结合 category 工作原理分析 OC 2.0 中的 runtime

独家号 swift与iOS开发 作者 @bestswifter

绝大多数 iOS 开发者在学习 runtime 时都阅读过 runtime.h 文件中的这段代码:

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;
可以看到其中保存了类的实例变量,方法列表等信息。

不知道有多少读者思考过OBJC2_UNAVAILABLE意味着什么。其实早在 2006 年,苹果在 WWDC 大会上就发布了 Objective-C 2.0,其中的改动包括 Max OS X 平台上的垃圾回收机制(现已废弃),runtime 性能优化等。

这意味着上述代码,以及任何带有OBJC2_UNAVAILABLE标记的内容,都已经在 2006 年就永远的告别了我们,只停留在历史的文档中。

Category 的原理

虽然上述代码已经过时,但仍具备一定的参考意义,比如methodLists作为一个二级指针,其中每个元素都是一个数组,数组中的每个元素则是一个方法。

接下来就介绍一下 category 的工作原理,在美团的技术博客 深入理解Objective-C:Category 中已经有了非常详细的解释,然而可能由于时间问题,其中的不少内容已经过时,我根据目前最新的版本(objc-680) 做一些简单的分析,为了便于阅读,在不影响代码逻辑的前提下有可能删除部分无关紧要的内容。

概述

首先 runtime 依赖于 dyld 动态加载,在 objc-os.mm 文件中可以找到入口,它的调用栈简单整理如下:

void _objc_init(void)
└──const char *map_2_images(...)
    └──const char *map_images_nolock(...)
        └──void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount)
以上四个方法可以理解为 runtime 的初始化过程,我们暂且不深究。在_read_images方法中有如下代码:
if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
    /* ||  cat->classProperties */) {
    addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
    if (cls->ISA()->isRealized()) {
        remethodizeClass(cls->ISA());
    }
}
根据注释可见苹果曾经计划利用 category 来添加属性。在addUnattachedCategoryForClass方法中会找到当前类的所有 category,然后在remethodizeClass真正的去做处理。不过到目前为止还没有接触到相关的 category 处理,我们继续沿着调用栈向下走:
void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount)
└──static void remethodizeClass(Class cls)
    └──static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
这里的attachCategories就是处理 category 的核心所在,不过在阅读这段代码之前,我们有必要先熟悉一下相关的数据结构。

Category 相关的数据结构

首先来了解一下一个 Category 是如何存储的,在 objc-runtime-new.h 中可以看到如下定义,我只列出了其中成员变量:

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;
};
可见一个 category 持有了一个method_list_t类型的数组,method_list_t又继承自entsize_list_tt,这是一种泛型容器:
struct method_list_t : entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 0x3> {
    // 成员变量和方法
};

template <typename Element, typename List, uint32_t FlagMask>
struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
    Element first;
};
这里的entsize_list_tt可以理解为一个容器,拥有自己的迭代器用于遍历所有元素。Element表示元素类型,List用于指定容器类型,最后一个参数为标记位。

虽然这段代码实现比较复杂,但仍可了解到method_list_t是一个存储method_t类型元素的容器。method_t结构体的定义如下:

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};
最后,我们还有一个结构体category_list用来存储所有的 category,它的定义如下:
struct locstamped_category_list_t {
    uint32_t count;
    locstamped_category_t list[0];
};
struct locstamped_category_t {
    category_t *cat;
    struct header_info *hi;
};
typedef locstamped_category_list_t category_list;
除了标记存储的 category 的数量外,locstamped_category_list_t结构体还声明了一个长度为零的数组,这其实是 C99 中的一种写法,允许我们在运行期动态的申请内存。

以上就是相关的数据结构,只要了解到这个程度就可以继续读源码了。

处理 Category

对 Category 中方法的解析并不复杂,首先来看一下attachCategories的简化版代码:

static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches) {
    if (!cats) return;
    bool isMeta = cls->isMetaClass();

    method_list_t **mlists = (method_list_t **)malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int i = cats->count;
    while (i--) {
        auto& entry = cats->list[i];

        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
        }
    }

    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);
}
首先,通过 while 循环,我们遍历所有的 category,也就是参数cats中的list属性。对于每一个 category,得到它的方法列表mlist并存入mlists中。

换句话说,我们将所有 category 中的方法拼接到了一个大的二维数组中,数组的每一个元素都是装有一个 category 所有方法的容器。这句话比较绕,但你可以把mlists理解为文章开头所说,旧版本的objc_method_list **methodLists。

在 while 循环外,我们得到了拼接成的方法,此时需要与类原来的方法合并:

auto rw = cls->data();
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
这两行代码读不懂是必然的,因为在 Objective-C 2.0 时代,对象的内存布局已经发生了一些变化。我们需要先了解对象的布局模型才能理解这段代码。

Objective-C 2.0 对象布局模型

objc_class

相信读到这里的大部分读者都学习过文章开头所说的对象布局模型,因此在这一部分,我们采用类比的方法,来看看 Objective-C 2.0 下发生了哪些改变。

首先,Class和id指针的定义并没有发生改变,他们一个指向类对应的结构体,一个指向对象对应的结构体:

// objc.h
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
比较有意思的一点是,objc_class结构体是继承自objc_object的:
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

struct objc_class : objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }
};
这一点也很容易理解,早在 Objective-C 1.0 时代,我们就知道一个对象的结构体只有isa指针,指向它所属的类。而类的结构体也有isa指针指向它的元类。因此让类结构体继承自对象结构体就很容易理解了。

可见 Objective-C 1.0 的布局模型中,cache和super_class被原封不动的移过来了,而剩下的属性则似乎消失不见。取而代之的是一个bits属性,以及data()方法,这个方法调用的其实是bits属性的data()方法,并返回了一个class_rw_t类型的结构体指针。

class_data_bits_t

以下是简化版class_data_bits_t结构体的定义:

struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
}
可见这个结构体只有一个 64 位的bits成员,存储了一个指向class_rw_t结构体的指针和三个标志位。它实际上由三部分组成。首先由于 Mac OS X 只使用 47 位内存地址,所以前 17 位空余出来,提供给retain/release 和alloc/dealloc方法使用,做一些优化。其次,由于内存对齐,指针地址的后三位都是 0,因此可以用来做标志位:
// class is a Swift class
#define FAST_IS_SWIFT           (1UL<<0)
// class or superclass has default retain/release/autorelease/retainCount/
//   _tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR     (1UL<<1)
// class's instances requires raw isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA   (1UL<<2)
// data pointer
#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
如果计算一下就会发现,FAST_DATA_MASK这个 16 进制常量的二进制表示恰好后三位为0,且长度为47位:11111111111111111111111111111111111111111111000,我们通过这个掩码做按位与运算即可取出正确的指针地址。

引用 Draveness 在 深入解析 ObjC 中方法的结构 中的图片做一个总结:


bits 示意图

class_rw_t

bits中包含了一个指向class_rw_t结构体的指针,它的定义如下:

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;

    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
}
注意到有一个名字很类似的结构体class_ro_t,这里的 'rw' 和 ro' 分别表示 'readwrite' 和 'readonly'。因为class_ro_t存储了一些由编译器生成的常量。

These are emitted by the compiler and are part of the ABI.

正是由于class_ro_t中的两个属性instanceStart和instanceSize的存在,保证了 Objective-C2.0 的 ABI 稳定性。因为即使父类增加方法,子类也可以在运行时重新计算 ivar 的偏移量,从而避免重新编译。

关于 ABI 稳定性的问题,本文不做赘述,读者可以参考 Non Fragile ivars

如果阅读class_ro_t结构体的定义就会发现,旧版本实现中类结构体中的大部分成员变量现在都定义在class_ro_t和class_rw_t这两个结构体中了。感兴趣的读者可以自行对比,本文不再赘述。

class_rw_t结构体中还有一个methods成员变量,它的类型是method_array_t,继承自list_array_tt。

list_array_tt是一个泛型结构体,用于存储一些元数据,而它实际上是元数据的二维数组:

template <typename Element, typename List>{
    struct array_t {
        uint32_t count;
        List* lists[0];
    };
}
class method_array_t : public list_array_tt<method_t, method_list_t>
其中Element表示元数据的类型,比如method_t,而List则表示用于存储元数据的一维数组,比如method_list_t。

list_array_tt有三种状态:

  1. 自身为空,可以类比为[[]]
  2. 它只有一个指针,指向一个元数据的集合,可以类比为[[1, 2]]
  3. 它有多个指针,指向多个元数据的集合,可以类比为[[1, 2], [3, 4]]

当一个类刚创建时,它可能处于状态 1 或 2,但如果使用class_addMethod或者 category 来添加方法,就会进入状态 3,而且一旦进入状态 3 就再也不可能回到其他状态,即使新增的方法后来又被移除掉。

方法合并

掌握了这些 runtime 的基础只是以后就可以继续钻研剩下的 category 的代码了:

auto rw = cls->data();
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
这是刚刚卡住的地方,现在来看,rw是一个class_rw_t类型的结构体指针。根据 runtime 中的数据结构,它有一个methods结构体成员,并从父类继承了attachLists方法,用来合并 category 中的方法:
void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
    if (addedCount == 0) return;
    uint32_t oldCount = array()->count;
    uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
    setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
    array()->count = newCount;
    memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
    memcpy(array()->lists, addedLists, addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
}
这段代码很简单,其实就是先调用realloc()函数将原来的空间拓展,然后把原来的数组复制到后面,最后再把新数组复制到前面。

在实际代码中,比上面略复杂一些。因为为了提高性能,苹果做了一些优化,比如当 List 处于第二种状态(只有一个指针,指向一个元数据的集合)时,其实并不需要在原地扩容空间,而是只要重新申请一块内存,并将最后一个位置留给原来的集合即可。

这样只多花费了很少的内存空间,也就是原来二维数组占用的内存空间,但是malloc()的性能优势会更加明显,这其实是一个空间换时间的权衡问题。

需要注意的是,无论执行哪种逻辑,参数列表中的方法都会被添加到二维数组的前面。而我们简单的看一下 runtime 在查找方法时的逻辑:

static method_t *getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel){
    for (auto mlists = cls->data()->methods.beginLists(), 
              end = cls->data()->methods.endLists(); 
         mlists != end;
         ++mlists) {
        method_t *m = search_method_list(*mlists, sel);
        if (m) return m;
    }

    return nil;
}

static method_t *search_method_list(const method_list_t *mlist, SEL sel) {
    for (auto& meth : *mlist) {
        if (meth.name == sel) return &meth;
    }
}
可见搜索的过程是按照从前向后的顺序进行的,一旦找到了就会停止循环。因此 category 中定义的同名方法不会替换类中原有的方法,但是对原方法的调用实际上会调用 category 中的方法。

总结

读完本文后,你应该对以下内容有比较深刻的理解,排名不分先后:

  1. 定义在 runtime.h 中的数据结构,如果有OBJC2_UNAVAILABLE标记则表示已经废弃。
  2. Objective-C 2.0 中,类结构体的结构层次:objc_class->class_data_bits_t->class_rw_t->method_array_t。
  3. class_ro_t结构体的作用,与class_rw_t的区别,以及和 ABI 稳定性的关系。
  4. category 解析过程的调用栈以及基本的流程。
  5. method_array_t为什么要设计成一种类似于二维数组的数据结构,以及它的三种状态之间的关系。

参考资料

  1. 深入理解Objective-C:Category
  2. 从源代码看 ObjC 中消息的发送
  3. 深入解析 ObjC 中方法的结构
  4. Whats is methodLists attribute of the structure objc_class for?
  5. Objc与C(C++)之亲缘关系(一) Class
  6. Objective-C Runtime

文/bestswifter(简书作者)
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