OC底层原理十九：类的加载(下) 本类与分类load区别 & 关联属性

OC底层原理 学习大纲

上一节 ，我们已完整的分析分类的加载过程，知识量较大，需要慢慢消化。

本节进行拓展和补充以下内容：

  1. 本类与分类的+load区别
  2. Category分类与Extension拓展的区别
  3. 关联对象

准备工作:

1. 本类与分类的+load区别

上一节我们的研究都是在本类和分类都实现+Load方法的前提下完成的。 而且attachCategories有多种被调用的路径，具体什么情况走哪条路径，我们不清楚。

现在，我们开始覆盖性测试和探究：（ps: 下面以+load和无区分是否实现+load方法）

  1. 本类+load，分类无
  2. 本类+load，分类+load
  3. 本类无，分类无
  4. 本类无，分类+load
  5. 本类无，分类A无 ，分类B+load

准备阶段

  • main.m文件加入测试代码：
// 本类
@interface HTPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;

- (void)func1;
- (void)func3;
- (void)func2;

+ (void)classFunc;

@end

@implementation HTPerson

+ (void)load { NSLog(@"%s",__func__); };

- (void)func1 { NSLog(@"%s",__func__); };
- (void)func3 { NSLog(@"%s",__func__); };
- (void)func2 { NSLog(@"%s",__func__); };

+ (void)classFunc { NSLog(@"%s",__func__); };

@end

// 分类 CatA
@interface HTPerson (CatA)

@property (nonatomic, copy) NSString *catA_name;
@property (nonatomic, assign) int catA_age;

- (void)func1;
- (void)func3;
- (void)func2;

+ (void)classFunc;

@end

@implementation HTPerson (CatA)

+ (void)load { NSLog(@"%s",__func__); };

- (void)func1 { NSLog(@"%s",__func__); };
- (void)func3 { NSLog(@"%s",__func__); };
- (void)func2 { NSLog(@"%s",__func__); };

+ (void)classFunc { NSLog(@"%s",__func__); };

@end

// 分类 CatB
@interface HTPerson (CatB)

@property (nonatomic, copy) NSString *catB_name;
@property (nonatomic, assign) int catB_age;

- (void)func1;
- (void)func3;
- (void)func2;

+ (void)classFunc;

@end

@implementation HTPerson (CatB)

+ (void)load { NSLog(@"%s",__func__); };

- (void)func1 { NSLog(@"%s",__func__); };
- (void)func3 { NSLog(@"%s",__func__); };
- (void)func2 { NSLog(@"%s",__func__); };

+ (void)classFunc { NSLog(@"%s",__func__); };

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        HTPerson * person = [HTPerson alloc];
        [person func1];
    }
    return 0;
}

我们在readClass 和 attachCategories两个函数内部加入定位的测试代码，并在printf一行加入断点（确保当前观察的使我们的HTPerson类)：

  // >>>> 测试代码
    const char *mangledName = cls->mangledName();
    const char * HTPersonName = "HTPerson";
    if (strcmp(HTPersonName, mangledName) == 0 ) {
        auto ht_ro = (const class_ro_t *)cls->data();
        auto ht_isMeta = ht_ro->flags & RO_META;
        if (!ht_isMeta) {
            printf("%s - 精准定位: %s\n", __func__, mangledName);
        }
    }
    // <<<< 测试代码
  • readClass加入测试代码和断点
readClass加入测试代码和断点
  • attachCategories加入测试代码和断点
attachCategories加入测试代码和断点
  • 在HTPerosn首次调用处加上断点:
image.png

准备工作完成后，我们可以开始探索了：

1.1 本类+load，分类无

测试配置： 保留HPPerson类的+load，注释掉CatA和CatB分类的+load方法

  • 运行代码，进入了readClass处：
image.png

提取信息如下：

  1. 路径： 是map_images调用的
  2. ro函数列表：此时ro读取的是macho中的值，ro中已包含本类和所有函数信息（14个）。
  3. 函数排序： 分类的函数不会覆盖本类的同名函数，而是后加载的分类函数排序在先加载的分类和本类前面。
  • 放开断点，继续运行，发现没有进入attachCategories内部。

结论：【本类+load，分类无】的情况：数据在编译层就已经加入到data中。

1.2. 本类+load，分类+load

测试配置： 保留HPPerson类、CatA和CatB分类的+load方法

  • 运行代码，进入了readClass处：
image.png

提取信息如下：

  1. 路径： 是map_images调用的
  2. ro函数列表：此时ro读取的是macho中的值，ro中仅有HTPerosn本类函数信息(8个)。

继续运行代码，进入attachCategories处：

image.png

attachLists拓展：

此处可观察到attachLists的加载顺序，验证上一节对attachLists的分析

  • 我们在attachLists加入三个断点，检查排序。

  • 运行代码，发现第一次是从extAllocIfNeeded初始化rwe时进入，从macho中只存储了本类信息，由于当前是首次创建，所以attachLists走的是0->1的流程，是直接将addLists[0]赋值给了list

    image.png

  • 继续运行代码，发现是本类的属性进入attachLists的0->1：

    image.png

  • 继续运行代码，发现CatA函数进入attachLists的1->多：
    （可以看到oldList是HTPerson本类的8个函数，addedLists是CatA分类的3个函数）

    image.png

  • 继续运行代码，发现CatA属性进入attachLists的1->多：

image.png
  • 继续运行代码，发现本类的元类函数（类方法）进入attachLists的0->1：
image.png
  • 继续运行代码，发现CatA的元类函数（类方法）进入attachLists的1->多：
image.png
  • 继续运行代码，又回到了attachCategories处，我们继续运行代码，进入CatB函数进入attachLists的多->更多:
image.png

  • 继续运行代码，发现CatB属性进入attachLists的多->更多：

    image.png

  • 继续运行代码，发现CatB的元类函数（类方法）进入attachLists的多->更多：

    image.png

总结：


image.png

1.3. 本类无，分类无

测试配置： 注释HPPerson类、CatA和CatB分类的+load方法

  • 运行代码，进入了readClass处：
image.png

此时在map_images阶段，macho中记录了本类和所有分类的数据。

  • 继续运行代码，没有进入attachCategories中。

1.4. 本类无，分类+load

测试配置： 注释HPPerson类的+load方法、保留CatA和CatB分类的+load方法

  • 运行代码，进入了readClass处：
image.png
  • 继续运行代码，进入了attachCategories处，在attachLists加入三个断点，继续运行，发现attachLists中0->1加载了HTPerosn本类函数
image.png
  • 继续运行代码，发现attachLists中0->1加载了HTPerosn本类属性
image.png
  • 继续运行代码，发现进入了attachLists中`1->多：
image.png

💣 注意： 此时addedCount为2，表示当前需要添加的列表有2个元素。并不是只有CatB分类。我们打印 addedLists[0] 和addedLists[1]，就找到了CatA和CatB两个分类

Q: 为什么本类没有+load方法，只实现分类+load方法，也在app启动前加载出来了呢？

A: 我们查看左边堆栈，load_images调用了prepare_load_methods：

image.png

  • 而prepare_load_methods中会检查有没有非懒加载的分类，如果有就执行下面的循环。
    循环中在add_category_to_loadable_list加载分类前，会执行realizeClassWithoutSwift先检查本类是否实现。
image.png

1.5 本类无，分类A无 ，分类B+load

测试配置： 注释HPPerson类和CatA分类的+load方法，保留CatB分类的+load方法

  • 运行代码，进入了readClass处：
image.png
  • 发现ro中加载好了本类和2个分类的所有数据(14个函数），没有再进入attachCategories了。

本类无，分类A+load ，分类B无 的结果与这个一样

总结：本类和分类的+load区别：

image.png

2. Category分类与Extension拓展的区别

2.1 Category：类别，分类

  • 专门用来给类添加新的方法
  • 不能给类添加成员属性，添加了也取不到。
  • 分类中用@property定义的变量，只会生成变量的 getter和setter方法，不能生成方法实现和带下划线的成员变量。
  • 成员属性不可添加：
@interface HTPerson(CatA) {
    NSString * catA_name; // 不可这样添加
}
  • @property属性可添加：
@interface HTPerson(CatA)
@property (nonatomic, copy) NSString *prop_name;
@end

编译器可读取到名称。表示有getter和setter方法的声明。

  • 运行后会crash。是因为没有实现和带下划线的成员变量。
    image.png

2.2 Extension：类拓展

  • 可以说成是特殊的分类，已称作匿名分类
  • 可以给类添加成员属性、属性、方法，但都是私有的

拓展必须添加在@interface声明和@implementation实现之间：

image.png

  • Extension拓展与@interface声明是一样的作用，但是Extension拓展中的成员变量、属性、方法都是私有的。
  • 可以通过clang，查看编译结果进行验证。Extension类拓展的下划线成员变量、函数等，都直接加入了本类的相关位置，完成相应实现。

Q: Category中的属性如何用runtime实现？

  • A: 在属性的get和set方法实现内，动态添加关联对象：
// CatA分类
#import <objc/runtime.h>
// 本类
@interface HTPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation HTPerson
@end

// CatA分类
@interface HTPerson (CatA)
@property (nonatomic, copy) NSString *catA_name; // 属性
@end

@implementation HTPerson(CatA)

- (void)setCatA_name:(NSString *)catA_name { // 给属性`catA_name`，动态添加set方法
    objc_setAssociatedObject(self, "catA_name", catA_name, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}

- (NSString *)catA_name { // 给属性`catA_name`，动态添加get方法
    return objc_getAssociatedObject(self, "catA_name");
}
@end

参数解读：

  • 动态设置关联属性： objc_setAssociatedObject(关联对象，关联属性key，关联属性value，策略)
  • 动态读取关联属性：objc_getAssociatedObject(关联对象，关联属性key)

3. 关联对象

  • 点击进入objc_setAssociatedObject:
image.png
  • 点击进入get():
image.png
  • 看不懂是什么...， get()看不懂，那我们往看看它的调用者：SetAssocHook
image.png
  • 我们查看结构，发现它就是嵌套了一层objc_hook_setAssociatedObject的方法。调用get()，就是读取内容。所以：
SetAssocHook.get()(object, key, value, policy);

可以直接写成

_base_objc_setAssociatedObject(object, key, value, policy);
  • 我们进入_base_objc_setAssociatedObject：
image.png

加入断点，验证一下，确实是给HTPerson属性完成了赋值

image.png

  • 进入_object_set_associative_reference：

    image.png

  • 在分析关联对象的写入操作前，我们先回顾一下本类的正常属性的写入操作：

3.1 回顾本类正常属性写入操作：

  • cd到main.m文件夹，clang -rewrite-objc main.mm -o main.cpp编译一份cpp文件，打开main.cpp文件，搜索HTPerson，找到属性name的set方法：

    image.png

  • 发现常规是调用objc_setProperty完成set方法，我们在源码中检查objc_setProperty的实现：

image.png
  • 进入reallySetProperty：
image.png
  • 主要流程：1. 通过地址读取属性 -> 2.新值retain -> 3.属性赋值 -> 4.旧值release

熟悉了常规属性的写入流程。 现在我们来对比关联对象的写入操作：

3.2 关联对象写入操作：

我们回到_object_set_associative_reference流程：

3.2.1 记录数据
  • DisguisedPtr和ObjcAssociation分别对入参object、policy和value进行了包装。
  • 查看DisguisedPtr结构，只有一个value。 所以实际是将入参object对象给到DisguisedPtr对象的value，包装记录一下。
image.png
  • 查看ObjcAssociation结构，只有_policy和_value。 所以实际是将入参policy策略和value新值给到ObjcAssociation对象，包装记录一下。
image.png
3.2.2 新值retain
  • 接下来查看acquireValue()，发现是完成了新值的retain:
image.png
3.2.3 赋值或释放
  • 接下来到了核心执行环节
1. 创建管理对象 & hashMap
   AssociationsManager manager;
image.png

Q: 这样真的创建了对象吗？

  • 我们创建HTObjc进行测试，打印结果显示，确实是构造和析构函数：
    image.png
  • AssociationsManager结构中，manager只是对外代言人，并不是唯一的，AssociationsHashMap才是唯一的。

1. 运行验证：
移除锁，这样可以同时存在2个manager了。

image.png

  • 加入测试代码，创建2个manager，都调用get()，发现2个读取的associations是相同地址。
  • 证明AssociationsHashMap在内存中是独一份的，而manager只是外层包装，可以创建多个。
    image.png

2. 代码结构分析：

  • 进入get()，发现是调用的_storage：

    image.png

  • 返回查看_storage，发现是static静态声明。所以AssociationsHashMap确实是内存中独一份。

    image.png

2 关联值value是否存在

2.1 value存在（赋值）

  • 返回结构如下：


    image.png

  • try_emplace创建空ObjectAssociationMap去取查询的键值对

  • 进入try_emplace查看源码：(不管是否存在，都会返回true)

    image.png

运行代码。断点查询，发现没有这个key就插入一个空的BucketT进去并返回true

  • 进入LookupBucketFor，发现有两个同名方法，是重载方法，唯一区别是第二个入参的是否有const

    image.png

  • 我们观察外部try_emplace源码，入参TheBucket是没有const声明的，所以进入的是第二个LookupBucketFor:

    image.png

  • 回到第一个LookupBucketFor，循环查找key对应的buckets:

    image.png

  • 通过setHasAssociatedObjects标记对象存在关联对象

image.png
  • 查看setHasAssociatedObjects:
image.png

Q：请问关联对象是否需要手动释放？
A：指针优化的isa中的has_assoc记录了是否有关联属性，在析构函数触发时，会检查是否有关联属性并主动释放。

image.png
  • 查看hasAssociatedObjects：
    image.png

  • 继续往下执行，我们在第二次try_emplace前后检查refs:

  • 第二次try_emplace前：插入的Bucktes是空桶，所以还没值:

    image.png

  • 第二次try_emplace后：插入的Bucktes已经有值了:

    image.png

  • 往下走，到达association.swap(result.first->second)时，我们用当前policy策略和value值组成了一个ObjcAssociation替换原来BucketT中的空:

image.png
  • 观察内容，此时赋值操作已完成。
2.2 value不存在（移除）:

  • 首先，寻找类对：

    image.png

  • 查看find内部：找到了返回buckets，没找到返回end()。

image.png
  • 先找到类对，再找到当前类的关联属性对，将当前关联属性对质空，buckets计数更新
    image.png
3.2.4 旧值release
  • 接下来查看releaseHeldValue()，发现是完成了旧值的retain:
image.png

小总结：

  • AssociationsHashMap内有多个类对key-value结构，而每个类对应的value,又包含多个关联属性对key-value结构。
  • 所以我们不管插入还是移除，都是先通过类信息找到相应的类对，再从类对的value中，通过关联属性key找到对应的关联属性，进行相应操作。

其中复杂的DisguisedPtr和ObjcAssociation结构，都只是类和关联属性信息的一层包装，负责记录信息并统计计数而已。

至此，我们对类的加载，分类和拓展、关联属性，都已经非常熟悉了。

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