iOS 底层学习16

前言

iOS 底层第16天的学习。接着 15天学习的内容。分析 category 是如何加载到 class 里的。

category 探索

  • 我们回到 realizeClassWithoutSwift 
static Class realizeClassWithoutSwift(Class cls, Class previously) {
    // ...
    // Attach categories
    methodizeClass(cls, previously);
    // ...
}
  • 进入 methodizeClass 
static void methodizeClass(Class cls, Class previously)
{
    runtimeLock.assertLocked();

    bool isMeta = cls->isMetaClass();
    auto rw = cls->data();
    auto ro = rw->ro();
    auto rwe = rw->ext();
 
   // ... 
    // Install methods and properties that the class implements itself.
    method_list_t *list = ro->baseMethods();
    if (list) {
        prepareMethodLists(cls, &list, 1, YES, isBundleClass(cls), nullptr);
        if (rwe) rwe->methods.attachLists(&list, 1); 
    }
  // ....
  • if (rwe) 有值 rwe 就会 methods.attachLists ，进去反推 rwe = rw->ext(),那 ext() 在哪里实现的？
  • 进入 ext() 
   class_rw_ext_t *ext() const {
        return get_ro_or_rwe().dyn_cast<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext);
   }
  • 搜索class_rw_ext_t 
  class_rw_ext_t *extAllocIfNeeded() {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (fastpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext);
        } else {
            return extAlloc(v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext));
        }
   }
  • 找到 extAllocIfNeeded ，全局搜索 extAllocIfNeeded 
attachCategories(Class cls, const locstamped_category_t *cats_list, uint32_t cats_count,
                 int flags)
{
    // ...
    uint32_t mcount = 0;
    uint32_t propcount = 0;
    uint32_t protocount = 0;
    bool fromBundle = NO;
    bool isMeta = (flags & ATTACH_METACLASS);
    auto rwe = cls->data()->extAllocIfNeeded();
    // ...

}
  • 发现在 attachCategories 里有对 extAllocIfNeeded 进行调用
  • 全局搜索 attachCategories ， 发现有2个地方调用了 attachCategories
  • 第一处： attachToClass 
 void attachToClass(Class cls, Class previously, int flags)
    {
       // ...
        auto &map = get();
        auto it = map.find(previously);

        if (it != map.end()) {
            category_list &list = it->second;
            if (flags & ATTACH_CLASS_AND_METACLASS) {
                int otherFlags = flags & ~ATTACH_CLASS_AND_METACLASS;
                attachCategories(cls, list.array(), list.count(), otherFlags | ATTACH_CLASS);
                attachCategories(cls->ISA(), list.array(), list.count(), otherFlags | ATTACH_METACLASS);
            } else {
                attachCategories(cls, list.array(), list.count(), flags);
            }
            map.erase(it);
        }
    }
  • 第二处： load_categories_nolock 
static void load_categories_nolock(header_info *hi) {
    size_t count;
     auto processCatlist = [&](category_t * const *catlist) {
         for (unsigned i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[I];
            Class cls = remapClass(cat->cls);
            locstamped_category_t lc{cat, hi};
                   // ...
                   if (cat->classMethods  ||  cat->protocols
                    ||  (hasClassProperties && cat->_classProperties))
                    {
                    if (cls->ISA()->isRealized()) {
                      // 调用了
                        attachCategories(cls->ISA(), &lc, 1, ATTACH_EXISTING | ATTACH_METACLASS);
                    } else {
                        objc::unattachedCategories.addForClass(lc, cls->ISA());
                    }
                }
            }
     }
    processCatlist(hi->catlist(&count));
    processCatlist(hi->catlist2(&count));
}
  • 先从 attachToClass 进行推导，全局搜索 attachToClass 
static void methodizeClass(Class cls, Class previously)
{
 bool isMeta = cls->isMetaClass();
    auto rw = cls->data();
    auto ro = rw->ro();
    auto rwe = rw->ext();
    // Install methods and properties that the class implements itself.
    method_list_t *list = ro->baseMethods();
    if (list) {
        prepareMethodLists(cls, &list, 1, YES, isBundleClass(cls), nullptr);
        if (rwe) rwe->methods.attachLists(&list, 1);
    }
  // ... 省略部分代码
   objc::unattachedCategories.attachToClass(cls, cls,
                                             isMeta ? ATTACH_METACLASS : ATTACH_CLASS);

}
  • 最后发现又回到了 methodizeClass
  • 正向流程应该是： realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass-> attachToClass -> attachCategories
  • 然后这个 attachCategories 内部到底做了哪些事情呢？我们继续进行分析

attachCategories

  • 进入 attachCategories 
attachCategories(Class cls, const locstamped_category_t *cats_list, uint32_t cats_count,
                 int flags)
{
    // ...
    uint32_t mcount = 0;
    uint32_t propcount = 0;
    uint32_t protocount = 0;
    bool fromBundle = NO;
    bool isMeta = (flags & ATTACH_METACLASS);
    auto rwe = cls->data()->extAllocIfNeeded();
   // ...
   if (mcount > 0) {
        // 方法的排序
        prepareMethodLists(cls, mlists + ATTACH_BUFSIZ - mcount, mcount,
                           NO, fromBundle, __func__);
        //  方法的添加
        rwe->methods.attachLists(mlists + ATTACH_BUFSIZ - mcount, mcount);
        if (flags & ATTACH_EXISTING) {
            flushCaches(cls, __func__, [](Class c){
                // constant caches have been dealt with in prepareMethodLists
                // if the class still is constant here, it's fine to keep
                return !c->cache.isConstantOptimizedCache();
            });
        }
    }
// . ..

}
  • 进入 methods.attachLists 进行分析
void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
        if (addedCount == 0) return;

        if (hasArray()) {
            // many lists -> many lists
            uint32_t oldCount = array()->count;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            array_t *newArray = (array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount));
            newArray->count = newCount;
            array()->count = newCount;

            for (int i = oldCount - 1; i >= 0; I--)
                newArray->lists[i + addedCount] = array()->lists[I];
            for (unsigned i = 0; i < addedCount; I++)
                newArray->lists[i] = addedLists[I];
            free(array());
            setArray(newArray);
            validate();
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
            validate();
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            Ptr<List> oldList = list;
            uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
            for (unsigned i = 0; i < addedCount; I++)
                array()->lists[i] = addedLists[I];
            validate();
        }
    }
  • 我们先从最短的开始分析
  // 0 lists -> 1 list
  list = addedLists[0];
  validate();
  • 当新添加只有1个并且lists 无值的时候，list = addedList
  • 接着从 else 开始分析
    // 1 list -> many lists
   Ptr<List> oldList = list; 
   uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0; //  oldList 有数据 => oldCount = 1
   uint32_t newCount = oldCount + addedCount; // 假设 addedCount =2 ，newCount = 1+2 = 3
   setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount))); // 创建一个新的array
   array()->count = newCount; //  新的 array 空间大小 = 3
   if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList; // 把 oldlist 放到 lists[2] 位置里
   for (unsigned i = 0; i < addedCount; I++)
        array()->lists[i] = addedLists[I]; // 循环从第0位置开始放入到lists，放入个数为addedCount = 2
   validate();
  • 总结一下就是把 oldlists 这个整体 放到 newlists 最后面，把 added 数据 放到 newlsit 的最前面
  • 接着继续添加就会进入 if (hasArray()),开始分析if (hasArray()) 
// many lists -> many lists
    uint32_t oldCount = array()->count;
    uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
    array_t *newArray = (array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)); // 开辟一个新的内存空间
    newArray->count = newCount;
    array()->count = newCount;

    for (int i = oldCount - 1; i >= 0; i--) // 倒序 ，假设oldCount = 3 ，addedCount = 1, i = 2
        newArray->lists[i + addedCount] = array()->lists[i]; //第一次循环，newlists[2 + 1 = 3] =， lists[2]  ，就是把list最后元素 加到  newlist 的最后面
    for (unsigned i = 0; i < addedCount; I++)
        newArray->lists[i] = addedLists[I]; //  把  added  数据加到 newlist 的前面
    free(array());  // 情况数据重新开始
    setArray(newArray);
    validate();
  • 总结一下就是把 lists 数据 倒序依次放到 newlists 最后面，把added 数据 放到 newlists 的最前面
  • ps:图画的有点丑请见谅
动态调试分析 attachCategories
  • 分析前准备新建一个 XKStudent (XKA) 类目，主类和分类同时调用 load 方法
@implementation XKStudent

- (void) doSomething {}
- (void) doSomething2 {}

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

@end
// 分类
@implementation XKStudent (XKA)

+ (void) load {
    NSLog(@"加载了 %s",__func__);
}
- (void) doSomethingByCate {}
- (void) doSomething2ByCate {}

@end
  • 打印流程如下
  • 这时我们发现当主类和分类同时调用 load 方法时，会调用 load_categories_nolock
  • 开始分析，在哪里调用了 load_categories_nolock

  • 查看堆栈信息， 得知在 load_images -> loadAllCategories -> load_categories_nolock
    最终来到了 attachCategories

  • 这时得出一个结论就是： 类与分类 同时调用 load方法
    从 _read_image 开始 调用 realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass-> attachToClass 最终没有进入 attachCategories

  • 而是在 load_images -> loadAllCategories -> load_categories_nolock -> attachCategories

  • 探索到这里也就能解释了之前为何 attachCategories 会有2个地方(1.attachToClass,2: load_categories_nolock)调用的原因了。

  • 进入 load_categories_nolock

  • 打印输出 cat 验证 cat 是我们这次要分析 Student(XKA)
  • 继续往下分析
  • 根据判断条件进入 attachCategories,来到 👇
  • 分析代码 mlists[ATTACH_BUFSIZ - ++mcount] = mlist ，输出打印结果
  • 把 mlist 放到了 mlists 的 第 63 个位置
  • 继续往下分析，来到👇
  • mlists + ATTACH_BUFSIZ - mcount 这个是？，我们打印输出一下
  • 这下我们就能得知原来· attachLists 里存放的 指针的指针
  • 接下我们动态调试再次进入了 attachLists
  • 这时我们已得知 addedLists 是一个 二级指针，·addedCount = 1
  • 继续往下分析来到了 else 👇
  • 这里的 list 应该是 主类 - XKStudent ，打印验证下
  • 而这里的 array()->lists[addedCount] 存的是什么呢？
  • 打印 array()->lists[addedCount]
  • 打印 addedList
  • 由此得知 array()->lists[i] 里其实就是存了一个数组指针，而指针指向的地址就是 methods_list_t, 由此就能得知 array()->lists[0] 指针指向就是一个category:methods_list 👇

已知在 attachLists 方法里还有一个if (hasArray()) {}，那何时会动态分析进入呢？
猜想如果定义多个 category 是不是就会进入呢？

  • 分析前准备新建3个分类
//  XKA
@interface XKStudent (XKA)

- (void) doSomethingByCateA;
- (void) doSomething2ByCateA;

@end
//  XKB
@interface XKStudent (XKB)

- (void) doSomethingByCateB;
- (void) doSomething2ByCateB;

@end
//  XKC
@interface XKStudent (XKC)

- (void) doSomethingByCateC;
- (void) doSomething2ByCateC;

@end
  • 动态分析进入 load_categories_nolock
  • 打印输出 count ,catelist[i] 验证是不是要分析的对象
  • count = 3 说明有3 个 cate，分别是 catelist[0] = XKC ,catelist[1] = XKA,catelist[2] = XKB
  • 继续分析进入 attachLists
  • 得知 oldCount = 2 说明 array()->lists 里已经有2个数据了，我们输出来验证一下
  • 继续往下走
  • 打印输出 newArray->lists
  • 由输出可知 oldlists ptr 倒序插入到了 newlists ptr，再把addedlists 插入到 newlists 第0个
  • 最后得出的结论就是：当 oldArray() 里已有一个主类和至少有一个分类 会进入 if (hasArray()) 里 ，然后在0号位置继续插入新的分类。

👆的分析和探索都是基于主类 和 分类 都同时调用了 load 方法。那如果有一种情况不满足会如何呢？继续进行探索

load 探索

1.主类 load 分类 no load

  • 动态调试日志👇
  • 根据打印的日志，发现并没有进入 attachCategories

2.主类 no load 分类 load

  • 动态调试日志👇
  • 根据打印的日志，发现也没有进入 attachCategories

3.主类 no load 分类 no load

  • 动态调试日志👇
  • 在一次发生消息的时候时会进入到 realizeClassWithoutSwift

4.主类 load 多个分类不都有 load

  • 可知流程 realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass-> attachToClass -> attachCategories

5.主类 no load 多个分类不都有 load

  • 可知流程 realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass-> attachToClass -> attachCategories
  • 这下我们就能得知 主类 虽然 no load,但 分类 load 了还是会进入 attachCategories 。有种被迫的感觉

那如果没有进入 attachCategories ，分类里的数据到底是何时加载到类里的呢？

  • 进入 realizeClassWithoutSwift 分情况进行验证

  • 1：主类 load 分类 no load

    • 断点输出 ro 内部方法

  • 2：主类 no load 分类 load

    • 断点输出 ro 内部方法

  • 3：主类 no load 分类 no load

    • 断点输出 ro 内部方法
  • 整理：1，2，3 在一开始就存在了 data() 里，都是在一开始已经从disk 里读取到了分类的数据。 data() 直接从 macho 里加载数据

总结

  • 我们今天从 realizeClassWithoutSwift 会切入点，探索了分类到底是何时进行加载的
  • 当在 主类 和 分类 同时调用 load 方法时，会进入一段很繁琐的加载流程
    （_read_image -> realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass-> attachToClass
    load_images -> loadAllCategories -> load_categories_nolock -> attachCategories ）
    目的就是把 存放list 的指针数组 加入到 rwe里
  • 当在 主类 和 分类 不同时调用 load 方法时，就会从 macho 直接读取放到 data() 里，再从 data() 读取 rwe 数据
  • 得出最主要的结论就是 在开发过程中尽量不要在主类和分类同时加载 load 方法

知识点补充

ro rw rwe

你是否会有同样的❓， ro rw rwe 到底是什么？为什么 要有rwe呢？

名称 解释 描述 来源
ro read only 只读 运动时内存是不会发生变化，被称为 clean memory：干净内存 从 disk 读取
rw read write 读写 运行时会被写入新的数据，因此它非常的 昂贵，被称为 dirty memory 脏内存 ro的 copy
rwe rw 的扩展 rw 内存非常昂贵,rwe 优化 rw rw

rwe 是怎么优化rw呢？

Apple develop 有个运行时机制，它能通过扩展 ,底层 api 动态增加 rw 的大小，而 rw 又十分的 昂贵。而且我们还发现并不是每个 class 都需要 扩展 或是 动态api ，只有在需要时候才去分配 内存，因此引入了 rwe。

cls ->Data() 探索

在realizeClassWithoutSwift 会有 auto ro = (const class_ro_t *)cls->data();
那为何cls->data() 就能转成成 ro 呢？

  • 动态调试把程序运行看看 cls->data() 里到底是什么，断点来到👇
  • 进入 data()

  • p 输出 bit->data, x/8gx 输出 cls 👇

  • 发现 data() 就是地址指针，存放在 cls 里第5片内存里

那为何能转成 class_ro_t 这个结构呢？

  • 这个最主要的原因就是 Apple 在 llvm编译时 做了数据匹配相应的处理。只要 地址指针里的格式 与 结构体的格式 是相互匹配的，就是进行 结构体指针 的赋值操作。
  • 再举个 🌰
int main(int argc, const char * argv[]) {
    // runtime 调用 api ，读取 Method
    Method m = class_getInstanceMethod(XKStudent.class, @selector(teacherSay));
}
  • 输出 👇
  • 找到 Method 源码 ，自定义一个 类似 Method 结构体 
struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name;
    char * _Nullable method_types;
    IMP _Nonnull method_imp;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
     struct objc_method *method =  class_getInstanceMethod(XKStudent.class, @selector(teacherSay));
}
  • 输出 👇

  • 可知同一个指针地址 只要知道其内部结构,就能根据地址进行赋值

  • 这下又知道了

    • 1.指针地址不但能进行取值
    • 2:指针地址还能再进行同一个格式的结构体指针进行相应的赋值
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