Objective-C之Category的底层实现原理

Objective-C的+load方法调用原理分析
Objective-C的+initialize方法调用原理分析

Category的使用场景

我个人粗浅理解，就是将一个类的实现，拆解成小的模块，便于管理和维护。因为实际项目中，有些类的功能可能会非常复杂，导致一个类的代码过多，这对后期修改和维护是比较不利的，所以category方便了程序员，可以根据功能，业务等形式的划分，将类的一大堆方法分组放置以及调用。

有趣的思考

先来看一个最简单的category结构,一下代码定义了一个CLPerson类 和它的一个category CLPerson+Test

// ******************** CLPerson
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface CLPerson : NSObject
-(void)run;
@end

#import "CLPerson.h"  
@implementation CLPerson
-(void)run
{
    NSLog(@"CLPerson Run");
}
@end

// ******************** CLPerson+Test
#import "CLPerson.h"
@interface CLPerson (Test)
-(void)test;
@end

#import "CLPerson+Test.h"
@implementation CLPerson (Test)
-(void)test{
    NSLog(@"Test");
}
@end

// ******************** CLPerson+Eat
#import "CLPerson.h"
@interface CLPerson (Eat)
-(void)eat;
@end

#import "CLPerson+Eat.h"
@implementation CLPerson (Eat)
-(void)eat{
    NSLog(@"Eat");
}
@end

请问❓❓❓：以下的两个方法调用，底层到底发生了什么，它们本质是否相同？

CLPerson *person = [[CLPerson alloc]init];
[person run]; //类的实例方法调用
[person test];//分类的实例方法调用
[person eat];//分类的实例方法调用

我们都知道，[实例对象 方法]这种写法，经过底层转换之后，实际上就是，objc_msgSend(类对象, @selector(实例方法))，也就我们oc的一个基本概念，消息发送机制。因此，我们可以推定，[person run]这句代码，在消息发送机制下，首先会根据 person的isa指针找到CLPerson的类对象,然后在类对象的方法列表（method_list_t * methods）里面找到该方法的实现，然后进行调用。
接下来，你肯定会想

  • 那么[person test]和[person eat]呢？它的消息是发送给谁呢？
  • 是发送给person的类对象吗？
  • 还是说，对于CLPerson+Test.h和CLPerson+Eat.h来说，也有其独立对应的分类对象呢？
    带着这些思考和问题，我们接下来一步一步地进行拆解。




Category的实现原理

底层结构——所有一切始于编译

要想知道原理，不要猜，也不要轻易相信别人说的东西，自己验证一下才是最靠谱的。在命令行下，进入CLPerson+Test.m文件所在路径执行以下命令-->

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc CLPerson+Test.m

得到编译后的c++文件CLPerson+Test.cpp，将其拖入xcode项目中进行查看，但是不要加入编译列表，否则程序跑不起来。直接查看文件底部，就可以找到category相关的底层信息，请看下图剖析

上图比较粗糙，请谅解，但比文字描述来的更加直观，上面基本上分析清楚了在编译结束之后，category是以何种形式存在的，现在用文字来总结一下：
category经过编译过程之后，系统为其定义了如下的一个结构体

  //注意，编译后的cpp文件一般比较长，会有好几万行，
  //一般我们关注类结构相关的信息，都在最后，
  //所以可以直接把文件拖到底，便可以找到这些信息
  struct _category_t {
  const char  *name; //用来存放类名
  struct _class_t *cls;
  const struct _method_list_t *instance_methods;//用来存放category里面的实例方法列表
  const struct _method_list_t *class_methods;//用来存放category里面的类方法列表
  const struct _protocol_list_t *protocols;//用来存放category里面的协议列表
  const struct _prop_list_t *properties;//用来存放category里面的属性列表
  };

这个struct _category_t结构体，就是在程序在编译之后，被用来存放category的相关信息（instance methods, class methods，protocol，property）的。

反过来描述，编译的时候，系统会给每一个category生成一个对应的结构体变量，而且他们都是struct _category_t类型的，然后把category里面的信息存到这个变量里面。

在我的示例里面，这个变量的名称叫_OBJC_$_CATEGORY_CLPerson_$_Test，这个名字很清晰的表明，它存储的是Objective-c下的CLPerson类的Test分类的信息。

struct _category_t中定义了六个成员变量，除去其中的第二个，我个人还没搞明白有什么用，其他的五个作用则非常清晰了

  • const char *name;
    上图中的a部分，其值表示category所对应的类的名字。
  • const struct _method_list_t *instance_methods;
    上图中的b部分，其值就是实例方法列表，可以看到里面正好放了我们定义的实例方法 -test
  • const struct _method_list_t *class_methods;
    上图中的c部分，其值就是类方法列表，可以看到里面放了我们定义的类方法 -classTest
  • const struct _protocol_list_t *protocols;
    上图中的d部分，其值就是协议列表，可以看到里面存放了 NSCoping协议
  • const struct _prop_list_t *properties;
    上图中的e部分，其值就是属性，可以看到里面有我们定义的age属性
源码分析

上面的篇章，我们通过查看编译后的cpp文件，了解了category在编译阶段完成后的存在形式，以CLPerson+Test为例，它所对应的struct _category_t变量中，第一个成员变量name的值为"CLPerson"(CLPerson+Eat对应的name也是"CLPerson"，可以自行验证)，而且根据我在对象的本质(上)——OC对象的底层实现中所讨论所得出的结果可以知道，一个OC类XXX在底层都存在一个对应的C++结构体实现struct XXX_IMPL，但我们在CLPerson+Test.cpp文件中，并没有发现 struct CLPerson+Test_IMPL/struct CLPerson+Eat_IMPL，因此，我猜想CLPerson的category中的信息，应该还是存储在CLPerson所对应的class对象和meta-class对象中，category自己并没有独立的class对象和meta-class对象。CLPerson旗下的所有category里面的信息，应该是在某个阶段被合并到了类的CLPerson的class对象和meta-class对象中。从编译的结果看，我们并没有发现有合并的操作，仅仅是给每个category生成了对应的struct _category_t类型的变量，存放其信息。所以我合理怀疑，合并操作应该是发生在Runtime阶段。

为了证明以上猜想，我们还是要挖掘Runtime的源码。我们先去苹果官网下载一份objc4的最新源码。然后我们直接寻找objc-os.mm文件，这个文件可以看作是Runtime进行初始化的地方。然后找到_objc_init()方法，这个方法是Runtime被加载后执行的第一个方法，可以理解成Runtime的入口方法。

/***********************************************************************
* _objc_init
* Bootstrap initialization. Registers our image notifier with dyld.
* Called by libSystem BEFORE library initialization time
**********************************************************************/

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    lock_init();
    exception_init();

    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}

_objc_init() 中前面的一堆方法，跟本文的主题不相关，不入坑，且看最后一个方法_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image)。这个函数里面的三个参数分别是另外三个函数：

  • map_images -- Process the given images which are being mapped in by dyld.(处理那些正在被dyld映射的镜像文件)
  • load_images -- Process +load in the given images which are being mapped in by dyld.（处理那些正在被dyld映射的镜像文件中的+load方法）
  • unmap_image -- Process the given image which is about to be unmapped by dyld.(处理那些将要被dyld进行去映射操作的镜像文件)

我们查看一下map_images方法，点进去

void
map_images(unsigned count, const char * const paths[],
          const struct mach_header * const mhdrs[])
{
   mutex_locker_t lock(runtimeLock);
   return map_images_nolock(count, paths, mhdrs);
}

这里面看不出啥，返回了map_images_nolock(count, paths, mhdrs)，感觉像是一层转换，继续点进该方法看一下。好家伙，这个方法就比较丰富了，为了节约纸张，这里就不贴完整代码了，有兴趣自己上源码看。经过牛人指点，找到里面一个关键方法_read_images(hList, hCount, totalClasses, unoptimizedTotalClasses);。从方法名字可以看出，意思是要读取镜像，也就处理系统动态库以及我们写过的代码中的各种自定义类文件。这个方法也比较长，就截取关键的一段

// Discover categories. 
    for (EACH_HEADER) {
        category_t **catlist = 
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();

        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[i];
            Class cls = remapClass(cat->cls);

            if (!cls) {
                // Category's target class is missing (probably weak-linked).
                // Disavow any knowledge of this category.
                catlist[i] = nil;
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
                                 "missing weak-linked target class", 
                                 cat->name, cat);
                }
                continue;
            }

            // Process this category. 
            // First, register the category with its target class. 
            // Then, rebuild the class's method lists (etc) if 
            // the class is realized. 
            bool classExists = NO;
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
                ||  cat->instanceProperties) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                if (cls->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name, 
                                 classExists ? "on existing class" : "");
                }
            }

            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
                ||  (hasClassProperties && cat->_classProperties)) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
                if (cls->ISA()->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls->ISA());
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name);
                }
            }
        }
    }

一句// Discover categories真的是对读者非常友好，这立马使我明白，接下来的代码是处理category相关内容的。这个read_images方法从上倒下，分好几大块，每大块头部都有类似的注释，说明该部分所做的事情，将作者的思路描述的非常清晰，不愧是苹果的源码。下面通过图解来说明一下category处理部分的大致思路

这里注意我一个细节，上图的第一部分我已经画出来了，一开始的那个catlist是一个二维数组，里面的成员也是一个一个的数组，也就是代码里面的cat所指向的数组，它的类型是category_t *，说明cat数组里面装的就是category_t，（有点绕，慢慢来：-）一个cat里面装的就是某个class所对应的所有category。

那么什么决定了这些category_t在cat数组中的顺序呢？

答案是category文件的编译顺序决定的。先参与编译的，就放在数组的前面，后参与编译的，就放在数组后面。我们可以在xcode-->target-->Build Phases-->Compile Sources列表查看和调整category文件的编译顺序



在上面的category先编译，下面的category后编译。可以鼠标拖拽进行调整。

然后我们继续往下看，进入remethodizeClass方法看一看

static void remethodizeClass(Class cls)
{
    category_list *cats;
    bool isMeta;

    runtimeLock.assertLocked();

    isMeta = cls->isMetaClass();

    // Re-methodizing: check for more categories
    if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls, false/*not realizing*/))) {
        if (PrintConnecting) {
            _objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s", 
                         cls->nameForLogging(), isMeta ? "(meta)" : "");
        }
        
        attachCategories(cls, cats, true /*flush caches*/);        
        free(cats);
    }
}

然后在这里面找到一个方法attachCategories，肯名字就知道，附着分类，也就是把分类的内容添加/合并到class里面，貌似快接近真相了，小鸡动🐔

static void 
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

    bool isMeta = cls->isMetaClass();

    // fixme rearrange to remove these intermediate allocations
    //分配一块空间来放所有分类的方法数组，这里是一个二维数组，数组的每个成员，对应着某个分类的方法数组
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    //分配一开空间来放所有分类的属性数组，理解同上
    property_list_t **proplists = (property_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
    //分配一块空间来放所有分类的协议数组，理解同上
    protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*protolists));

    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int propcount = 0;
    int protocount = 0;
    int i = cats->count;
    bool fromBundle = NO;
    while (i--) {//这里i--说明，是从
        //取出某个分类变量
          entry = cats->list[i];
        //提取分类中的对象方法/类方法
        /* mlists最终会是以下形式
         [
            [method_t, method_t],
            [method_t, method_t]
         ]
         
         */
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }
        //提取分类中的属性
        /* proplists最终会是以下形式
         [
         [property_t, property_t],
         [property_t, property_t]
         ]
         
         */
        property_list_t *proplist = 
            entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
        if (proplist) {
            proplists[propcount++] = proplist;
        }
        
        //提取分类中的协议
        /* protolists最终会是以下形式
         [
         [protocol_t, protocol_t],
         [protocol_t, protocol_t]
         ]
         
         */
        protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
        if (protolist) {
            protolists[protocount++] = protolist;
        }
    }


    //得到类对象里面的数据
    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    //将所有分类的对象方法附加到类对象的方法列表中
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);
    //将所有分类的属性附加到类对象的属性列表中
    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);
    //将所有分类的协议附加到类对象的协议列表中
    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);
    
    //搞定，结束
}

⚠️以上这一部分代码中的注解引用自MJ大神在腾讯平台的相关分享⚠️

这里注意一个地方，这里面用了while (i--) {entry = cats->list[i]; ......},entry可以简单理解成 category_t,(里面还有一些其他内容，不影响我们的理解)，那么list里面就装了一堆的category_t,他们都对应着同一个class，这些category_t在数组中的顺序，和前面我们讨论的category文件的编译顺序是相同的，也就是先编译的category在前，后编译的category在后。 在while循环里面进行处理的时候，是从下标 cats->count-1（也就是i--）开始的，也就是从数组的尾部向前一个一个的处理。处理过程主要就是把category的方法列表添加到mlists里面，mlists[mcount++] = mlist;，而mcount是从0开始的，所以结果就是最终，放到mlists里面的方法列表顺序是倒过来的，最前面的方法列表，对应着最后编译的cetegory（协议和属性的处理过程和这里一样）

上述方法里面的最后一个操作rw->methods.attachLists我们再进一步分析一下，看一看，最终分类中的方法和class中的方法，最终是以怎么样的顺序合并存放到最后的方法列表里面的，进入attachLists函数

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;
            setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                    oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            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;
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
    }

这个函数的两个参数分别代表

  • addedLists--将要被添加的category中的方法列表组成的的数组，
  • addedCount--addedLists数组的元素数量。
    这个方法是今天讨论的问题里面最有趣的地方，将会解释我们在使用category中所碰到的各种现象。请看下图分解
    category的合并过程

如此看来，最终类的方法列表里面，如果class有自己对应的category，那么category中的方法列表会被合并放置在class的方法列表的前部，类本身的方法则会被往列表尾部挪，当我们通过[obj method]的方式调用方法的时候，系统会到在类的方法列表里面，从前往后遍历查找。

因此，如果category里面如果重写了class里面的方法，那么，最终会调用category的方法实现，就是因为它被放在了列表前面，先被找到，就被调用了，其实class里面的同名方法还是在的，并没有被覆盖，只不过看起来像是覆盖了。

另外，我们在上面分析attachCategories方法的时候得知，该方法实际上将category的方法列表按照编译顺序倒过来存到了一个数组里，供后续方法使用。

那么过程走到这里，便可以知道，最最最终，在class的方法列表里面，最后参加编译的category的方法会出现在方法列表的最前面，先参加编译的category的方法会出现在方法列表的后面，列表的最后存着class自己的方法[对于meta-class也是一样的]，好，分析结束。

回答开篇的几个问题

✈️✈️✈️✈️

  • [person test]和[person eat]的消息是发送给谁呢？

发送给 CLPerson的类对象

  • 还是说，对于CLPerson+Test.h来说，也有其独立对应的分类对象呢？

不存在所谓的 分类的类对象，一个类以及它的所有分类，都只对应一个类对象，它们所有的实例方法（-方法），属性（@property），协议（@protocol）都被合并到了这一个类对象里面，它们所有的类方法（+方法），都被合并到了这个类的元类对象里面。上面所说的合并，都是发生在程序运行阶段，运用了Objc的Runtime机制完成。

✈️✈️✈️✈️






*****************砍瓜切菜*****************

（1）category里面的方法存放在哪里？
  • 一个类所对应的分类下的对象方法，存放在该类的类对象的方法列表里面。
  • 一个类所对应的分类下的类方法，会存放在该类的元类对象的方法列表里面
（2）category里面的方法，是什么时候被放到类的类对象/元类对象的方法列表里面的？（编译阶段 or 运行阶段）
  • 结论：是程序运行的时候进行的。通过runtime动态地将分类的方法，合并到类对象、元类对象中。

所有的category结构是一样的，只不过里面存储的具体数据不同，每一个category都有自己对应的一个变量，类型为 struct _category_t ，在编译过程中，会完成对struct _category_t类型变量的赋值。

（3）程序运行过程中，分类中的方法是如何合并到类的方法列表中的？

面试官要问，就直接画图改他看吧，文字描述感觉弱爆了：）

（4）分类方法会覆盖类里面的方法吗？

不会

（5）如果有多个分类有同名的方法A，那么实际哪一个方法A会被调用？

最后参加编译的category里面的A方法会被调用

（6）如何控制分类的编译顺序？

在Build Phase->Compile Sources里面调整，直接拖拽

（7）category和extension的区别是什么？
  • extension的内容是在编译完成后，就存在于类对象里面，extension只不过是将原本.h文件里面的内容挪到了.m文件里面，不让外界看见，实质上它就是class.h的一部分,
  • category的内容，是在编译的时候，保存到了struct _category_t 结构体变量中，然后在程序运行阶段（runtime机制）才动态合并到类对象当中的。
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