标对应的bucket） 是否 等于 p10（buckets数组第一个元素）表示前面已经没有了，但是还是没有找到cmp p12, p10 // wrap if bucket == buckets如果等于，跳转至第3步b.eq 3f//从x12（即p12 buckets首地址）- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二个bucket元素，imp-sel分别存入p17-p9，即向前查找ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]! // {imp, sel} = *--bucket//跳转至第1步，继续对比 sel 与 cmdb 1b // loopLLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3: // double wrap//跳转至JumpMiss 因为是normal ，跳转至__objc_msgSend_uncachedJumpMiss $0.endmacro
1.获取 cache
通过 isa 首地址平移 16 字节（在 objc_class 结构中，isa 占8字节，superClass 占8字节） ，即 p11 =
cache
2.计算下标
通过上一步获取的 cache &（与上）掩码（0x0000ffffffffffff）的到 buckets，（cache 首地址存储的是 ‘高16位存mask，低48位存buckets’ ），
即 p10 = buckets
将 cache 右移48位，得到 mask，即 p11 = mask
p1 是 objc_msgSend 的第二个参数（_cmd），p1 & mask，通过哈希算法，得到需要查找存储 sel-imp 的 bucket 下标 index（在存储 sel-imp 时，也是通过同样哈希算法计算哈希下标进行存储，所以读取也需要通过同样的方式读取）
3.根据 下标 和 buckets 去除对应的 bucket
一个 bucket 实际占用16字节（sel 占8字节，imp 占8字节），左移4位（2^4 = 16）
通过 首地址 + 实际偏移量，获取哈希下标 index 对应的 bucket
4.根据获取的 bucket，取出其中的 imp 存入p17，即 p17 = imp，取出 sel 存入 p9，即 p9 = sel
5.第一次递归循环
比较获取的 bucket 中 sel 与 objc_msgSend 的第二个参数的 _cmd (即p1)是否相等
相等，直接跳转至 CacheHit，即缓存命中，返回 imp
不相等，分两种情况
一直都找不到，直接跳转至 CheckMiss，进入慢速查找流程
如果根据 index 获取的bucket 等于buckets 的第一个元素，则人为的将当前 bucket 设置为 buckets 的最后一个元素（通过buckets首地址+mask右移44位（等同于左移4位）直接定位到 bucker 的最后一个元素），然后继续进行递归循环（第一个递归循环嵌套第二个递归循环）
如果当前 bucket 不等于 buckets 的第一个元素，则继续向前查找，进入第一次递归循环
6.第二次递归循环
重复 5 的操作，与第一次递归唯一区别是，如果当前的 bucket 还是等于 buckets 的第一个元素，则直接跳转至 JumpMiss，进入慢速查找流程
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