07、iOS底层探索-objc_msgSend_晓之卫

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上篇文章介绍了cache缓存的底层原理，知道cache是为了方法再次调用时能更快的被响应，这篇我们了解一下从cache缓存中读取方法

1、方法调用底层实现

1.1、转换cpp文件

想要了解方法调用的底层实现，我们可以实际调用方法，然后看底层的C++实现，转换指令为 : clang -rewrite-objc xxx.m
生成cpp文件，因为方法调用写在了main函数里，所以在cpp文件中也查找main函数位置

1.2、`objc_msgSend`

图中我们可以看出，有参数的方法只有参数部分相对复杂， 无参数的实例方法play与类方法jump 在编译后底层调用objc_msgSend方法，默认有两个参数：
- 第一个参数 : 消息的接受者；实例方法为创建的具体person实例，类方法为 objc_getClass() 拿到的类
- 第二个参数 : 消息的方法名；
我们可以直接将编译后的方法粘贴到代码中使用，（并且消息方法名sel_registerName("jump")也可以用NSSelectorFromString(@"jump")替换）能成功调起jump方法中的打印，说明消息确实通过 objc_msgSend 发送成功

1.3、objc_msgSendSuper

我们再看一下常用的super类调用方法时的情况，对代码进行一些修改，在 init 方法中添加 self 调用与 super 调用
- 可以看出，打印出的类都是LZPerson，而非LZPerson继承的NSObject，这是为什么呢？我们还需要看一下cpp文件
因为写在 init 方法中，所以我们找 LZPerson 的 init 方法
- 通过比对可以发现，[super class]中的内容不是通过 objc_msgSend 发送了，而是变成了 objc_msgSendSuper ，对于其作用我们可以借助苹果文档查阅，方式为 : 菜单栏 --> Help --> Developer Documentation 对于其作用我们借助翻译工具查看大概
- 再来需要看参数含义 : 重点是说第一个参数是一个objc_super数据结构的指针，其中包括要接收消息的类的实例 和 开始搜索方法实现的超类
- 如此一来cpp文件中的内容就清晰了，接收消息的类的实例与objc_msgSend一样还是self，只是是从Super类开始找起，所以都打印了LZPerson
- objc_super结构体 :
```swift /// Specifies the superclass of an instance. struct objc_super { /// Specifies an instance of a class. __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
```
  /// Specifies the particular superclass of the instance to message.
```
if !defined(cplusplus) && !__OBJC2
```
  /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
  __unsafe_unretained _Nonnull Class class;
```
else
```
  __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
```
endif
```
  /* super_class is the first class to search */
```
};

endif

``` - 手动仿写，能够正常打印

2、objc_msgSend流程

每个架构下都有定义objc_msgSend，这里我们看arm64下的，使用了汇编代码，因为汇编代码效率更高执行更快
看懂汇编不是我们的目的，所以省略分析汇编过程，后边直接给出里边代码的功能流程

2.1、获取类对象

判断 receiver是否存在
通过 receiver 的 isa指针查找class

2.2、方法的快速查找(cache中查找)

`CacheLookup`

找到类对象后，进入 CacheLookup 流程（汇编实现仅供了解） ```swift //在cache中通过sel查找imp的核心流程 .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. // // 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: // // 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 //

//从x16中取出class移到x15中 mov x15, x16 // stash the original isa //开始查找 LLookupStart\Function: // p1 = SEL, p16 = isa

if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRS

//ldr表示将一个值存入到p10寄存器中 //x16表示p16寄存器存储的值，当前是Class //#数值表示一个值，这里的CACHE经过全局搜索发现是2倍的指针地址，也就是16个字节 //#define CACHE (2 * SIZEOF_POINTER) //经计算，p10就是cache ldr p10, [x16, #CACHE] // p10 = mask|buckets lsr p11, p10, #48 // p11 = mask and p10, p10, #0xffffffffffff // p10 = buckets and w12, w1, w11 // x12 = _cmd & mask //真机64位看这个

elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16

//CACHE 16字节，也就是通过isa内存平移获取cache，然后cache的首地址就是 (bucket_t *) ldr p11, [x16, #CACHE] // p11 = mask|buckets

if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES

//获取buckets

if __has_feature(ptrauth_calls)
```
tbnz p11, #0, LLookupPreopt\Function
and p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = buckets
```
else

//and表示与运算，将与上mask后的buckets值保存到p10寄存器 and p10, p11, #0x0000fffffffffffe // p10 = buckets //p11与#0比较，如果p11不存在，就走Function，如果存在走LLookupPreopt tbnz p11, #0, LLookupPreopt\Function

endif

//按位右移7个单位，存到p12里面，p0是对象，p1是_cmd eor p12, p1, p1, LSR #7 and p12, p12, p11, LSR #48 // x12 = (_cmd ^ (_cmd >> 7)) & mask

else
```
and p10, p11, #0x0000ffffffffffff // p10 = buckets
```
//LSR表示逻辑向右偏移 //p11, LSR #48表示cache偏移48位，拿到前16位，也就是得到mask //这个是哈希算法，p12存储的就是搜索下标（哈希地址） //整句表示_cmd & mask并保存到p12 and p12, p1, p11, LSR #48 // x12 = _cmd & mask

endif // CONFIG_USE_PREOPT_CACHES

elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
```
ldr p11, [x16, #CACHE] // p11 = mask|buckets
and p10, p11, #~0xf // p10 = buckets
and p11, p11, #0xf // p11 = maskShift
mov p12, #0xffff
lsr p11, p12, p11 // p11 = mask = 0xffff >> p11
and p12, p1, p11 // x12 = _cmd & mask
```
else

error Unsupported cache mask storage for ARM64.

endif

//去除掩码后bucket的内存平移 //PTRSHIFT经全局搜索发现是3 //LSL #(1+PTRSHIFT)表示逻辑左移4位，也就是*16 //通过bucket的首地址进行左平移下标的16倍数并与p12相与得到bucket，并存入到p13中 add p13, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT) // p13 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))
```
                    // do {
```
//ldp表示出栈，取出bucket中的imp和sel分别存放到p17和p9 1: ldp p17, p9, [x13], #-BUCKET_SIZE // {imp, sel} = *bucket-- //cmp表示比较，对比p9和p1，如果相同就找到了对应的方法，返回对应imp，走CacheHit cmp p9, p1 // if (sel != _cmd) { //b.ne表示如果不相同则跳转到2f b.ne 3f // scan more // } else { 2: CacheHit \Mode // hit: call or return imp // } //向前查找下一个bucket，一直循环直到找到对应的方法，循环完都没有找到就调用_objc_msgSend_uncached 3: cbz p9, \MissLabelDynamic // if (sel == 0) goto Miss; //通过p13和p10来判断是否是第一个bucket cmp p13, p10 // } while (bucket >= buckets) b.hs 1b ```
CacheLookup 实现的功能
1. class通过内存平移找到 cache
2. 从cache 获取 bucket_t
3. bucket_t 中比对 sel
4. bucket_t中匹配到缓存的sel --> 调用cacheHit --> 调用对应imp
5. bucket_t中未匹配到缓存的sel --> 调用_objc_msgSend_uncached

2.3、方法的慢速查找

bucket_t中未能命中imp，调用 _objc_msgSend_uncached
执行 MethodTableLookup 方法
执行 _lookUpImpOrForward 方法，跳出汇编层面，全局搜索 lookUpImpOrForward 找其实现开始在方法列表里找
再找一次cache，为的是防止多线程操作时,刚好调用函数，还未找到的话调用 getMethodNoSuper_nolock，尝试在 methodList 中找
简单的跳转找方法 search_method_list_inline --> findMethodInSortedMethodList
最终 findMethodInSortedMethodList 通过二分查找来找方法（分类方法放在MethodList前边位置）

methodList中找到方法

goto done走下边 done 方法
log_and_fill_cache将方法缓存到 cache 中

methodList中未找到方法

如上边图示，将当前查找类换为其父类，imp指针置为消息转发指针forward_imp，容易被忘的点是这些查找方法是在for循环中，换句话说 换成父类后会重新再进行一遍相同的查找操作，直到最终扔未找到那么forward_imp指针不再被替换，转入消息转发流程

总结

方法调用流程 :
- _objc_msgSend_uncached --> MethodTableLookup --> lookUpImpOrForward --> cache_getImp(再找cache) / getMethodNoSuper_nolock --> search_method_list_inline --> findMethodInSortedMethodList
逻辑流程 :
- lookUpImpOrForward --> 先找当前类的methodList --> 找父类cache --> 找父类methodList --> 父类为nil --> forward_imp --> 消息转发

07、iOS底层探索-objc_msgSend

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1、方法调用底层实现

1.1、转换cpp文件

1.2、objc_msgSend

1.3、objc_msgSendSuper

if !defined(cplusplus) && !__OBJC2

else

endif

endif

2、objc_msgSend流程

2.1、获取类对象

2.2、方法的快速查找(cache中查找)

CacheLookup

if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRS

elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16

if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES

if __has_feature(ptrauth_calls)

else

endif

else

endif // CONFIG_USE_PREOPT_CACHES

elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4

else

error Unsupported cache mask storage for ARM64.

endif

2.3、方法的慢速查找

methodList中找到方法

methodList中未找到方法

总结

1.2、`objc_msgSend`

`CacheLookup`