Swift进阶04:方法调度

静态派发

值类型对象的函数的调用方式是静态调用，即直接地址调用，调用函数指针，这个函数指针在编译、链接完成之后就已经确定了，存放在代码段，而结构体内部并不存放方法。因此可以通过地址直接调用

结构体函数符号调试如下：

静态派发

打开Mach-O可执行文件，其中的 __text段，就是所谓的代码段，需要执行的汇编指令都在这里

Mach-O文件

对于上面的分析，有个疑问：直接地址调用后面是符号，这个符号是怎么来的？

符号

是从Mach-O文件的 符号表 Symbol Table，但是符号表中并不存储字符串，字符串存储在 字符串表 String Table（存放所有的变量名和函数名，以字符串形式存储），然后根据符号表中的偏移值到字符串表中查找对应的字符，然后进行命名重整

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Symbol Table: 存储符号位于字符串表的位置
Dynamic Symbol Table: 动态库函数位于符号表的偏移位置

还可以通过终端命令nm，获取项目中的符号表

查看符号表：nm mach-o文件路径
通过命令还原符号名称：xcrun swift-demangle 符号
将Edit Scheme 中的 Debug改成 Release，编译后查看，在可执行文件目录下，多了一个后缀为 dSYM的文件，此时，再去 Mach-o文件中查找 teach符号，发现是找不到的。其主要原因是因为静态链接的函数，实际上是不需要符号的，一旦编译完成，其地址确定后，当前的符号表就会删除当前函数对应的符号，在release环境下，符号表中存储的只是不能确定地址的符号
对于不能确定地址的符号，是在运行时确定的，即函数第一次调用时（相当于懒加载），例如 print，是通过 dyld_stub_bind确定地址的

函数符号命名规则

对于C函数来说，命名的重整规则就是在函数名之前加 _（注意：C中不允许函数重载，因为没有办法区分）

#include <stdio.h>
void test(){}

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对于OC来说，也不支持函数重载，其符号命名规则是-[类名函数名]
对于Swift来说，是允许函数重载，主要是因为swift中的重整命名规则比较复杂，可以确保函数符号的唯一性

ASLR(随机地址偏移)

新建一个iOS项目，在 ViewController中定义一下代码

struct HTStack {
    func teacher() {
        print("teacher")
    }
}

class ViewController: UIViewController {

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        let t = HTStack()
        t.teacher()
        print("end")
    }
}

运行上述代码，查看mach-o文件，发现mach-o文件中的地址与函数调用的地址不一致，主要原因是实际调用时地址多了一个 ASLR（地址空间布局随机化 address space layout randomizes）

ASLR

在 mach-o文件中查看，程序运行静态基地址（VM address) 是 0x0000000100000000

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可以通过image list查看，其中 0x100000000程序运行的首地址，后八位是随机地址偏移 0x20ef000（即 ASLR）

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函数地址等于 0x100000000（程序运行首地址）+ 0x20ef000（ASLR） + 0x3A30（符号表地址偏移）= 0x1020F2A30

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动态派发

汇编指令补充

ARM64汇编指令

blr：带返回的跳转指令，跳转到指令后边跟随寄存器中保存的地址
mov：将某一寄存器的值复制到另一寄存器（只能用于寄存器与寄存器或者寄存器与常量之间传值，不能用于内存地址）
- mov x1, x0 将寄存器x0的值复制到寄存器x1中
ldr：将内存中的值读取到寄存器中
- ldr x0, [x1, x2] 将寄存器x1和寄存器x2 相加作为地址，取该内存地址的值翻入寄存器x0中
str：将寄存器中的值写入到内存中
- str x0, [x0, x8] 将寄存器x0的值保存到内存[x0 + x8]处
bl：跳转到某地址

探索class的调度方式

首先介绍下V_Table在SIL文件中的格式

//声明sil vtable关键字
decl ::= sil-vtable
//sil vtable中包含 关键字、标识（即类名）、所有的方法
2 sil-vtable ::= 'sil_vtable' identifier '{' sil-vtable-entry* '}'
//方法中包含了声明以及函数名称
3 sil-vtable-entry ::= sil-decl-ref ':' sil-linkage? sil-function-name

例如，以HTTacher为例，其SIL中的v-table如下所示

class HTTeacher {
    func teacher() { print("teacher") }
    func teacher1() { print("teacher1") }
    func teacher2() { print("teacher2") }
    func teacher3() { print("teacher3") }
}

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sil_vtable：关键字
HTTeacher：表示是 HTTeacher类的函数表
其次就是当前方法的声明对应着方法的名称
函数表可以理解为 数组，声明在 class内部的方法在不加任何关键字修饰的过程中，是连续存放在我们当前的地址空间中的。这一点，可以通过断点来印证

函数表源码探索

下面来进行函数表底层的源码探索

源码中搜索 initClassVTable,并加上断点，然后写上源码进行调试

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其内部是通过 for循环编码，然后offset+index偏移，然后获取method，将其存入到偏移后的内存中，从这里可以验证函数是连续存放的
对于class中函数来说，类的方法调度是通过V-Taable，其本质就是一个连续的内存空间（数组结构）。

问题：如果更改方法声明的位置呢？例如 extension中的函数，此时的函数调度方式还是函数表调度吗？

定义一个 HTTeacher的 extension

extension HTTeacher {
    func teacher4() { print("teacher4") }
}

再定义一个子类 HTStudent继承自 HTTeacher,查看SIL中的 V-Table

class HTStudent: HTTeacher {}

查看 SIL文件，发现子类只继承了class中定义的函数，即函数表中的函数

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其原因是因为子类将父类的函数表全部继承了，如果此时子类增加函数，会继续在连续的地址中插入，假设extension函数也是在函数表中，则意味着子类也有，但是子类无法并没有相关的指针记录函数是父类方法还是子类方法，所以不知道方法该从哪里插入，导致extension中的函数无法安全的放入子类中。所以在这里可以侧面证明extension中的方法是直接调用的，且只属于类，子类是无法继承的

开发注意点：

需要继承的方法和属性，不能写在extension中。
而 extension中创建的函数，一定是只属于自己类，但是其子类也有其访问权限，只是不能继承和重写

final、@objc、dynamic修饰函数

final 修饰

final 修饰的方法是 直接调度的,可以通过SIL验证 + 断点验证

class HTTeacher {
    final func teacher() { print("teacher") }
    func teacher1() { print("teacher1") }
    func teacher2() { print("teacher2") }
    func teacher3() { print("teacher3") }
}

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@objc 修饰

使用 @objc关键字是将 swift中的方法暴露给OC

class HTTeacher {
    @objc func teacher() { print("teacher") }
    func teacher1() { print("teacher1") }
    func teacher2() { print("teacher2") }
    func teacher3() { print("teacher3") }
}

通过SIL+断点调试，发现 @objc修饰的方法是 函数表调度

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【小技巧】：混编头文件查看方式：查看项目名-Swift.h头文件

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如果只是通过 @objc修饰函数，OC还是无法调用swift方法的，因此如果想要 OC访问swift，class需要继承NSObject

<!--swift类-->
class HTTeacher: NSObject {
    @objc func teacher() { print("teacher") }
    func teacher1() { print("teacher1") }
    func teacher2() { print("teacher2") }
    func teacher3() { print("teacher3") }
}

<!--桥接文件中的声明-->
SWIFT_CLASS("_TtC11HTSwiftDemo9HTTeacher")
@interface HTTeacher : NSObject
- (void)teacher;
- (nonnull instancetype)init OBJC_DESIGNATED_INITIALIZER;
@end

查看 SIL文件发现被 @objc修饰的函数声明有两个：swift + OC（内部调用的swift中的teach函数）

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即在SIL文件中生成了两个方法

swift原有的函数
@objc标记暴露给OC来使用的函数：内部调用swift原有函数

dynamic 修饰

以下面代码为例，查看 dynamic修饰的函数的调度方式

class HTTeacher: NSObject {
    dynamic func teacher() { print("teacher") }
    func teacher1() { print("teacher1") }
    func teacher2() { print("teacher2") }
    func teacher3() { print("teacher3") }
}

其中 teach函数的调度还是 函数表调度，可以通过断点调试验证，使用 dynamic的意思是可以动态修改，意味着当类继承自NSObject时，可以使用 method-swizzling

@objc + dynamic

class HTTeacher: NSObject {
    @objc dynamic func teacher() { print("teacher") }
    func teacher1() { print("teacher1") }
    func teacher2() { print("teacher2") }
    func teacher3() { print("teacher3") }
}

通过断点调试，走的是 objc_msgSend流程，即 动态消息转发

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swift中实现方法交换

在swift中的需要交换的函数前，使用dynamic修饰，然后通过: @_dynamicReplacement(for: 函数符号)进行交换，如下所示

class HTTeacher {
    dynamic func teacher() { print("teacher") }
    func teacher1() { print("teacher1") }
    func teacher2() { print("teacher2") }
    func teacher3() { print("teacher3") }
}

extension HTTeacher {
    @_dynamicReplacement(for: teacher)
    func teacher5() {
        print("teacher5")
    }
}

var t = HTTeacher()
t.teacher()

将 teacher()方法替换成了 teacher5

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如果 teacher()方法没有实现或者 没有dynamic修饰符，会报错

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方法调度总结

struct是值类型，其中函数的调度属于直接调用地址，即静态调度
class是引用类型，其中函数的调度是通过V-Table函数表来进行调度的，即动态调度
extension中的函数调度方式是直接调度
final修饰的函数调度方式是直接调度
@objc修饰的函数调度方式是函数表调度，如果OC中需要使用，class还必须继承NSObject
dynamic修饰的函数的调度方式是函数表调度，使函数具有动态性
@objc + dynamic 组合修饰的函数调度，是执行的是 objc_msgSend流程，即 动态消息转发

内存插件 libfooplugin.dylib的使用

安装和使用

方式一

在根目录下创建 .lldbinit 􏰈􏰉􏰊文件： vim /.lldbinit
然后输入 plugin load libfooplugin.dylib路径

方式二

在通过lldb调试的时候，直接输入 plugin load libfooplugin.dylib路径

使用

在 lldb环境下，通过 cat address 地址使用

内存分区调试实践

堆区

对于堆区的内存来说，就是通过 new & malloc 关键字来申请的内存空间，不连续，类似链表的结构，最直观的就是类的实例对象。
定义代码如下，通过cat查看类实例的内存分区

class HTTeahcer {
    func teacher() {
        print("teacher")
    }
}

var t = HTTeahcer()

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从上图可以看出，类的实例对象存储在堆区，即 heap pointer

栈区

查看以下代码的 age内存地址位于哪个区？

func test() {
    // 我们在函数内部声明的age变量就是一个局部变量
    var age: Int = 18
    print(age)
}

test()

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从结果来看，age位于栈区，即 stack address，此处的age如果用 let修饰，取不到地址

全局区

对于C的分析

下面是C语言的部分代码，查看其变量的内存地址

//全局已初始化变量
int a = 10;
//全局未初始化变量
int age;

//全局静态变量
static int age2 = 30;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    char *p = "CJLTeacher";
    printf("%d", a);
    printf("%d", age2);
    return  0;
}

查看 a（全局已初始化变量）的内存地址

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其中 __DATA.__data表示 segment.section,这里的位置和全局区并不冲突，因为一个是人为的内存分配（内存布局分区），一个是 Mach-O的 segment.section段中，是文件的格式划分

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查看 age（全局未初始化变量）的内存地址

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age在Mach-O文件中，放在了__DATA.__common段，主要放的就是未初始化的符号声明（mach-o相比内存划分更细，主要是为了更好的定位符号），当然此时的 age在内存中依然在全局区
查看 age2（全局已初始化静态变量）的内存地址（其中需要注意：age2必须使用才能找到，否则会报错）

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观察3个变量的地址，其地址都是相邻的，因为在内存中都放在了全局区，观察其内存地址，可以发现，在全局区中，未初始化变量地址 比 已初始化变量地址 高

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如果定义了一个char *p = "CJLTeacher",查看 *p，Mach-O存储在__TEXT.cstring段，内存中存储在常量区

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如果是 const修饰的变量呢？存放在Mach-O文件中的__TEXT.__const段

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如果使用static + const修饰变量，此时变量在哪？

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查看 age4的内存地址，地址特别大，而且使用 cat查看不了，因为mach-o没有记录，age4 就是50，即使用static+const修饰的变量就相当于直接替换

对于Swift的分析

let age = 10

对于let修饰的变量，由于是不可变的，所以不能通过 po+cat查看内存，通过汇编首地址+偏移 来获取 age的内存，发现是在Mach-O的 __DATA.__common段

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从这里可以发现，这与C中是有所区别的。swift的不同之处：已经初始化的全局变量放在__DATA.__common段，猜测是因为 age开始是被标记为未初始化的，当我们执行代码之后才将 10存储到对应的内存地址中
如果是 var修饰的变量呢？可以发现与 let是一致的，还是 __DATA.__common段

var age2 = 20

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总结

对于C语言中全局变量，根据是否已经初始化，存储在Mach-O中存储位置是不同的
- 已初始化的全局变量：__DATA.__data
- 未初始化的全局变量：__DATA.__common
- 已初始化的全局静态变量，即static修饰：__DATA.__data
- 对于char *p类型的字符：__TEXT.cstring
- const修饰的全局变量：__TEXT.__const
- static+const修饰的全局变量：Mach-O中没有记录
对于 Swift中的全局变量
- let修饰的全局变量：__DATA.__common
- var修饰的全局变量：__DATA.__common

Swift进阶04:方法调度