runtime(二)--发消息和消息转发

1. objc方法调用的过程大致分为两步:
  1. 从objc_msgSend()开始,查找方法过程,俗称发消息
  2. 如果方法找不到,则进入消息转发机制
2. objc_msgSend()方法

2.1 这个方法其实有5个变体

方法名 作用
objc_msgSend 一般方法
objc_msgSend_stret 返回结构体类型数据
objc_msgSend_fpret 返回float类型数据
objc_msgSendSuper 父类方法调用
objc_msgSendSuper_stret 父类方法调用,同时返回结构体类型数据

参考:Apple 官方文档

When it encounters a method call, the compiler generates a call to one of the functions objc_msgSend, objc_msgSend_stret, objc_msgSendSuper, or objc_msgSendSuper_stret. Messages sent to an object’s superclass (using the super keyword) are sent using objc_msgSendSuper; other messages are sent using objc_msgSend. Methods that have data structures as return values are sent using objc_msgSendSuper_stret and objc_msgSend_stret.

2.2 配置runtime 源码可运行环境
看了一些博客及官方文档,觉得还是看源码这样更清晰,源码面前无秘密

2.3 消息发送过程,涉及两个方法_class_lookupMethodAndLoadCache3和lookUpImpOrForward

  1. 配置oc运行代码如下:
#import "Test.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Test *test = [Test new];
        [test say]; 
    }
    return 0;
}
  1. 方法的调用堆栈截图如下:


    [test say]方法调用堆栈截图
  2. 可以看到
    1>先走了_objc_msgSend_uncached方法,该方法是一个汇编方法,接下来调用了_class_lookupMethodAndLoadCache3方法,指定不同的initialize,cache,resolver给lookUpImpOrForward方法,所以核心逻辑在lookUpImpOrForward方法里
    (据我断点调试,当再次调用同一个方法时,不管是同一个对象或者新生成一个对象调用,都不会再执行上边过程,所以下述分析只针对方法第一次调用的情况)

IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{
    return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, 
                              YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/);
}

2>lookUpImpOrForward方法的作用就是查找和转发,由名字也可以看出;流程就是就是先找cache,找不到再从类对象、父类对象->元类->根元类中找,找到之后会cache;找到根元类还找不到,就开始消息转发流程

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = nil;
    bool triedResolver = NO;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // Optimistic cache lookup
    if (cache) { //判断是否已缓存,第一次不会走这里
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) return imp;
    }

    // runtimeLock is held during isRealized and isInitialized checking
    // to prevent races against concurrent realization.

    // runtimeLock is held during method search to make
    // method-lookup + cache-fill atomic with respect to method addition.
    // Otherwise, a category could be added but ignored indefinitely because
    // the cache was re-filled with the old value after the cache flush on
    // behalf of the category.

    runtimeLock.read(); //使用了runtime读写锁

    if (!cls->isRealized()) {
        // Drop the read-lock and acquire the write-lock.
        // realizeClass() checks isRealized() again to prevent
        // a race while the lock is down.
        runtimeLock.unlockRead();
        runtimeLock.write();

        realizeClass(cls);  //if块中主要是该方法

        runtimeLock.unlockWrite();
        runtimeLock.read();
    }

    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst)); // 主要是该方法
        runtimeLock.read();
        // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 
        // then the messenger will send +initialize again after this 
        // procedure finishes. Of course, if this is not being called 
        // from the messenger then it won't happen. 2778172
    }

    
 retry:    
    runtimeLock.assertReading();

    // Try this class's cache.

    imp = cache_getImp(cls, sel); //重新尝试cache,推测是因为加了锁的缘故,再次走到这里时,cache中可能已经有了,算是一个优化策略
    if (imp) goto done;

    // Try this class's method lists.  //从类对象中获取找到method,找到之后缓存
    {
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel);
        if (meth) {
            log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, cls);
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
    }

    // Try superclass caches and method lists. // 从父类中找,使用for循环不停向上遍历
    {
        unsigned attempts = unreasonableClassCount();
        for (Class curClass = cls->superclass;
             curClass != nil;
             curClass = curClass->superclass)
        {
            // Halt if there is a cycle in the superclass chain.
            if (--attempts == 0) {
                _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
            }
            
            // Superclass cache.
            imp = cache_getImp(curClass, sel); //跟上方逻辑基本一致,先找cache,再从类对象中找;
            if (imp) {
                if (imp != (IMP)_objc_msgForward_impcache) {
                    // Found the method in a superclass. Cache it in this class.
                    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
                    goto done;
                }
                else {
                    // Found a forward:: entry in a superclass.
                    // Stop searching, but don't cache yet; call method 
                    // resolver for this class first.
                    break;
                }
            }
            
            // Superclass method list.
            Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
            if (meth) {
                log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, curClass);
                imp = meth->imp;
                goto done;
            }
        }
    }

    // No implementation found. Try method resolver once.
   // 上边都找不到,就开始消息转发流程了
  // 1.先进行消息解析,即runtime的两个resolve方法,解析成功的话,再走一遍查找流程
  // 2.解析失败,再执行forward,forward又分两步
  // 2.1 forwardingTargetForSelector交给其他对象去执行
  // 2.2 forwardInvocation将@selector封装成一个NSInvocation对象,作为最后的执行机会
    if (resolver  &&  !triedResolver) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_resolveMethod(cls, sel, inst);
        runtimeLock.read();
        // Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have 
        // changed already. Re-do the search from scratch instead.
        triedResolver = YES;
        goto retry;
    }

    // No implementation found, and method resolver didn't help. 
    // Use forwarding.
   // 开始消息转发
    imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; // 没有找到该方法的源码,要不然消息转发的调用过程我们也可以很清晰了
    cache_fill(cls, sel, imp, inst);

 done:
    runtimeLock.unlockRead();

    return imp;
}

可以用伪代码帮助理解:

// 1. 判断是否要初始化对象
if(!cls->initialized()){
  _class_initialize();
}
// 2. 开始查找
while(cls){
  // 1. 查找缓存 
  imp = cache_getImp();
 // 2. 缓存中没有,找方法列表
  if(!imp){
  Method meth = getMethodNoSuper_nolock();
  if(Method){
    return meth->imp;
  }
  cls = cls->superClass;
  }
}
// 3. 方法没找到,先进行方法解析
Bool flag = _class_resolveMethod(cls, sel, inst);
// 4. 解析失败,转发消息
if(!flag){
  _objc_msgForward_impcache();
}
3. 消息转发机制

由上述方法中可以看到_objc_msgForward_impcache这个IMP开启了消息转发过程,不过该IMP没有实现源码,怎么确定接下来过程呢?
有两个方案:

  1. 用instrumentObjcMessageSends(YES)来打印所有消息到文件中,参考:runtime 拾遗,我测试发现出现崩溃,输出的"/private/tmp/msgSends-进程id"文件是空的,与runtime锁机制有关,暂不知道解决办法,崩溃日志如下;
objc[4492]: lock 0x1008c53c0 (runtimeLock) acquired before 0x1008c5340 (objcMsgLogLock) with no defined lock order
  1. 重写自定义类的resolveClassMethod、forwardingTargetForSelector等方法,然后分别加断点,可以通过调用堆栈来确定流程
    此处我采用第二种方式,得到的结果与第一种方式应该是一样的,重写的代码如下:
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    return NO;
}
-(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    if([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"say"]){ 
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }else{
        return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{ //该方法默认不执行,需要重写methodSignatureForSelector返回指定的方法签名才会进
    [super forwardInvocation:anInvocation];
}
  1. 经过我断点调试,上边方法调用顺序如下:
    resolveInstanceMethod->
    forwardingTargetForSelector->
    methodSignatureForSelector->
    resolveInstanceMethod-> //此处会多一次方法解析,与lookUpImpOrForward里的逻辑有关
    forwardInvocation->
    崩溃
    也就是注明的这张图


    消息转发流程
  2. 附一个resolveInstanceMethod方法第一次调用堆栈:


    resolveInstanceMethod堆栈
3. 消息转发一些理解:
  1. doesNotRecognizeSelector:会在控制台出现是因为当前类没有实现该方法,而基类NSObject forwardInvocation:方法实现中抛出了doesNotRecognizeSelector:异常,可以通过runtime的源码证明
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation {
    [self doesNotRecognizeSelector:(invocation ? [invocation selector] : 0)];
}
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)sel {
    _objc_fatal("-[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p", 
                object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
  1. 防止unrecognized selector崩溃,可以有3种方式:
  • 在resolveInstanceMethod方法中add一个方法实现
  • 在forwardingTargetForSelector方法中转给其他对象实现
  • 在forwardInvocation中转给其他对象实现
  • 还可以重写doesNotRecognizeSelector来实现,原理是:参考上边一条注释,最终调用的当前类的doesNotRecognizeSelector实现,在该实现中不抛出异常就可以了,比如这样
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector{
    NSString *selStr = NSStringFromSelector(aSelector);
    NSLog(@"%@不存在",selStr);
}

参考这篇文章:iOS 消息转发机制Demo解析

  1. 利用消息转发可以实现类似多继承的效果,因为可以将消息转发给其他对象,就像是其他对象成了当前对象的基类一样。

参考:从源代码看 ObjC 中消息的发送

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