黑魔法——“低版本中使用高版本中的类”的技术实现原理

iOS8中苹果用UIAlertController来统一管理alert和actionSheet了,之前的UIAlertView和UIActionSheet已经废弃了。通常我们要兼容iOS7的时候,要这样:

if([[[UIDevicecurrentDevice] systemVersion] floatValue] <=8.0) {//用UIAlertView或UIActionSheet}else{//用UIAlertController}

而GJAlertController解决了这里的系统版本兼容问题,不需要判断版本,直接使用:

UIAlertController *alertVC = [UIAlertController alertControllerWithTitle:@"title"message:@"message"preferredStyle:UIAlertControllerStyleAlert];[alertVCaddAction:[UIAlertAction actionWithTitle:@"ok"style:UIAlertActionStyleDefault handler:^(UIAlertAction *_Nonnullaction) {    NSLog(@"button ok pressed");}]];[alertVCaddAction:[UIAlertAction actionWithTitle:@"cancel"style:UIAlertActionStyleDefault handler:^(UIAlertAction *_Nonnullaction) {    NSLog(@"button cancel pressed);

}]];

[alertVC addTextFieldWithConfigurationHandler:^(UITextField *textField) {

textField.placeholder = @"请输入用户名";

}];

[self presentViewController:alertVC animated:YES completion:nil];

如果创建的时候PreferredStyle传入UIAlertControllerStyleActionSheet,则显示actionSheet。

大家可能很好奇,UIAlertController明明是iOS8才引入的,怎么能够在iOS8以下的系统中跑呢?下面进入正题。

原理概述

简单来说就是三个字——黑魔法。

利用这种黑魔法的例子已经越来越多,我所知道的最早使用这种方法的是一个老外在三年为了解决NSUUID而使用的。

我们国内团队开发的FDStackView是一个非常好的开源库,已经有1500+颗星星了,希望大家多多支持我们国内的团队,在FDStackView库中也用到了相同的技术,网上有人发出了分析实现原理的文章,但分析的很浅,而且根本没有说在点子上,使得这种黑魔法的魅力并没有被大家欣赏到,我这里做了一些功课,把这个原理详细的阐述一下,以及这里的关键点在哪里。如果中间过程中有什么错误,还请大家指正,谢谢。

下面简单说一下实现思路。

1.运行时去判断系统中是否已经存在UIAlertController,如果存在,那就什么都不做,静静的看着UIAlertController装逼,这就是iOS8及其之上版本的情况。

2.如果系统中没有UIAlertController类,我们在运行时中做一些“手脚”,让我们的GJAlertController在低版本中去完成这个问题。这一步是精华所在,下面分析代码的时候回详细说明

详细分析

实现的代码本身其实并不重要,下面先讲最重要的一个东西,它是这种黑魔法能够得以实现的前提。

在揭示这个重要前提之前,我们先来简单说说内存。内存有好多种,我们最熟悉的有:栈:函数的实现就依赖于栈,函数中简单类型的局部变量也都开辟在栈上;堆:我们平时用的Object都是开辟在堆上的;数据段:这个对我们相对陌生,但是其实静态字符串就是存在数据段的eg:

NSString *testStr = @"hello world";NSLog(@"testStr:%p",testStr);testStr:0xb4338 //32位的机器上testStr:0x106326580 //64位的机器上

数据段的内存有些特殊,并不是我们理解的32上的指针是4Byte=32bit,64位上指针是8Byte=64bit,大家这里对数据段先有个概念,一会要用它来解释一些现象。

下面开始讲这个黑魔法能够实现的前提,是很重要的部分。在编译的时候,系统中的每个类都在数据段上有一个标签(形式是这样的:OBJC_CLASS$_ClassName),这个标签你可以理解成key,它的value就是该类的类名,举例:数据段中会有一个key是OBJC_CLASS$_UIAlertController,它对应的value就是UIAlertController的类名,当然也就会有OBJC_CLASS$_UIStackView这个标签,标识着UIStackView这个类。

最重要的一点是:在iOS7中,还没有UIAlertController的时候,这个标签OBJC_CLASS$_UIAlertController已经存在了,只是这个标签对应的value值是nil,因为没有这个类,我们可以认为是苹果在给高版本的这个类站位,就是苹果的这个站位才使得我们有幸用上了这个黑魔法。当然每个后出现的类都是有站位的,比如UIStackView。

if this label is Nil or doesnt exist, the class does not exist and cannot be allocated/used

这是我看到的老外在用该种黑魔法实现UUID的时候其中的一句说明,意思是:如果我们没找找到这个标签,就不能为该申请内存,也就不能使用了。

我对这句话的结论持怀疑态度,但又无法做实验验证,因为“标签站位”在早期版本中就存在了,而要找到“更早期”的版本验证该没有标签是很困难的,因为Xcode已经不能支持对“更早期”的版本的编译了,这段话表述有些混乱,大家还是往后看吧。

下面我们看看runtime里动态添加类的方法:

Creates a new class and metaclass.

@param superclass The class to use as the new class's superclass, or \c Nil to create a new root class.

@param name The string to use as the new class's name. The string will be copied.

@param extraBytes The number of bytes to allocate for indexed ivars at the end of

the class and metaclass objects. This should usually be \c 0.

@return The new class, or Nil if the class could not be created (for example, the desired name is already in use).

OBJC_EXPORT Classobjc_allocateClassPair(Class superclass,constchar*name,size_textraBytes)__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_5, __IPHONE_2_0);

大家看官方对函数的说明可以知道:superClass 是你要添加的类的父类,name是你要添加的类的名字,extraBytes一般传0,它会返回一个新类,如果名字被占用了会返回Nil。

由此要说明的两个重要结论:

1.如果OBJC_CLASS$_ClassName标签存在,但是对应的类不存在(相当于有key,但是value是nil)此时动态添加类是可以成功的。

2.如果OBJC_CLASS$_ClassName标签和对应的类都有的话,此时动态添加类是不成功的,返回nil。

我们黑魔法的实现思路就是基于这两个重要结论,下面我们具体看代码。

代码讲解

__asm(".section        __DATA,__objc_classrefs,regular,no_dead_strip\n"#if    TARGET_RT_64_BIT".align          3\n""L_OBJC_CLASS_UIAlertController:\n"".quad          _OBJC_CLASS_$_UIAlertController\n"#else".align          2\n""_OBJC_CLASS_UIAlertController:\n"".long          _OBJC_CLASS_$_UIAlertController\n"#endif".weak_reference _OBJC_CLASS_$_UIAlertController\n");

这是一段汇编代码,不用担心看不懂它,我也不懂汇编,这不影响我们分析,我简单的解释一下:

1.__asm是在C、C++源码中放入汇编代码(OC是C的超集)。

2..align是对指令或数据的存放地址进行对齐,有些CPU架构要求固定的指令长度,并且存放地址相对于2的幂指数圆整,否则无法运行,比如arm。有些不要这样也能运行,就是执行效率稍微低点,如i386。

3.64位的对齐方式是8位(2^3(.align后面的数)),32位的对齐方式是4位(2^2(.align后面的数))。对齐只对紧挨着它的那条语句起作用,既,L_OBJC_CLASS_UIAlertController或_OBJC_CLASS_UIAlertController。

4..quad声明一组数占64位,.long声明一组数占32位

5..secton 后是指定参数用的,上述汇编的大体意思是在数据段(就是我们之前提到的数据段)找到OBJC_CLASS$_UIAlertController标签并利用.quad、.long声明的一组数来存放它,取名为:_OBJC_CLASS_UIAlertController。

这是一段枯燥又非重点的代码,如果大家心情不好直接忽略掉就可以了。

__attribute__((constructor))staticvoidGJAlertControllerPatchEntry(void) {staticdispatch_once_tonceToken;dispatch_once(&onceToken, ^{@autoreleasepool{// >= iOS8.if(objc_getClass("UIAlertController")) {return;            }            Class *alertController =NULL;#if TARGET_CPU_ARM__asm("movw %0, :lower16:(_OBJC_CLASS_UIAlertController-(LPC0+4))\n""movt %0, :upper16:(_OBJC_CLASS_UIAlertController-(LPC0+4))\n""LPC0: add %0, pc":"=r"(alertController));#elif TARGET_CPU_ARM64__asm("adrp %0, L_OBJC_CLASS_UIAlertController@PAGE\n""add  %0, %0, L_OBJC_CLASS_UIAlertController@PAGEOFF":"=r"(alertController));#elif TARGET_CPU_X86_64__asm("leaq L_OBJC_CLASS_UIAlertController(%%rip), %0":"=r"(alertController));#elif TARGET_CPU_X86void*pc =NULL;    __asm("calll L0\n""L0: popl %0\n""leal _OBJC_CLASS_UIAlertController-L0(%0), %1":"=r"(pc),"=r"(alertController));#else#error Unsupported CPU#endifif(alertController && !*alertController) {                Classclass= objc_allocateClassPair([GJAlertControllerclass],"UIAlertController",0);if(class) {                    objc_registerClassPair(class);                    *alertController =class;                }            }        }    });}

大家坚持住,这是要分析的最后一段代码了。

__attribute__((constructor))staticvoidGJAlertControllerPatchEntry(void){

}

总的来说上面的代码是一个函数,

__attribute__((constructor))只是用来修饰函数的,它起什么作用呢?这里涉及一个关于__attribute__的黑魔法,有兴趣的人可以看我同事的一篇专门介绍__attribute__的文章

__attribute__((constructor))修饰的函数会在main函数之前执行,这是我们的最好时机,有了runtime环境,但是main函数还没有执行,一切都“来得及”

if(objc_getClass("UIAlertController")) {return;}

系统中有UIAlertController类的话,直接返回,这个逻辑之前已经提到过了。

Class *alertController = NULL;#if TARGET_CPU_ARM__asm("movw %0, :lower16:(_OBJC_CLASS_UIAlertController-(LPC0+4))\n""movt %0, :upper16:(_OBJC_CLASS_UIAlertController-(LPC0+4))\n""LPC0: add %0, pc":"=r"(alertController));#elif TARGET_CPU_ARM64__asm("adrp %0, L_OBJC_CLASS_UIAlertController@PAGE\n""add  %0, %0, L_OBJC_CLASS_UIAlertController@PAGEOFF":"=r"(alertController));#elif TARGET_CPU_X86_64__asm("leaq L_OBJC_CLASS_UIAlertController(%%rip), %0":"=r"(alertController));#elif TARGET_CPU_X86void *pc = NULL;    __asm("calll L0\n""L0: popl %0\n""leal _OBJC_CLASS_UIAlertController-L0(%0), %1":"=r"(pc),"=r"(alertController));#else#error Unsupported CPU#endif

这段汇编大家直接忽略,意思就是把之前_OBJC_CLASS_UIAlertController中的值拿出来放到alertController里,之所以这么麻烦是因为不同架构的CPU运行的指令集不同,例如,32位就要这样弄:MOVW 把16位立即数放到寄存器的底16位,高16位清0

MOVT 把16位立即数放到寄存器的高16位,低16位不影响。

if(alertController && !*alertController) {    Classclass=objc_allocateClassPair([GJAlertControllerclass],"UIAlertController",0);if(class){        objc_registerClassPair(class);*alertController =class;}}

如果alertController存在,证明OBJC_CLASS$_UIAlertController标签存在,即key存在,*alertController不存在,证明当前系统中没有这个类,即value不存在。这正是我们之前说的情况,如果我们此时打印alertController的地址,会发现,它的位数和上面数据段中的一样而不是32位或64位,也再次印证了标签在数据段上。

此时执行最重要的一句代码——动态添加类

Classclass=objc_allocateClassPair([GJAlertControllerclass],"UIAlertController",0);

这决对是画龙点睛的一笔,我们之前用的时候都是继承一个系统类,动态添加一个自定义的类:

Class person = objc_allocateClassPair([NSObjectclass],"Person",0);

这里正好相反,这里是在判断了没有系统类的时候,添加一个系统类,继承自我们的类:GJAlertController,也就是说,在低版本中,没有UIAlerController,我们动态添加这个类,让他继承GJAlertController,我们在GJAlertController中,实现一套与系统UIAlertController一模一样的API给人造成的错觉好像是在低版本中也能使用UIAlertController,其实只是一个魔术。

我们在低版本下使用的UIAlertController是我们动态添加的,它什么也没有做,直接继承了GJAlertController,而GJAlertController声明并实现了和系统UIAlertController一模一样的一套API。我们的GJAlertController根本不是一个VC是一个NSObject,只是自己用UIAlertView和UIActionSheet封装成了UIAlertController的API罢了,到这里你应该对所有的一切都明白了吧。

我之所以要写这篇文章,主要是在欣赏:

Classclass=objc_allocateClassPair([GJAlertControllerclass],"UIAlertController",0);

这段代码的美丽与魅力,表达我对这段代码,及其想到这样使用这段代码的人的敬佩当然其实用其他的runtime函数在这里也也可以做相同的事情,具体看我刚刚发的那个老外的链接。

几点说明:

1.为什么要使用汇编?

因为在寻找数据段上OBJC_CLASS$_ClassName标签的时候不支持C、C++、OC等高级语言,只能用汇编。

2.代码中出现的OBJC_CLASS$_UIAlertController与_OBJC_CLASS_UIAlertController有什么关系?

没有任何关系,OBJC_CLASS$_UIAlertController这个是系统中类标签的格式,必须是这样子才可以,而_OBJC_CLASS_UIAlertController只是一个参数名,你叫hellworld也可以(已经测试过可以),大家不要被它俩弄晕了,_OBJC_CLASS_UIAlertController这个写法只是约定俗称的写法,就像我们在GCD中用到的onceToken一样,没多大意义。

3.文中我用了老外一词,给人的感觉像是带有些许轻蔑和嘲讽的口气,我这里正式声明,其实并没有此意,我们应该理解为国外友人,相反,正是他们无私的分享才使得开源具有很大的意义,给人类进步做出了巨大贡献,在这里也对一切做出分享、开源的朋友们加以感谢。

后记

这里可能我表达不是很清晰,我们使用GJAlertController来使得UIAlertController兼容低版本其实是基于Xcode的baseSDK的,就是Xcode编译的SDK,我们要使用UIAlertController,那我们编译的SDK肯定要大于等于iOS8.0,否则都没有UIAlertController这个类,当我们baseSDK的版本大于等于iOS8的时候能够确定有这个类,我们基于这个baseSDK打包出来的app如果运行在低版本中的时候就是有代表UIAlertController这个类的标签,但是没有值,也就是没有类,因为是低于iOS8的系统,这时我们才执行上面说的逻辑,正式由于基于baseSDK,所以编译时不会报警告的。

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