iOS - 探索objc_msgSend慢速查找流程

上一篇我们分析了objc_msgSend的快速查找方法的流程，我们调用方法实际上就是发送消息，然后首先会到cache中进行查找，也即是快速查找。objc_msgSend 通过汇编快速查找方法缓存 ，如果能找到则调用 TailCallCachedImp 直接将方法缓存起来然后进行调用，如果查找不到就跳到 CheckMiss，然后走慢速查找流程 。这一篇我们接着来分析一下objc_msgSend的慢速查找方法的流程。

一、 checkMiss和jumpMiss

在前面的快速查找流程中，有两个判断是够没有找到的方法，就是checkMiss和jumpMiss。我们先看下他们的源码：

.macro CheckMiss
    // miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP
    cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
    cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
    cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

.macro JumpMiss
.if $0 == GETIMP
    b   LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
    b   __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
    b   __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

如果没有找到方法进入他们的时候，都会执行__objc_msgSend_uncached方法，我们再看下__objc_msgSend_uncached的源码：

    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
    TailCallFunctionPointer x17

    END_ENTRY __objc_msgSend_uncached

非常简单，关键代码就是MethodTableLookup这一行，表示从方法列表中进行查找，我们接着看MethodTableLookup的源码：

.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

    // 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

是不是看着很懵逼？我也是，我们需要过滤下，找出其中的关键代码，从上到下看一遍，是不是发现有一个很可疑的代码：_lookUpImpOrForward，没错，除了它，其它的我们基本不需要看。那我们怎么知道它就是我们要找的关键代码呢？
接下来我们在项目中验证下：
首先创建工程，新建LPPerson类，具体代码如下：

@interface LPPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, strong) NSString *nickName;

- (void)say666;
- (void)sayHello;

@end

@implementation LGPerson
- (void)sayHello{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        LPPerson *person = [LPPerson alloc];
        [person sayHello];
        [person say666];

    }
    return 0;
}

并在[person sayHello];这一行打上断点：

image.png

然后运行，在来到断点后，开启汇编调试【Debug -- Debug worlflow -- 勾选Always show Disassembly】就可以看到下面这样：

image.png

我们在objc_msgSend这一行打上断点，并执行到此断点，按照我们前面说的方法，按住control点击stepInto即可进入objc_msgSend内部：

image.png

同样的方法，在_objc_msgSend_uncached加上断点，并stepInto进去：

image.png

DuangDuang，是不是我们前面找到的关键代码:_lookUpImpOrForward，只不过这里少了个下划线，这是因为汇编和C/C++的语法问题导致：

  • 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

二、lookUpImpOrForward

ok，接下来我们就要重点分析_lookUpImpOrForward它的内部做了做什么了，全局搜索lookUpImpOrForward，记得去掉下划线：

image.png

找到如图所以的地方，lookUpImpOrForward就是一个函数：

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;
}

整个lookUpImpOrForward，我们大体上可以分为4个部分：

  • 1、再次快速查找，防止因为线程的原因，导致查找到这个地方的时候，刚好有了缓存，那么就需要获取缓存并返回
  • 2、获取类信息，这个一步不仅是获取当前的类的信息，还要获取父类，父类的父类等，确保类的继承链，方便我们的方法查找一定是走到最后。主要包括以下几步：

    • 判断当前cls是否是已知类，如果不是，则报错

    • 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

    • 是否初始化，如果没有，则初始化

  • 3、按照继承链循环查找，查找过程中使用二分查找，保证效率。注意for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;)是一个死循环，一直找到nil，如果找到了则存储到cache中，并返回imp，找不到则imp = forward_imp;。
  • 4、判断是否执行过动态方法解析，如果没有，执行动态方法解析，如果执行过一次动态方法解析，则走到消息转发流程。

需要注意的两个地方：

第一、二分查找

二分查找的原理是：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。

具体流程是：

  • 首先进入getMethodNoSuper_nolock：
getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel)
{
    runtimeLock.assertLocked();

    ASSERT(cls->isRealized());
    // fixme nil cls? 
    // fixme nil sel?

    auto const methods = cls->data()->methods();
    for (auto mlists = methods.beginLists(),
              end = methods.endLists();
         mlists != end;
         ++mlists)
    {
        // <rdar://problem/46904873> getMethodNoSuper_nolock is the hottest
        // caller of search_method_list, inlining it turns
        // getMethodNoSuper_nolock into a frame-less function and eliminates
        // any store from this codepath.
        method_t *m = search_method_list_inline(*mlists, sel);
        if (m) return m;
    }

    return nil;
}
  • 然后进入search_method_list_inline：
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 {
        // Linear search of unsorted method list
        for (auto& meth : *mlist) {
            if (meth.name == sel) return &meth;
        }
    }

#if DEBUG
    // sanity-check negative results
    if (mlist->isFixedUp()) {
        for (auto& meth : *mlist) {
            if (meth.name == sel) {
                _objc_fatal("linear search worked when binary search did not");
            }
        }
    }
#endif

    return nil;
}

再进入二分查找的核心代码findMethodInSortedMethodList中：

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; //key 等于 say666
    uint32_t count;
    //base相当于low，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 左移1位即 count/2 = 4）
        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;
}

第二、cache_getImp

cache_getImp方法是通过汇编_cache_getImp实现，传入的$0 是 GETIMP。源码如下：

    STATIC_ENTRY _cache_getImp

    GetClassFromIsa_p16 p0
    CacheLookup GETIMP, _cache_getImp

LGetImpMiss:
    mov p0, #0
    ret

    END_ENTRY _cache_getImp

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。

从前面探索isa中我们知道对象和类的继承链：

  • 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
  • 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

三、消息转发流程

如果在快速查找、慢速查找、方法解析流程中，均没有找到实现，则使用消息转发。lookUpImpOrForward 源码中定义了一个消息转发吗？

IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
    IMP imp = nil;
    ...
}

即_objc_msgForward_impcache，我们查看它的源码：

    STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache

    // No stret specialization.
    b   __objc_msgForward

    END_ENTRY __objc_msgForward_impcache

    
    ENTRY __objc_msgForward

    adrp    x17, __objc_forward_handler@PAGE
    ldr p17, [x17, __objc_forward_handler@PAGEOFF]
    TailCallFunctionPointer x17
    
    END_ENTRY __objc_msgForward

_objc_msgForward_impcache是汇编实现，会跳转至__objc_msgForward，其核心是__objc_forward_handler，全局搜索__objc_forward_handler,搜索不到，去掉一个下划线，继续搜索

image.png

_objc_forward_handler，有如下实现，本质是调用的objc_defaultForwardHandler方法：

__attribute__((noreturn, cold)) void
objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel)
{
    _objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
                "(no message forward handler is installed)", 
                class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? '+' : '-', 
                object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;

噔噔，我们发现了什么？这个报错是不是我们常见的执行未实现方法的时候报的错啊。

觉得不错记得点赞哦！听说看完点赞的人逢考必过，逢奖必中。ღ( ´･ᴗ･` )比心

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