OC底层原理十七：类的加载(上) read_images & 懒加载类

OC底层原理学习大纲

上一节，我们了解了dyld和objc的关联，但是 map_images是如何将镜像从macho中映射到内存的呢？

dyld与objc关联

本节内容：

_read_images结构分析
类的加载（上）
2.1 readClass 读取类
2.2 realizeClassWithoutSwift 实现类
2.3 methodizeClass 整理类
懒加载和非懒加载的区别

准备工作:

可编译的objc4-781源码: https://www.jianshu.com/p/45dc31d91000

dyld-750.6: https://opensource.apple.com/tarballs/dyld/

1. `_read_images`结构分析

打开objc4源码，找到_objc_init，进入map_images：

void _objc_init(void)
{
    ... ...
    // 注册
    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}

// 👇 进入map_images
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);
}

进入map_images_nolock，找到核心代码_read_images读取镜像:

image.png

以下是_read_images源码结构：

image.png

条件控制进行一次的加载

修复预编译阶段的@selector的混乱问题

类处理

修复重映射一些没被镜像文件加载进来的类

修复一些消息

当类中有协议时：readProtocol

修复没被加载的协议

分类处理

实现非懒加载类

没被处理的类（优化哪些被侵犯的类）

这里内容较多，我们先抓重点：macho读取到内存，最重要的是类信息的读取。

我们发现首先对类进行操作的是第3步类处理。主要函数是readClass类的读取:

image.png

我们进入readClass，详细了解内部功能👇

2. 类的加载（上）

先加上测试代码，使用自定义HTPerson类，便于定位和验证：

@interface HTPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *ht_name;
@property (nonatomic, assign) int ht_age;

- (void)ht_func1;
- (void)ht_func3;
- (void)ht_func2;

+ (void)ht_classFunc;

@end

@implementation HTPerson

- (void)ht_func1 { NSLog(@"%s",__func__); };
- (void)ht_func3 { NSLog(@"%s",__func__); };
- (void)ht_func2 { NSLog(@"%s",__func__); };

+ (void)ht_classFunc { NSLog(@"%s",__func__); };

@end

2.1 readClass 读取类

小技巧：

源码中加入类的判断语句，精准定位来分析自己的类。

在readClass函数内加入识别HTPerson的测试代码，在测试代码区域加入断点(下图仅在3196行加入断点)，运行代码：

image.png

代码进入断点，确认是HTPerson类后，我们加断点运行(上图3227、3241行)，发现没进入类的读取和加载区域。
我们单步执行，查看具体流程：

image.png

发现进入了addNamedClass函数。

image.png

参数mangledName 是当前类名：

已实现的类，从内存读取；未实现的类，从machO读取

image.png

进入addNamedClass函数：

image.png

发现主要是将类名插入类表中，NXMapInsert内部有关于类名哈希、表扩容、插入算法等细节介绍。此处不做拓展。
我们返回上一步，查看下一个addClassTableEntry函数：

image.png

细节：

此处会将本类和元类都注册到类表中

当前类表中的本类和元类，都只有名字、地址，数据还没写入

我们发现第3步类处理 readClass内部并没有完成类的加载,仅仅将类名和类地址记录到类表中。

返回_read_images中，继续寻找与类相关的步骤，发现第9步实现非懒加载类和第10步没被处理的类（优化哪些被侵犯的类）都调用了realizeClassWithoutSwift函数，对类进行实现。

2.2 realizeClassWithoutSwift 实现类

我们在_read_images函数的第9步和第10步分别加上测试代码：

     const char * mangledName = cls->mangledName();
     const char * HTPersonName = "HTPerson";
            
     if (strcmp(mangledName, HTPersonName) == 0) {
         printf("resolvedFutureClasses: 精准定位 %s \n", HTPersonName);
     }

image.png

然而，尴尬的是... 都没有执行到 😂
(倔强的我，HTPerson类进入_read_images后，单步断点一步步的测试，确实发现HTPerson类没有实现)

思考：此处是app启动前，dyld调用_objc_init，执行map_images，发现自定义的HTPerson类没有加载

如果你在开发中用过lazy懒加载，就应该能联想到苹果的设计机制。没错，此处也是懒加载模式。

当类没被调用时，我们只会存储类名、类地址

真正被调用时，会检查是否实现，未实现就会触发实现。

是否是懒加载类，关键在于是否实现了+load方法。 （没实现+load方法是懒加载类，实现了就是非懒加载类）

我们在HTperson类的测试代码中加入+load的实现：

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

再次运行代码，按照上述流程，发现精准定位到了【9.实现非懒加载类】：

image.png

进入realizeClassWithoutSwift内部：

realizeClassWithoutSwift

Q：赋值后bits为何为空？

image.png

所以此刻赋值已成功，但是还未写入内存

ro的读取：

image.png

WWDC2020视频Advancements in the Objective-C runtime有介绍，据苹果官方统计，只有10%的类需要动态修改方法，所以为了节约内存，没进行动态拓展的类，直接从macho读取数据。反之，用rwe记录动态修改的数据，并从rwe读取数据。

下面我们进一步探索methodizeClass 整理类

2.3 methodizeClass 整理类

123.png

此时rwe为Null，所有rwe条件判断后的赋值，都没进入。

Q：rwe什么时候会被赋值？

根据WWDC2020视频Advancements in the Objective-C runtime，我们知道rwe是当类的方法被动态修改时，才会创建。那什么时候会被动态修改呢？我们下一节会分析。

在分析rwe的创建之前，我们先详细讲解懒加载类和非懒加载类的区别

3. 懒加载和非懒加载的区别

懒加载类和非懒加载类的区别在于：是否实现了+load方法。

上面我们加入了+load方法，让HTPerson类变成了非懒加载类，才进入了realizeClassWithoutSwift函数。
那如果不实现+load方法，是懒加载类，又是如何加载到内存的呢？

懒加载类的加载:

测试代码中，移除+load方法的实现，加入HTPerosn的调用:
int main(int argc, const char * argv[]) {
   @autoreleasepool {
      HTPerson * person = [HTPerson alloc]; // 加入HTPerson的调用
   }
   return 0;
}
移除所有断点，在realizeClassWithoutSwift函数中，加入定位代码和断点:
   const char * HTPersonName = "HTPerson";
   const char * mangledName = cls->mangledName();
   if(strcmp(mangledName, HTPersonName) == 0) {
       auto ht_ro = (const class_ro_t *)cls->data();
       auto ht_isMeta = ht_ro->flags & RO_META;
       if (!ht_isMeta) {
           printf("%s - 精准定位! - %s\n", __func__, mangledName);
       }
   }
运行程序，断点精准定位到HTPerson类，查看左边堆栈信息：

image.png

这个流程是否非常熟悉？ 😃 这就是之前我们详细分析过的objc_msgSend流程，

APP启动后，我们手动调用了alloc方法，触发消息机制，在进入方法的慢速查找时，我们会现检测当前类是否已实现，如果没有实现，就调用realizeClassWithoutSwift进行实现。

image.png