iOS源码解析：runtime<一> isa，class底层结构窥探

iOS方法调用的过程我们都很清楚，比如下面这个方法调用：

[person test];

这个方法调用过程是首先通过person对象的isa指针找到Person类的类对象，由于实例方法存储在类对象中，所以我们就去Person类对象中查找这个test方法如果找到了那就拿来调用，如果没有找到，那就通过Person类对象的superclass指针找到Person类的父类的类对象，去这里查找这个test，如果还没找到则继续沿着继承链往上找，如果最终还是没有找到就会报unrecognized selector sent to instance 0x60000001b830这个经典的错误。

这样回答方法的调用过程也没有问题，但是显得浅显了一些，还不足以应付面试。下面我们就一起探讨一下iOS中方法的调用过程。
首先把[person test]转化为c++的源码:

((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("test"));

化简一下：

objc_msgSend(person, sel_registerName("test"));

sel_registerName()我在上一篇文章已经说过，它就是传入方法名，返回SEL，sel_registerName("test")就等价于@selector(test)。这句代码就是给消息接收者发送SEL消息，所以接下来的问题就变成了去探究objc_msgSend()这个函数的调用过程。

objc_msgSend()的执行流程可以分为三个阶段

• 消息发送
• 动态方法解析
• 消息转发

下面通过源码逐一分析。
首先我们在runtime的源码中搜索objc_msgSend,我们发现搜索的结非常多，那我们要找的是它的实现，最终我们在objc-msg-arm64.s这样一个汇编文件中找到objc_msgSend()的实现。runtime的源码基本都是由c，c++，汇编语言组成，并且很多经常使用的都是由汇编语言给出的。

一 消息发送

在objc-msg-arm64.s中。第304-346行是objc_msgSend()的实现。

//从这里开始
304 ENTRY _objc_msgSend
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
    MESSENGER_START
//x0寄存器，消息接收者
308 cmp x0, #0          // nil check and tagged pointer check
309 b.le    LNilOrTagged        //  b是跳转，le是小于等于，也就是x0小于等于0时，跳转到LNilOrTagged，x0是objc_msgSend()传入的第一个参数，也就是消息接收者
    ldr x13, [x0]       // x13 = isa
    and x16, x13, #ISA_MASK // x16 = class  
LGetIsaDone:
313 CacheLookup NORMAL      // 缓存查找

315 LNilOrTagged:
316 b.eq    LReturnZero     // 如果消息接收者为空，直接退出这个函数

    // tagged
    mov x10, #0xf000000000000000
    cmp x0, x10
    b.hs    LExtTag
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #60, #4
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    b   LGetIsaDone

LExtTag:
    // ext tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #52, #8
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    b   LGetIsaDone
    
LReturnZero:
    // x0 is already zero
    mov x1, #0
    movi    d0, #0
    movi    d1, #0
    movi    d2, #0
    movi    d3, #0
    MESSENGER_END_NIL
    ret

346 END_ENTRY _objc_msgSend
//结束

• 1.首先从308行开始，cmp x0, #0这里x0是寄存器，里面是消息接收者。b.le LNilOrTagged，b是跳转的意思，le是如果x0小于等于0，总体意思是若x0小于等于0，则跳转到LNilOrTagged。这里意思就是如果消息接收者是nil，则跳转到LNilOrTagged，我们看315行的LNilOrTagged，执行b.eq LReturnZero就是直接退出程序。

• 2.判断完了消息接收者是否为nil之后，汇编代码继续执行，到313行CacheLookup NORMAL,通过字面意思可以知道这是从缓存中查找方法的实现，我们复制一下CacheLookup然后去本文件中搜索一下：

  66394697-9FCF-4D47-AE77-96BCB4A9D558.png

• 3.在缓存中找到了方法那就直接调用，这没什么好说的，下面看一下从缓存中没有找到方法怎么办。没有找到方法则会执行CheckMiss，我们搜索一下它的实现。

  9FAC4F96-8798-4867-BC3E-EFC2ABB94AB1.png

再搜索一下__objc_msgSend_uncached:

7CD09FA0-B0BC-4AE3-AE6C-DBB6DE15FACE.png

通过MethodTableLookup这个字面名称我们就大概知道这是从方法列表中去查找方法。我们再查看一下它的结构：

66A23B20-BCEA-4707-B938-475CB43BBEB3.png

然后我们在本文件中搜索__class_lookupMethodAndLoadCache3发现没有它的定义，然后我们再在整个文件中搜索，发现还是没有，这个时候我们去掉开头的一个下划线再搜索，发现有了结果，这是因为汇编的函数比c++的多一个下划线。

• 4.我们在objc-runtime-new.mm这个文件中找到了_class_lookupMethodAndLoadCache3的实现：
  A2A6063B-72D4-46CD-B491-CD08D3B44D02.png

主要就是实现了lookUpImpOrForward()这个方法，然后我们再查找一下这个方法：

1730123B-56F0-48C0-BEA1-C50F1E37626B.png

• 5.我们具体看一下是怎么从类对象中查找方法的，这个主要是在getMethodNoSuper_nolock()这个方法。
  9E58326A-4974-4949-8BE7-99444E5004B5.png
  
  总结一下消息发送的过程就是下图：
  
  5EE45D9F-8DA7-400D-A3C7-FAE7E9F212F2.png

二 动态方法解析

在自己的类对象的缓存和方法列表中都没有找到方法，并且在父类的类对象的缓存和方法列表中都没有找到方法时，这时候就会启动动态方法解析。

我们再找到lookUpImpOrForward这个方法。在这个方法中前半部分是在自己的类对象以及父类对象中查找方法，后半部分就是处理在自己的类对象和父类对象中都找到不这个方法：

91172CDB-1A7E-49AE-A9E5-FD3DEB951ECE.png

AEC48C28-DC5C-433A-8DB1-6628F2E51479.png

那下面就用实例来演示一下动态方法解析的过程。
首先在main.m文件中创建person对象并调用test方法：

        Person *person = [[Person alloc] init];
        [person test];

虽然在Person.h文件中声明了test方法，但是在Person.m文件中并没有实现test.m文件。所以运行代码的话应该会崩溃，我们运行代码：
果然崩溃了，并且打印了经典错误：unrecognized selector sent to instance 0x60400000e3e0。
程序崩溃很容易理解，因为在第一步查找方法中，在自己的类对象以及父类的类对象中都没有找到这个方法，所以转向动态方法解析，动态方法解析我们什么也没做，所以会转向消息转发，消息转发我们也什么都没做，所以最后产生崩溃。接下来我们实现一下动态方法解析。

动态方法解析是当第一步中方法查找失败时会进行的，当调用的是对象方法时，动态方法解析是在resolveInstanceMethod:方法中实现的，当调用的是类方法时，动态方法解析是在resolveClassMethod:方法中实现的。利用动态方法解析和runtime，我们可以给一个没有实现的方法添加方法实现。

与动态添加方法实现相关的runtime的API是

/** 
 * Adds a new method to a class with a given name and implementation.
*/
class_addMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name, IMP _Nonnull imp, 
                const char * _Nullable types) 

我们看注释就是可以知道，这个方法是给一个给定的方法名也就是SEL添加方法的实现。

@cls : 给哪个类对象添加方法
@name : SEL类型的，给哪个方法名添加方法实现
@imp : IMP类型的，要把哪个方法实现添加给给定的方法名
@types ：在讲method_t的结构时讲过这个，就是表示返回值和参数类型的字符串，比如"v16@0:8"

我现在在Person.m文件中实现了test2方法：

- (void)test2{
    
    NSLog(@"测试动态方法解析");
}

那我想要把这个方法的方法实现添加到Person类中，我就需要调用runtime的class_addMethod这个API，这些参数中，cls可以传self，name可以传@selector(test),types可以传"v16@0:8"，最难的就是imp应该传什么。我们需要获取test2函数的imp，这个应该怎么获取呢？

runtime中也有相对应的API：

Method _Nullable
class_getInstanceMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name)

这个API返回的就是一个代表方法的Method。我们可以通过

IMP _Nonnull
method_getImplementation(Method _Nonnull m) 

这个runtime的API通过Method结构获取方法的IMP，所以最终的代码就是这样：

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    
    if (sel == @selector(test)) {
        Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(test2));
        class_addMethod(self, sel, method_getImplementation(method), "v16@0:8");
        return YES;
    }
    
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

- (void)test2{
    
    NSLog(@"测试动态方法解析");
}

这样当第一步方法查找找不到方法时，就会进行第二步动态方法解析，由于调用的是对象方法，所以会执行resolveInstanceMethod:方法中的代码，在这个方法中，使用runtime的API，给类对象中动态添加了test方法的实现，这个实现是test2方法的实现。当动态方法解析结束后还会返回去进行方法查找，这次能够查找到test方法及其实现了，也就能够成功调用test方法了。
用一个图总结动态方法解析的整个过程：

E45B746D-3235-489E-A6D5-CB53313C1F72.png

三 消息转发

我们再看一下动态方法解析的过程：

918365CA-0287-4562-AEB8-E3217F7545C1.png

消息转发通俗地讲就是本类没有能力去处理这个消息，那么就转发给其他的类，让其他类去处理。

接下来我们看一下进行消息转发的函数_objc_msgForward_impcache的具体实现，去文件中搜索，在汇编中找到了它的实现：

91474E51-E36E-4186-A8ED-655B30AD797A.png

然后我们去查找__objc_forward_handler的实现，但是找到了半天好像并不能找到其实现，这个函数有可能并不是开源的，那我们这条路就行不通了。

网上有人写了__forwarding__这个函数的实现的伪代码，我们可以拿来学习一下。为什么要学习这个函数呢？因为当[person test]崩溃时调用栈是这样的：

2BEAA7F7-8ADB-4CD5-BE3E-5D331193A9B4.png

E876DC6C-6E13-4F6A-8913-1DB21965BB8F.png

// Student.m
- (void)test{
    
    NSLog(@"转发给student处理");
}

// Person.m
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return [[Student alloc] init];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

这样的话person对象就成功把@selector(test)这个消息转发给student对象让它去处理，自己不管了。相当于是调用了objc_msgSend(student, @selector(test))。我们可以从另外一个角度去验证这个问题，使一个没有实现test方法的类的对象成为消息转发对象：

// Person.m
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return [[NSObject alloc] init];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

这个NSObject类是没有实现test方法的，我们看一下运行结果：

-[NSObject test]: unrecognized selector sent to instance 0x600000013810

我们看到，现在直接是在NSObject这个类中没有找到test方法了。

现在有一个问题了，如果- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector返回为空或者压根就没有实现，程序又会如何继续呢？我们还是从伪码中查找答案：

CE05D612-CAEA-4A2A-A3C3-9A0773F5684A.png

下面用代码实例来讲解：
Person.h中有- (void)testAge:(int)age;但是在Person.m中并没有实现。
现在在main.m中去调用这个方法：

[person testAge:10];

这个时候会产生崩溃，因为在消息发送阶段没有找到该方法的实现，而动态方法解析和消息转发阶段则什么都没有做，所以就崩溃了。
第一阶段消息发送结束后会进行第二阶段动态消息解析，动态消息解析依赖于+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel这个函数，当这个函数也没有动态添加方法实现时，就会进入第三阶段-消息转发。

消息转发首先依赖于- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector这个方法，若是这个方法直接返回了一个消息转发对象，则会通过objc_msgSend()把这个消息转发给消息转发对象了。若是这个方法没有实现或者实现了但是返回值为空，则会跑去执行后面的- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector这个函数以及- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation这个函数。

现在我们在第二阶段动态方法解析阶段没有做任何处理，在- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector这个函数中也不做处理。那么代码就会执行到- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector这个函数，在这个函数中我们要返回一个方法签名：

Person.m
//方法签名：返回值类型，参数类型
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    
    if(aSelector == @selector(testAge:)){
        
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v20@0:8i16"];
    }
    
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

我们想一下，要完整的表征person对象调用- (void)testAge:(int)age这个过程，我们就需要知道方法调用者，方法名，方法参数。而在Person.m中我们肯定知道方法调用者是person对象，方法名也知道是"testAge:"，那么现在不知道的就是方法参数了，那么这个方法签名就是表征这个方法参数的，包括返回值和参数，这样方法调用者，方法名和方法参数就都知道了。

然后看- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation的实现：

//NSInvocation封装了一个方法调用，包括：方法调用者，方法名，方法参数
@  anInvocation.target 方法调用者
@   anInvocation.selector 方法名
@   [anInvocation getArgument:NULL atIndex:0];
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    
    NSLog(@"%@ %@", anInvocation.target, NSStringFromSelector(anInvocation.selector));
    int age;
    [anInvocation getArgument:&age atIndex:2];
    NSLog(@"%d", age);
    //这行代码是把方法的调用者改变为student对象
    [anInvocation invokeWithTarget:[[Student alloc] init]];
    
}

在这个方法中有一个NSInvocation类型的anInvocation参数，这个参数就是表征一个方法调用的，我们可以通过这个参数获取person对象调用- (void)testAge:(int)age方法这个过程中的方法调用者，方法名，方法参数。然后我们可以通过修改方法调用者来达到消息转发的效果，这里是把方法调用者修改为了student对象。这样就完成了成功转发消息给student对象。

那么我们思考一个问题，在第三阶段消息转发阶段为什么会有三个函数这个复杂？如果我们想要转发消息，那么直接在- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector去返回一个消息转发对象就可以了呀。设计三个函数的好处就是，当来到- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector这个方法时，如果这个方法返回为空，那么走到这里直接结束方法调用，产生崩溃，而如果返回不为空，那么就会继续去调用- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation这个方法，那么来到这个里面，我们就可以为所欲为，即使我们什么也不做，运行程序也不会崩溃了，我们可以在这个方法里面为方法指定新的调用者，也即是进行消息转发，也可以做一些其他的操作，都可以，这就是这样设计的一个好处，我们可以在这个方法里面做一切我们想做的。

总结一下消息准发的过程就是：

570A2126-DDF8-4103-8B9E-AF6B8FEABF44.png