初识objc_msgSend

动态绑定(Dynamic Binding)

在面向对象语言中,大家最常干的一件事就是调用一个对象的方法。在OC的术语中,此过程被称为“发送消息”。一条消息,它拥有名字,亦或称之为“选择器”,它接受参数,并且还会有返回值。

因为OC是C的一个超集,可以先理解在C中函数是如何被调用的,在此基础之上会更容易理解OC中的消息发送。先看一个例子:

void printHello() {
  printf("Hello, world!\n");
}
void printGoodbye() {
  printf("Goodbye, world!\n");
}
void doTheThing(int type) {
  if (type == 0) {
    printHello();
  } else {
    printGoodbye();
  }
  return 0;
}

此上这种函数调用的方法被称为“静态绑定”(static binding)。何为“静态”。它表明在程序编译阶段,编译器已经知道哪个函数会被调用。当以上代码被编译的时候,编译器已经知道了printHello函数同printGoodbye函数,并且编译器会发出指令来直接调用这两个函数。这两个函数的地址被硬编码进指令中。

再来看一个例子:

void printHello() {
  printf("Hello, world!\n");
}
void printGoodbye() {
  printf("Goodbye, world!\n");
}
void doTheThing(int type) {
  void (*fnc)();
  if (type == 0) {
    fnc = printHello;
  } else {
    fnc = printGoodbye;
  }
  fnc();
  return 0;
}

此种函数调用的策略,被称为“动态绑定”。何为“动态”(dynamic binding)?只有在程序运行的时候,才能准确地知道哪个函数被调用。以上两段代码在编译阶段生成的指令是不一样的。在第一段代码中,在if和else中都出现了函数调用;而在第二段代码中,函数调用只出现了一次,但是只有在运行阶段,才能得知调用的到底是printHello函数还是printGoodbye函数。

OC中的消息发送

在OC中,消息发送会引起底层的函数调用,采取的策略就是动态绑定。在OC这层光鲜亮丽的建筑之下,所有的方法皆是朴实无华的C函数。至于究竟是哪个C函数会被调用,这完全是在运行时被决定的,这些函数甚至可以在你APP运行的时候被改变。因此,我们称Objective-C是一门完全动态的语言。

一则消息的结构如下:

id returnValue = [someObject messageName:parameter];

someObject被视作消息接收方,messageName是一个选择器。选择器加上参数就被称为“消息”。当编译器看见这则消息的时候,它会将其转化成一个标准的C函数:

void objc_msgSend(id self, SEL cmd, ...)

objc_msgSend函数接收两个或者两个以上的参数,第一个参数是消息的接收方,第二个参数是选择器(SEL是选择器的类型,就像int是一个数的类型一样),剩下的参数视发送的消息的情况而定。一个选择器是一个名字,该名字🈶指明了一个方法。上一句消息发送的代码会被转换成如下C函数:

id returnValue = objc_msgSend(someObject, @selector(messageName:), parameter);

那么objc_msgSend函数怎么样才能调用到正确的方法呢?这就决定于消息的接收方和选择器了。为简单模型,先只考虑消息的接收方是一个类的对象,该类维护了一个列表,在这个列表中存放的是方法的具体实现。为了保证方法的正确调用,objc_msgSend会去查看消息接收方的这个列表,并且去寻找匹配选择器的方法。如果找到了,就跳转到方法的实现代码块;如果没有找到,就沿着继承链向上查找。如果没有找到匹配的方法,就会转如Message Forwarding(这个术语以及它牵扯出的runtime知识笔者会在下篇文章中讨论)。

在这整个过程中,决定哪个方法被调用似乎成本很高,因为看上去有很多的工作要做。但OC的runtime机制是聪明的,objc_msgSend会将结果缓存在一张高效率的哈希表中,每一个类都拥有这样的一张表,因此同一个类在接收到新的消息后,执行效率并不低。但是,这种聪明的方法只是在“慢”的基础上让它不那么“慢”,当然还是没有静态绑定的函数调用快速的。

OC对象的任一方法都可以看作是一个简单的C函数:

<return_type> Class_selector(id self, SEL _cmd, ...)

它真实的样子并不长这样,这样写是为了便于理解。每个类都维护了一个表格,“键”就是选择器,“值”就是一个函数指针。这就是objc_msgSend能正确调用函数的秘诀。

尾优化(Tailing-Call Optimization)

当一个函数执行到最后的时候,最后一条语句是调用另一个函数,且被调用函数的返回值并不对原函数程序产生任何的影响,在此种情况下,栈的工作情况如下:栈顶元素弹出,即原函数的栈空间被回收,被调用函数的栈空间压入栈中。而不是我们认为的那样:原函数的栈空间依然被保存,被调用函数的栈空间压入栈中。

可以假想一下,如果没有这种优化策略,在每次调用一个OC对象的方法之前,栈空间上都会出现objc_msgSend函数的栈空间,同事不要忘记,objc_msgSend还有很多朋友们,它们之间相辅相成,这样的话,会导致栈空间过早地溢出。


译文原作:《Effective Objective-C 2.0》Item11
译作者:WishQi

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