[OC学习笔记]objc_msgSend（一）：方法快速查找
2024-04-19 02:24:23
一、OC runtime运行时
在探索objc_msgSend的时候，我们需要先了解OC的runtime机制。
（一）runtime简介
runtime 是 OC底层的一套C/C++的API（引入 <objc/runtime.h> 或<objc/message.h>），编译器最终都会将OC代码转化为运行时代码。
（二）runtime 交互的三种方式
Objective-C语言与runtime系统的交互主要通过三个不同的层次：
- 通过Objective-C 源码
比如直接调用方法[self say]等 - 通过定义在Foundation framework 中的NSObject类方法
比如NSSelectorFromString、isKindeofClass、isMemberOfClass等方法。 - 通过直接调用
runtime函数
比如sel_registerName、class_getInstanceSize等底层方法。
二、探索OC方法本质
（一）先手准备
我们先常规的去创建一个类：
@interface Person : NSObject+ (void)whoAmI;
- (void)sayHello;
- (void)sayMarvelous;@end
在main.m文件中：
Person *person = [Person alloc];
[person sayHello];
接下来看一下编译后的c++代码：
int main(int argc, const char * argv[]) {/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; Person *person = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));}return 0;
}
（二）仔细分析
1. cpp代码：
- 在调用
alloc、sayHello时，都调用了objc_msgSend方法，意思是objc消息发送 objc_getClass(“Person”)获取Person类sel_registerName(“XXX”)调用方法，类似于@selector、NSSelectorFromString()
2. 使用objc_msgSend方法：
int main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {// Person *person = [Person alloc];
// [person sayHello];Person *person = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));}return 0;
}
输出：
Hello!
证明成功调用了sayHello方法。
（三）继续探究
我们创建一个新类，继承于Person，叫它Student。让它调用父类的方法：
Student *stu = [Student alloc];
[stu sayHello];
转成源码：
Student *stu = ((Student *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Student"), sel_registerName("alloc"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)stu, sel_registerName("sayHello"));
实际还是调用了objc_msgSend。那么，有没有方法区分调用的是父类方法还是自己的方法呢？通过查阅资料，我知道了objc_msgSendSuper方法，立即去试一试：
Student *stu = [Student alloc];
//[stu sayHello];struct objc_super lsuper;
lsuper.receiver = stu;
lsuper.super_class = [Person class];
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__bridge id)(&lsuper), sel_registerName("sayHello"));
结果：
Hello!
（四）小结
- 方法的本质：发送消息
- OC调用方法等价于
runtime中objc_msgSend和objc_msgSendSuper消息发送
三、objc_msgSend
在objc4源码中我们会发现objc_msgSend是使用汇编实现的，汇编主要的特性是：
- 速度快：汇编更容易被机器识别。
- 方法参数的动态性：汇编调用函数时传递的参数是不确定的，那么发送消息时，直接调用一个函数就可以发送所有的消息。
（一）消息查找机制
- 快速查找：
cache中查找 - 慢速查找：
a.methodList中查找
b. 消息转发
（二）在cache中快速查找
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)stu, sel_registerName("sayHello"));
在前面我们也看到了，objc_msgSend需要传入两个参数。此外，如果方法本身有参数，会把本身的参数拼接到这两个参数后面。
在objc源码的objc-msg-arm64.s中，可以看到下面部分：
ENTRY _objc_msgSendUNWIND _objc_msgSend, NoFrame//p0 是传入的第一个参数：消息的接收者。//cmp 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(是否是taggedPointer类型的指针)b.le LNilOrTagged // (MSB tagged pointer looks negative)
#else//消息接收者为空，返回空b.eq LReturnZero
#endif//消息接收者为不空//p13 是获取消息接收者的isaldr p13, [x0] // p13 = isa//p16 是根据isa p13获取到ClassGetClassFromIsa_p16 p13, 1, x0 // p16 = class
LGetIsaDone:// calls imp or objc_msgSend_uncached// 在cache中开始找imp// 如果有就调用，如果没有走objc_msg_uncached分支CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend, __objc_msgSend_uncached
接下来看下CacheLookup源码，我们在objc-msg-arm64.s中找.macro CacheLookup：
.macro CacheLookup Mode, Function, MissLabelDynamic, MissLabelConstant// Restart protocol:// As soon as we're past the LLookupStart\Function label we may have// loaded an invalid cache pointer or mask.// 一旦我们越过LLookupStartFunction标签，我们可能已经加载了无效的缓存指针或掩码。// When task_restartable_ranges_synchronize() is called,// (or when a signal hits us) before we're past LLookupEnd\Function,// then our PC will be reset to LLookupRecover\Function which forcefully// jumps to the cache-miss codepath which have the following// requirements:// 当我们通过LLookupEndFunction之前调用task_restartable_ranges_synchronize// （或当信号击中我们时），我们的PC将被重置为LLookupRecoverFunction，// 该函数会强制跳转到具有以下要求的缓存未命中代码路径：// 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 conventionsmov x15, x16 // stash the original isa 藏匿原始的isa
LLookupStart\Function:// p1 = SEL, p16 = isa
//便于观察。将前面的#define搬过来了，对照着看一下：
/*#define CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED 1#define CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16 2#define CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4 3#define CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRS 4*/
/*#if defined(__arm64__) && __LP64__#if TARGET_OS_OSX || TARGET_OS_SIMULATOR#define CACHE_MASK_STORAGE CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRS#else#define CACHE_MASK_STORAGE CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16#endif#elif defined(__arm64__) && !__LP64__#define CACHE_MASK_STORAGE CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4#else#define CACHE_MASK_STORAGE CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED#endif*/
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRSldr p10, [x16, #CACHE] // p10 = mask|bucketslsr p11, p10, #48 // p11 = maskand p10, p10, #0xffffffffffff // p10 = bucketsand w12, w1, w11 // x12 = _cmd & mask
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16 // 64位真机⚠️⚠️⚠️ldr p11, [x16, #CACHE] // p11 = mask|buckets isa 平移16字节得到 cache_t，cache首地址是mask_buckets
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES // p11 = _bucketsAndMaybeMask，即cache的第一个8字节
#if __has_feature(ptrauth_calls)tbnz p11, #0, LLookupPreopt\Functionand p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = buckets
#elseand p10, p11, #0x0000fffffffffffe // p10 = bucketstbnz p11, #0, LLookupPreopt\Function
#endifeor p12, p1, p1, LSR #7and p12, p12, p11, LSR #48 // x12 = (_cmd ^ (_cmd >> 7)) & mask
#else// _bucketsAndMaybeMask = mask(高位16) + buckets指针(低48位) p10 = bucketsand p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = bucketsand p12, p1, p11, LSR #48 // x12 = _cmd & mask
#endif // CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4ldr p11, [x16, #CACHE] // p11 = mask|bucketsand 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.
#endifadd p13, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)// p12 逻辑左移4位即扩大16倍，指针平移到对应的bucket位置上// p13 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT)) // p13 指向哈希下标对应的bucket
// insert bucket的时候，do-while写入，哈希和二次哈希，读取的时候也是do-while读取cache// do { // p17 = imp, p9 = sel，bucket中imp和sel分别赋给p17和p9
1: ldp p17, p9, [x13], #-BUCKET_SIZE // {imp, sel} = *bucket-- //赋值完成后p13 -= BUCKET_SIZE，指向前一个bucketcmp p9, p1 // if (sel != _cmd) {//获取的sel和_cmd，如果不相等，调整到3fb.ne 3f // scan more// } else {2: CacheHit \Mode // hit: call or return imp //获取的sel和_cmd，如果相等，缓存命中，call or return imp// }
3: cbz p9, \MissLabelDynamic // if (sel == 0) goto Miss;// 如果取出的sel位nil，则goto Misscmp p13, p10 // } while (bucket >= buckets) //如果bucket >= buckets，即没有到最前面b.hs 1b // 则继续比较前一个bucket，如果到最前面了，就继续执行后续代码// wrap-around:// p10 = first bucket// p11 = mask (and maybe other bits on LP64)// p12 = _cmd & mask//// A full cache can happen with CACHE_ALLOW_FULL_UTILIZATION.// So stop when we circle back to the first probed bucket// rather than when hitting the first bucket again.// 当CACHE_ALLOW_FULL_UTILIZATION时可能会发生完全缓存。// 因此，当我们循环回到第一个探测的bucket时停止，而不是再次击中第一个bucket时。// Note that we might probe the initial bucket twice// when the first probed slot is the last entry.// 请注意，当第一个探测的插槽是最后一个条目时，我们可能会探测初始存储桶两次。#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRSadd p13, p10, w11, UXTW #(1+PTRSHIFT)// p13 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16add p13, p10, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))//p11 = _bucketsAndMaybeMask，逻辑右移44位，相当于mask逻辑左移4位// p13 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)// see comment about maskZeroBits// 再左移4位获取到mask指向的bucket，相当于p11右移了44位// bucket >= buckets，再次从最后到最前面进行一次do-while循环查找
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4add p13, p10, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)// p13 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endifadd p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)// p12 = first probed bucket// do {4: ldp p17, p9, [x13], #-BUCKET_SIZE // {imp, sel} = *bucket-- // 这里重复1:标签，从mask--->0 查找，从后到前查找cmp p9, p1 // if (sel == _cmd) // 汇编里没有do-while，p13指向最后再重复一次1:标签的逻辑b.eq 2b // goto hitcmp p9, #0 // } while (sel != 0 &&ccmp p13, p12, #0, ne // bucket > first_probed)b.hi 4bLLookupEnd\Function:
LLookupRecover\Function:b \MissLabelDynamic....endmacro
我也不会汇编语言，只能看着源码给的注释和别人的注释理解。主要分为下面几步：
1. 流程：
1.1 获取到指向 cache 和 _bucketsAndMaybeMask
在前面类的结构分析文章中我们清楚的知晓objc_class的属性为：isa、superClass、cache等：
struct objc_class : objc_object {// Class ISA;Class superclass;cache_t cache; // formerly cache pointer and vtableclass_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags...
}
通过p16 = class = isa ，首地址平移16字节（因为在objc_class中，首地址距离cache正好16字节，即isa首地址 占8字节，superClass占8字节），获取cahce，p11指向cache中第一个8字节_bucketsAndMaybeMask， _bucketsAndMaybeMask中高16位存mask，低48位存buckets（高16位 | 低48位 = mask | buckets）， _bucketsAndMaybeMask = mask(高位16) + buckets指针(低48位)，即p11 = _bucketsAndMaybeMask
1.2 从 _bucketsAndMaybeMask 中分别取出 buckets 和 mask，并由 mask 根据哈希算法计算出哈希下标
p10 = _bucketsAndMaybeMask & 0x0000ffffffffffff = buckets
_bucketsAndMaybeMask >> 48 = mask
p12 = _cmd & mask = 哈希下标，记作 begin
将objc_msgSend的参数p1（即第二个参数_sel）& mask，通过哈希算法，得到需要查找存储sel-imp的bucket下标begin，即p12 = begin = _sel & mask，因为在存储sel-imp时，也是通过同样哈希算法计算哈希下标进行存储
static inline mask_t cache_hash(SEL sel, mask_t mask)
{return (mask_t)(uintptr_t)sel & mask;
}
1.3 根据所得的哈希下标 begin 和 buckets 首地址，取出哈希下标对应的 bucket
PTRSHIFT是一个宏定义，固定值为3：
#define PTRSHIFT 3 // 1<<PTRSHIFT == PTRSIZE
根据计算的哈希下标begin 乘以单个bucket占用的内存大小，得到buckets首地址距离begin下标指向的bucket在实际内存中的偏移量。通过首地址 + 实际偏移量，获取哈希下标begin对应的bucket。bucket是有sel和imp两个属性组成，每个属性都是8个字节的大小，所以bucket的大小是16
1.4 进入 do-while 循环，根据 bucket 中的 sel 查找
- 将
bucket中的属性属性imp和sel分别赋值为p17 和 p9。
1: ldp p17, p9, [x13], #-BUCKET_SIZE//{imp, sel} = *bucket--
//赋值完成后p13 -= BUCKET_SIZE，指向前一个bucket
- 将
bucket中的属性属性imp和sel分别赋值为p17 和 p9。
cmp p9, p1
//p9 == p1，缓存命中执行CacheHit
//不相等，执行下面的逻辑
- p9是否为
nil
cbz p9, \MissLabelDynamic // if (sel == 0) goto Miss;
// 如果p9 == nil，则指向goto Miss，默认没找到，
// 这里忽略了哈希冲突后二次哈希可能导致begin下标和真实写入的index之间存在差异
// 而且初始化或扩容后，里面的bucket都是空的，sel和imp都是nil，直接简单粗暴，即p9指向的sel为nil，则认为丢失，也是为了更快
- p9 != nil，判断p13是否 已经执行到最前面了
cmp p13, p10// } while (bucket >= buckets)
// 如果bucket >= buckets，则跳转到第一步，while循环开始，while (bucket < buckets)
// while循环结束，依然没有找到，则跳转到最后的bucket，即mask下标所指向的bucket，从后到前再次查找一遍
- begin --> 0，依然没有找到，跳转到最后，mask指向的bucket
add p13, p10, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))// p13 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
// p11 = _bucketsAndMaybeMask，逻辑右移44位，相当于mask逻辑左移4位
// p13 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT) 指向最后的bucket
// 正常是p11右移48位获取到mask，再左移4位，相当于_bucketsAndMaybeMask右移44位
// 此时p13，指向最后的bucket，while循环，跳转到第一步
小结：
- 第一次
do-while循环，从begin ---> 0查找一遍，如果没命中，p9不为nil，开始第二次do-while循环 - 第二次
do-while循环，从mask ---> 0再次查找一遍， - 依然如此，则执行
__objc_msgSend_uncached ---> MethodTableLookup ---> _lookUpImpOrForward开始查找方法列表
2. CacheHit
下面我们看一下CacheHit源码：
#define NORMAL 0
#define GETIMP 1
#define LOOKUP 2
// CacheHit: x17 = cached IMP, x10 = address of buckets, x1 = SEL, x16 = isa
.macro CacheHit
.if $0 == NORMALTailCallCachedImp x17, x10, x1, x16 // authenticate and call imp//调用imp
.elseif $0 == GETIMPmov p0, p17cbz p0, 9f // don't ptrauth a nil impAuthAndResignAsIMP x0, x10, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMP
9: ret // return IMP//返回imp
.elseif $0 == LOOKUP// 执行__objc_msgSend_uncached，开始方法列表查找// No nil check for ptrauth: the caller would crash anyway when they// jump to a nil IMP. We don't care if that jump also fails ptrauth.AuthAndResignAsIMP x17, x10, x1, x16 // authenticate imp and re-sign as IMPcmp x16, x15cinc x16, x16, ne // x16 += 1 when x15 != x16 (for instrumentation ; fallback to the parent class)ret // return imp via x17
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
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