iOS底层 -- Runtime之消息机制

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:

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

sel_registerName()是传入方法名，返回SEL，所以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。

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

一、消息发送

在objc-msg-arm64.s中。下面这段汇编代码就是是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：

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。

再搜索一下__objc_msgSend_uncached:

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：

4.在objc-runtime-new.mm这个文件中找到了_class_lookupMethodAndLoadCache3的实现

image.png

方法内部调用lookUpImpOrForward()这个方法，然后我们再查找一下这个方法：

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。

最后总结一下消息发送的流程：

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。

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：

然后我们查看一下_class_resolveMethod()的实现：

代码逻辑判断是类对象还是元类对象，如果是类对象则说明调用的实例方法，则调用类的resolveInstanceMethod:方法，如果是元类对象，则说明是调用的类方法，则调用类的resolveClassMethod:方法。

那下面就用实例来演示一下动态方法解析的过程。
首先创建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，并且打印了经典错误：unrecognized selector sent to instance 0x60400000e3e0。

程序崩溃的原因是，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。

动态方法解析的原理：

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：

/** 
 * 给一个给定的方法名也就是SEL添加方法
 * @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 ：表示返回值和参数类型的字符串，比如"v16@0:8"
*/
class_addMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name, IMP _Nonnull imp,  const char * types)

在Person.m文件中实现了test2方法：

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

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"，imp应该传test2函数的imp。

runtime中获取方法实现相关API：

// 获取一个代表方法的Method
Method class_getInstanceMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name)

// 通过一个Method获取方法的IMP
IMP method_getImplementation(Method _Nonnull m)

最终的代码实现：

+ (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");
}

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。

最后总结一下动态方法解析的流程：

三、消息转发

回到lookUpImpOrForward方法，看一下动态方法解析的过程：

进行动态方法解析结束之后，会从头开始再进行消息发送这一步，如果在动态方法解析的时候有动态添加方法实现，那么就能找到方法实现并返回方法实现，不再执行下面的代码；如果在动态方法解析的时候没有做什么事，那么就不能找到方法实现，这时候由于triedResolver标志位已经置为YES，也就不会再进入动态消息解析，而是会进入消息转发。

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：

然后我们去查找__objc_forward_handler的实现，因为这个函数是不开源的，所以找不到对应的实现。但是通过person test]崩溃时的方法调用栈发现，调用了forwarding进行消息转发。网上有人写了forwarding这个函数的实现的伪代码：

image.png

下面用例子说明一下：
在Person.h中声明了test方法，但是Person.m中并没有去实现。那这个时候用Person对象去调用test方法就会产生崩溃。这个时候在Student.m文件中实现一个test方法，并且在Person.m中通过forwardingTargetForSelector:方法把消息转发对象设置为Student对象:

// 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];
}

因为NSObject类是没有实现test方法的，最终还是报unrecognized selector sent to instance 0x60000001b830这个经典的错误。

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：

image.png

如果在- (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];
}

然后实现- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation这个方法：

Person.m
//方法签名：返回值类型，参数类型
//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。

最后总结一下消息转发的流程：