Class结构+消息发送+方法解析+消息转发

一、Class 结构

1.1 objc_class（类）

上图是 Class 的总体结构图，其中 OC 中的 Class 直接转换为 C++ 中的对应的结构体objc_class，objc_class中主要包含：

  • isa指针：对象的isa指向类，类的 isa指向元类，元类的isa指向根元类，根元类的isa指向自身。
  • supreclass指针：指向父类。
  • cache 方法缓存列表，下面第二小节会重点介绍。
  • bits 包含着具体的类信息。

1.2 cache_t (方法缓存)

cache_t 主要用来缓存方法，内部使用散列表（也称哈希表）来缓存曾经调用过的方法，以SEL作为 key ，以IMP作为Value ，通过空间换时间的思想提高方法查找速度。每次调用方法前，首先去cache_t中查找通过散列表特性查找是否有该方法。存在则直接调用，否则去class_rw_t中的methods 遍历查找该方法，调用并将该方法缓存到cache_t中，以便提高下次调用效率。

1.3 class_rw_t (类信息)

bits & FAST_DATA_MASK 可获取类信息，对应的类型为class_rw_t（rw表示read、write，即可读可写）。

  • class_ro_t里面的 baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组，是只读的（ ro 即read only），仅包含了类的初始内容，未包含分类的信息。当首次加载类的时候，会将class_rw_t中的方法列表加载到二维数组methods中，放在数组末尾，具体可以查看Category底层分析。
  • class_rw_t里面的methods、properties、protocols是二维数组，是可读可写的，包含了类的初始内容以及分类的内容。

1.4 method_t（方法结构体）

method_t是对方法或函数的封装。主要由三部分组成：

  • IMP代表函数的具体实现
  • SEL代表方法或函数名，也做选择器
  • types包含了函数返回值以及参数编码的字符串，苹果官方文档搜索Type Encoding可查看相关信息。如[self test]中，test 方法对应的types值为v16@0:8,v 表示 void ，@表示id，:表示SEL， 因为OC方法调用底层会默认传两个参数，一个是id类型的self，一个是SEL类型的_cmd。另外，16 表示参数的总长度，0 和 8 分别表示第一个参数和第二个参数的偏移值。

iOS中提供了一个叫做@encode的指令，可以将具体的类型表示成字符串编码。如NSLog(@"%s",@encode(id)) 输出结果为@。

二、消息发送

OC 中的方法调用，其实都是转换为 objc_msgSend 函数的调用，该函数默认接收两个参数：一个是id类型的消息接收者，另一个是SEL类型的_cmd。objc_msgSend的执行流程可以分为三个阶段，如果三个阶段都没有找到合适的方法进行调用，就会报一个经典错误unrecognized selector sent to instance。

  • 消息发送阶段
  • 动态方法解析阶段
  • 消息转发阶段
  • 1、消息发送阶段首先判断消息接收者是否为 nil ，为 nil 直接退出；否则，去消息接收者的cache中寻找是否存在发方法。
  • 2、消息接收者的cache中存在直接调用，不存在则去接收者的类信息class_rw_t中查找，查找到放入到消息接收者的cache中；否则，去消息接收者父类cache中查找；
  • 3、消息接收者父类cache中存在该方法，直接调用；不存在则去接收者的父类类信息class_rw_t中查找，查找到放入到消息接收者父类的cache中(从图中看应该是放入消息接受者的cache中，和此处矛盾)；否则，去消息接收者父类的父类cache中查找；即循环执行第三步，也即上图红色框圈入的部分。
  • 4、如果一直找到最基层的父类中，依然没有找到方法，则会进入动态方法解析阶段。

子类没有实现方法会调用父类的方法，并且将父类方法加入到子类自己的cache 里。？？？？？

三、动态方法解析

如果可以找到方法的实现，就进入消息转发阶段；否则，调用+resolveInstanceMethod:和+resolveClassMethod:，在上述两个方法内动态添加方法，防止崩溃，之后返回YES，重新返回消息发送阶段；如果没有动态添加方法，直接返回YES 或 NO，依然无法找到方法实现，进而发生奔溃。注意：上述两个方法的返回值都是 BOOL 类型，返回值只是标记是否动态解析方法，无论返回 YES 还是 NO，对消息执行流程无任何影响。

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(test)) {
        // 获取其他方法
        Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(other));
        // 动态添加test方法的实现
        class_addMethod(self, sel,
                        method_getImplementation(method),
                        method_getTypeEncoding(method));
        // 返回YES代表有动态添加方法
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
+ (void)other{
    NSLog(@"%s", __func__);
}

四、消息转发阶段


所谓的消息转发是指：自身无法处理消息，转发给他人来处理。当方法解析阶段找到对应方法实现，就会来到消息转发阶段。消息转发阶段有三次拦截消息的机会，即下面三个方法，三个方法都有对应的对象方法和类方法。

  • forwardingTargetForSelector
  • methodSignatureForSelector
  • forwardInvocation
4.1 forwardingTargetForSelector（返回方法处理者）
@interface Person : NSObject
- (void)test;
@end

@implementation Person
//如果不实现该方法默认返回nil，则会进一步调用`methodSignatureForSelector `方法；否则，由该方法返回的对象处理消息。
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    if (aSelector == @selector(test)) {
        //如果返回nil，则直接调用methodSignatureForSelector方法
        return [[Cat alloc] init];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end

Person *person = [[Person alloc] init];
[person test];

如果不实现forwardingTargetForSelector 方法默认返回nil 或直接在该方法中返回 nil ，则会进一步调用methodSignatureForSelector方法；否则，由该方法返回的对象处理消息，即传入返回的对象，直接调用objc_msgSend(返回值, SEL)方法。上面的Person类中没有test方法的实现，forwardingTargetForSelector: 方法中返回 [[Cat alloc] init] 对象处理。

4.2 methodSignatureForSelector(返回方法签名)

如果方法methodSignatureForSelector返回的方法签名为 nil，则直接崩溃；如果返回不为 nil ，则说明想处理消息，则进一步调用forwardInvocation方法。返回的方法签名会传递到forwardInvocation方法中的NSInvocation对象中。

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
    if (aSelector == @selector(test)) {
//这里的方法参数、返回值和`forwardInvocation`中的NSInvocation对应
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v16@0:8"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
4.3 forwardInvocation(方法调用)

当来到该方法后，可以在这里做任何事情。其中传入的参数anInvocation对象封装的是一个方法的调用，包含了方法调用者(anInvocation.target)、方法名(anInvocation.selector)、方法参数([anInvocation getArgument:NULL atIndex:0])。

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    NSLog(@"1123");
}
4.4 doesNotRecognizeSelector，发生崩溃

如果在为消息解析阶段找不到方法实现，且上述三个方法没有做任何处理，会直接调用doesNotRecognizeSelector方法 ，最终发生崩溃。

4.5 消息转发实际开发应用(防止找不到方法崩溃)

消息转发机制笔者在实际开发中有用到，主要是用来处理方法找不到，发生崩溃问题。思路主要是在+load方法中，交叉替换forwardingTargetForSelector方法，动态创建新的方法处理对象，并在该对象中动态添加方法。具体实现如下：

@implementation NSObject (Exception)
+ (void)load {
    //防止外部手动调用load方法，固load方法中最好都要写上dispatch_once
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        @autoreleasepool {
           [objc_getClass("NSObject") swizzleMethod:@selector(forwardingTargetForSelector:) swizzledSelector:@selector(replace_forwardingTargetForSelector:)];
            
        }
    });
}
- (id)replace_forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    NSMethodSignature *signature = [self methodSignatureForSelector:aSelector];
    if ([self respondsToSelector:aSelector] || signature) {
        return [self replace_forwardingTargetForSelector:aSelector];
    }
    return [NSObject createFakeForwardTargetObject:self selector:aSelector];
}
+ (id)createFakeForwardTargetObject:(id)aTarget selector:(SEL)aSelector{
    if ([[NSString string] respondsToSelector:aSelector]) {
        NSString *szTarget = nil;
        if ([aTarget isKindOfClass:[NSNumber class]]) {
            szTarget = [NSString stringWithFormat:@"%@", aTarget];
        }
        
        if (szTarget) {
            return szTarget;
        }
    }
    FakeForwardTargetObject *fakeTaget = [[FakeForwardTargetObject alloc] initWithSelector:aSelector];
    return fakeTaget;
}
@end

@implementation FakeForwardTargetObject
- (instancetype)initWithSelector:(SEL)aSelector{
    if (self = [super init]) {
        if(class_addMethod([self class], aSelector, (IMP)fakeIMP, NULL)) {
            MCLog(@"add Fake Selector:[instance %@]", NSStringFromSelector(aSelector));
            NSString *string = [NSString stringWithFormat:@"[%s:%d行]",[[[NSString stringWithUTF8String:__FILE__] lastPathComponent] UTF8String],__LINE__];
             showExceptionAlert(string);
        }
    }
    return self;
}
@end

id fakeIMP(id sender,SEL sel,...){
    return nil;
}
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