iOS-底层原理11：消息流程分析之慢速查找

在上一篇文章iOS-底层原理10：消息流程分析之快速查找 中，分析了消息快速查找流程，如果快速查不到，则需要进入慢速查找流程，本文将对此进行分析。

objc_msgSend 慢速查找流程分析

1. 慢速查找-汇编部分

在快速查找流程中，如果没有找到方法实现，无论是走到CheckMiss还是JumpMiss，最终都会走到__objc_msgSend_uncached汇编函数

step1: 在objc-msg-arm64.s文件中查找__objc_msgSend_uncached的汇编实现

STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves

// THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
// Out-of-band p16 is the class to search
    
MethodTableLookup // 开始查询方法列表
TailCallFunctionPointer x17

END_ENTRY __objc_msgSend_uncached

其中的核心是MethodTableLookup（即查询方法列表）

step2: 搜索MethodTableLookup的汇编实现

.macro MethodTableLookup
    
    // push frame
    SignLR
    stp fp, lr, [sp, #-16]!
    mov fp, sp

    // save parameter registers: x0..x8, q0..q7
    sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
    stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    str x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    mov x2, x16
    mov x3, #3
    bl  _lookUpImpOrForward //核心源码

    // IMP in x0
    mov x17, x0
    
    // restore registers and return
    ldp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    ldp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    ldp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    ldp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    ldp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    ldp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    ldp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    ldp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    ldr x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    mov sp, fp
    ldp fp, lr, [sp], #16
    AuthenticateLR

.endmacro

其中的核心是_lookUpImpOrForward

2. 验证

上述汇编流程可以通过汇编调试来验证

step1: 在main函数中，例如[person instanceMethod1]对象方法调用处加一个断点，运行程序

截屏2020-11-30 下午3.14.56.png

step2: 开启汇编调试【Debug -- Debug worlflow -- 勾选Always show Disassembly】

step3: 自动跳转到汇编代码，在objc_msgSend处加一个断点并运行到断点处

step4: 按住control + stepinto，进入objc_msgSend的汇编，运行到_objc_msgSend_uncached

step5: 按住control + stepinto，运行到lookUpImpOrForward

从上可以看出lookUpImpOrForward，此时并不是汇编实现，它的实现在objc-runtime-new.mm文件中

注：

1、C/C++中调用 汇编 ，去查找汇编时，C/C++调用的方法需要多加一个下划线
2、汇编 中调用 C/C++方法时，去查找C/C++方法，需要将汇编调用的方法去掉一个下划线

3. 慢速查找- C/C++部分

在上面得知lookUpImpOrForward 是在objc-runtime-new.mm文件中实现的，就在这个文件中搜索lookUpImpOrForward找到了源码实现，这是一个c实现的函数

IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    // 定义的消息转发
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 
    IMP imp = nil;
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 快速查找，如果找到则直接返回imp
    //目的：防止多线程操作时，刚好调用函数，此时缓存进来了
    if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) { 
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) goto done_nolock;
    }
    
    //加锁，目的是保证读取的线程安全
    runtimeLock.lock();
    
    //判断是否是一个已知的类：判断当前类是否是已经被认可的类，即已经加载的类
    checkIsKnownClass(cls); 
    
    //判断类是否实现，如果没有，需要先实现，此时的目的是为了确定父类链，方法后续的循环
    if (slowpath(!cls->isRealized())) { 
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }

    //判断类是否初始化，如果没有，需要先初始化
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) { 
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

    runtimeLock.assertLocked();
    curClass = cls;

    //----查找类的缓存
    
    // unreasonableClassCount -- 表示类的迭代的上限
    //（猜测这里递归的原因是attempts在第一次循环时作了减一操作，然后再次循环时,仍在上限的范围内，所以可以继续递归）
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) { 
        //---当前类方法列表（采用二分查找算法），如果找到，则返回，将方法缓存到cache中
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
        //当前类 = 当前类的父类，并判断父类是否为nil
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //--未找到方法实现，方法解析器也不行，使用转发
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        // 如果父类链中存在循环，则停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // --父类缓存
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) { 
            // 如果在父类中找到了forward，则停止查找，且不缓存，首先调用此类的方法解析器
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            //如果在父类中，找到了此方法，将其存储到cache中
            goto done;
        }
    }

    //没有找到方法实现，尝试一次方法解析

    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //动态方法决议的控制条件，表示流程只走一次
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

 done:
    //存储到缓存
    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); 
    //解锁
    runtimeLock.unlock();
 done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;
}

将lookUpImpOrForward函数代码一行行分解

3.1 初始化
// 定义的消息转发
const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 
IMP imp = nil;
Class curClass;

问题：forward_imp是什么？

对应的流程图:


解答: forward_imp 就是未找到imp的函数实现

3.2 cache缓存中进行查找，即快速查找 
// 快速查找，如果找到则直接返回imp
//目的：防止多线程操作时，刚好调用函数，此时缓存进来了
if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) { 
    imp = cache_getImp(cls, sel);
    if (imp) goto done_nolock;
}

//behavior = 3，LOOKUP_NIL=8
done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;

主要目的：

  • 可能多个线程都在执行objc_msgSend任务，在你第一次高速查找未找到时，可能其他线程已将cls的sel和imp写入了cls的缓存。

问题：第一次进来会执行快速查找吗？
解答:
我们先看下方法调用时传进来的参数

因为LOOKUP_CACHE = 4， behavior = 3，二进制得出 behavior & LOOKUP_CACHE = 0，if判断条件不成立，所以第一次不会执行快速查找

初次进入lookUpImpOrForward是从缓存进入的，所以没必要再在缓存中进行查询，但是后续再次进入时，控制入参behavior的值，会触发cache_getImp缓存查询

3.3 判断cls
3.3.1 是否是已知类，如果不是，则报错 
checkIsKnownClass(cls);
3.3.2 类是否实现，如果没有，则需要先实现，确定其父类链，此时实例化的目的是为了确定父类链、ro、以及rw等，方法后续数据的读取以及查找的循环
if (slowpath(!cls->isRealized())) { 
   cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
}
3.3.3 是否初始化，如果没有，则初始化
//判断类是否初始化，如果没有，需要先初始化
if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) { 
   cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
}
3.4 for循环，按照类继承链 或者 元类继承链的顺序查找
// unreasonableClassCount -- 表示类的迭代的上限
    //（猜测这里递归的原因是attempts在第一次循环时作了减一操作，然后再次循环时,仍在上限的范围内，所以可以继续递归）
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) { 
        //---当前类方法列表（采用二分查找算法），如果找到，则返回，将方法缓存到cache中
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
        //当前类 = 当前类的父类，并判断父类是否为nil
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //--未找到方法实现，方法解析器也不行，使用转发
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        // 如果父类链中存在循环，则停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // --父类缓存
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) { 
            // 如果在父类中找到了forward，则停止查找，且不缓存，首先调用此类的方法解析器
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            //如果在父类中，找到了此方法，将其存储到cache中
            goto done;
        }
    }

part1 当前cls的方法列表中使用二分查找算法查找方法，如果找到，则进入cache写入流程，并返回imp，如果没有找到，则返回nil

part2 当前cls被赋值为父类，如果父类等于nil，则imp = 消息转发，并终止递归，进入step4

part3 如果父类链中存在循环，则报错，终止循环

part4 父类缓存中查找方法：如果imp == forward_imp，跳出循环；如果找到，则直接返回imp，执行cache写入流程；如果未找到，则直接返回nil，继续循环查找。

3.5 判断是否执行过动态方法解析 
//没有找到方法实现，尝试一次方法解析
//// behavior 默认为3, LOOKUP_RESOLVER为2
if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
//动态方法决议的控制条件，表示流程只走一次
   behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; // behavior取LOOKUP_RESOLVER的反
   return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
}
  • 首次进入:behavior=3, LOOKUP_RESOLVER = 2， behavior & LOOKUP_RESOLVER = 2 （二进制计算）, if条件成立。
  • behavior取LOOKUP_RESOLVER的反，LOOKUP_RESOLVER & LOOKUP_RESOLVER的反 = 0。
  • 所以这个补救机会，只会进入一次。

慢速查找对应的流程图如下:

上面慢速查找整体流程梳理了一遍，下面重点讲解一下二分查找

getMethodNoSuper_nolock方法：二分查找方法列表

step1: getMethodNoSuper_nolock函数源码

static method_t *
getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel)
{
    auto const methods = cls->data()->methods();
    // 二分查找
    // 在 objc_object 的 class_rw_t *data() 的 methods 。
    // beginLists : 第一个方法的指针地址。
    // endLists : 最后一个方法的指针地址。
    // 每次遍历后向后移动一位地址。
    for (auto mlists = methods.beginLists(),
              end = methods.endLists();
         mlists != end;
         ++mlists)
    {
        // 对 `sel` 参数和 `method_t` 做匹配，如果匹配上则返回。
        method_t *m = search_method_list_inline(*mlists, sel);
        if (m) return m;
    }

    return nil;
}

step2: search_method_list_inline函数源码

// 根据传入的 SEL，查找对应的 method_t 结构体
ALWAYS_INLINE static method_t *
search_method_list_inline(const method_list_t *mlist, SEL sel)
{
    int methodListIsFixedUp = mlist->isFixedUp();
    int methodListHasExpectedSize = mlist->entsize() == sizeof(method_t);
    
    if (fastpath(methodListIsFixedUp && methodListHasExpectedSize)) {
        return findMethodInSortedMethodList(sel, mlist);
    } else {
        for (auto& meth : *mlist) {
            // SEL 本质上就是字符串，查找的过程就是进行字符串对比
            if (meth.name == sel) return &meth;
        }
    }

    return nil;
}

step3: 二分查找核心代码

二分查找前提是排序

ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
    ASSERT(list);

    const method_t * const first = &list->first;
    const method_t *base = first;
    const method_t *probe;
    uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key; 
    uint32_t count;
    //base相当于min，count是max，probe是middle，这就是二分
    for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
        //从首地址+下标 --> 移动到中间位置（count >> 1 右移1位即 count/2 ）
        probe = base + (count >> 1); 
        
        uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name;
        
        //如果查找的key的keyvalue等于中间位置（probe）的probeValue，则直接返回中间位置
        if (keyValue == probeValue) { 
            // -- while 平移 -- 排除分类重名方法
            while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) {
                //排除分类重名方法（方法的存储是先存储类方法，在存储分类---按照先进后出的原则，分类方法最先出，而我们要取的类方法，所以需要先排除分类方法）
                //如果是两个分类，就看谁先进行加载
                probe--;
            }
            return (method_t *)probe;
        }
        
        //如果keyValue 大于 probeValue，就往probe即中间位置的右边查找
        if (keyValue > probeValue) { 
            base = probe + 1;
            count--;
        }
    }
    
    return nil;
}

算法原理简述为：从第一次查找开始，每次都取中间位置，与想查找的key的value值作比较，如果相等，则需要排除分类方法，然后将查询到的位置的方法实现返回，如果不相等，则需要继续二分查找，如果循环至count = 0还是没有找到，则直接返回nil，如下所示：

cache_getImp方法：父类缓存查找

cache_getImp方法是通过汇编_cache_getImp实现，传入的$0 是 GETIMP，如下所示

父类缓存查找

  • 如果父类缓存中找到了方法实现，则跳转至CacheHit即命中，则直接返回imp

  • 如果在父类缓存中，没有找到方法实现，则跳转至CheckMiss 或者JumpMiss，通过判断$0 跳转至LGetImpMiss，直接返回nil。

【总结】

* 对于对象方法（即实例方法），即在类中查找，其慢速查找的父类链是：类 --> 父类 --> 根类 --> nil

* 对于类方法，即在元类中查找，其慢速查找的父类链是：元类 --> 根元类 --> 根类 --> nil

* 如果快速查找、慢速查找也没有找到方法实现，则尝试动态方法决议

* 如果动态方法决议仍然没有找到，则进行消息转发

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