objc_msgSend 消息转发流程探究一

运行时理解

通过这张图片我们可以看到，我们平时调用 oc 方法其实本质就是调用 runtime 的 api，就是发消息。那么我们平常的 oc 方法调用，在底层又是如何实现的呢？

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/message.h>

@interface CXPerson : NSObject
- (void)sayHello;
@end

@implementation CXPerson
- (void)sayHello {
    NSLog(@"CXPerson - sayHello");
}
@end



int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CXPerson *person = [CXPerson alloc];
        [person sayHello];
    }
    return 0;
}

我们先建立一个工程，在 main.m 文件定义一个 CXPerson 类，并调用 sayHello 方法。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        CXPerson *person = ((CXPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("CXPerson"), sel_registerName("alloc"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("sayHello"));
    }
    return 0;
}

然后打开终端，cd 到 main.m 所在文件目录，然后输入 clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 命令，最后会看到生成了一个 main.cpp 文件。然后找到 main 函数的实现代码。可以看到 alloc 跟 sayHello 方法的调用在底层都会转为 objc_msgSend 的调用形式。

通过代码可以看到消息的发送需要两个参数 objc_msgSend(消息接受者, 消息的主题(sel + 参数))，消息接收者跟消息主题。那么我们是否能直接调用底层的消息发送方法呢？这里我们来试一下。

这里可以看到，我们自己直接调用 objc_msgSend 方法也是可以的。

`objc_msgSend` 源码探究

这里我们来看一下 objc_msgSend 方法再源码中的实现，全局搜索 objc_msgSend 我们可以看到，不同架构下 objc_msgSend 对应的汇编代码。因为我们真机常用的是 arm64 架构，这里我们就分析一下 arm64 架构下的汇编实现。

ENTRY _objc_msgSend (进入到 objc_msgSend )

    ENTRY _objc_msgSend
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame

// p0代表消息接受者的地址，这里判断消息接收者是否存在
    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check

// 如果消息接受者不存在，就会走到这里。这这里也会有判断
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
// 如果为SUPPORT_TAGGED_POINTERS类型走到这里
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)
#else
// 不为SUPPORT_TAGGED_POINTERS类型走到这里
    b.eq    LReturnZero

// 如果消息接收者存在就会走到这里
#endif
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa (消息接收者的首地址)
    GetClassFromIsa_p16 p13, 1, x0  // p16 = class
// 这个通过消息接收者 receviece 获取 class 的原因是因为方法存在 cache 里面，而 cache 是类结构体的属性。cache 中有 cache_getIMP方法。通过 sel 获取 imp。
LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend, __objc_msgSend_uncached

#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged:
    b.eq    LReturnZero     // nil check
    GetTaggedClass
    b   LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endif

这一步主要是判断消息接受者是否存在，如果存在的话就把 isa 赋值给 p13，并作为参数带入到 GetClassFromIsa_p16 方法。

.macro GetClassFromIsa_p16 src, needs_auth, auth_address (通过 isa 获取 class)

.macro GetClassFromIsa_p16 src, needs_auth, auth_address /* note: auth_address is not required if !needs_auth */

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    // Indexed isa
    mov p16, \src           // optimistically set dst = src
    tbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f  // done if not non-pointer isa
    // isa in p16 is indexed
    adrp    x10, _objc_indexed_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
    ubfx    p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS  // extract index
    ldr p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT] // load class from array
1:

#elif __LP64__
.if \needs_auth == 0 // _cache_getImp takes an authed class already
    mov p16, \src
.else
    // 64-bit packed isa
        // and    $0, $1, #ISA_MASK $1就是 p13,就是 isa，与上ISA_MASK得到 class，并赋值给 p16
    ExtractISA p16, \src, \auth_address
.endif
#else
    // 32-bit raw isa
    mov p16, \src

#endif

这一步主要是通过 isa 获取 class，因为 cache 是类结构体的一个属性。而 chache_getIMP 存在于 cache 中。

全局搜索可以看到 ExtractISA 的实现，代表 $1 与上 ISA_MASK 并赋值给 $0。

.macro CacheLookup Mode, Function, MissLabelDynamic, MissLabelConstant

.macro CacheLookup Mode, Function, MissLabelDynamic, MissLabelConstant


// 把 `p16` 移动到 `x15`
    mov x15, x16            // stash the original isa


// 开始进入objc_msgSend流程
LLookupStart\Function:
    // p1 = SEL, p16 = isa
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRS
    ldr p10, [x16, #CACHE]              // p10 = mask|buckets
    lsr p11, p10, #48           // p11 = mask
    and p10, p10, #0xffffffffffff   // p10 = buckets
    and w12, w1, w11            // x12 = _cmd & mask


#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
// 如果是 arm64 结果会走到这里
    ldr p11, [x16, #CACHE]          // p11 = mask|buckets


    #if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
    // 全局搜索CONFIG_USE_PREOPT_CACHES(#if defined(__arm64__) && TARGET_OS_IOS && !TARGET_OS_SIMULATOR && !TARGET_OS_MACCATALYST#define CONFIG_USE_PREOPT_CACHES 1) 得到CONFIG_USE_PREOPT_CACHES等于 1，所以走到这里
      #if __has_feature(ptrauth_calls)
    tbnz    p11, #0, LLookupPreopt\Function
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets
      #else


    //p11` 与上 `0x0000fffffffffffe` 得到 `buckets` 并赋值给 `p10
    and p10, p11, #0x0000fffffffffffe   // p10 = buckets
    //p11跟 0 相比较，如果不为零就跳转到到 LLookupPreopt
    tbnz    p11, #0, LLookupPreopt\Function

      #endif
// 如果为零会走到这里。p1 右移7 个位置赋值给 x12
    eor p12, p1, p1, LSR #7
    and p12, p12, p11, LSR #48      // x12 = (_cmd ^ (_cmd >> 7)) & mask
    #else

// 如果模拟器会走到这里，p11为 cache，与上0x0000ffffffffffff得到 buckets 并赋值给 p10
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets
//p11右移动 48 位就会得到 mask 的值
// p1(_cmd) & mask -> index -> p12 = index
    and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask

#endif // CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    ldr p11, [x16, #CACHE]              // p11 = mask|buckets
    and p10, p11, #~0xf         // p10 = buckets
    and p11, p11, #0xf          // p11 = maskShift
    mov p12, #0xffff
    lsr p11, p12, p11           // p11 = mask = 0xffff >> p11
    and p12, p1, p11            // x12 = _cmd & mask
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif


// p11 cache -> p10 = buckets
// p1(_cmd) & mask = index -> p12
// 全局搜索 PTRSHIFT 等于 3 #define PTRSHIFT 3  
// (_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT) ->  (_cmd & mask) << 4
// buckets + 内存平移（1，2，3，4） = b[i]
// p13 当前查找的 bucket
    add p13, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
                                                // p13 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))


                        // do {
// * bucket-- p17, p9同时存入bucket--
// 拿到相应的bucket里面的东西 imp(p17)  sel(p9)
// 查到的 sel 跟我们要查的 sel 进行比较，如果一样，就会走到 2 里面，不等于就会走到 3 里面，其实就是循环查找
1:  ldp p17, p9, [x13], #-BUCKET_SIZE   //     {imp, sel} = *bucket--
    cmp p9, p1              //     if (sel != _cmd) {
    b.ne    3f              //         scan more
                        //     } else {
2:  CacheHit \Mode              // hit:    call or return imp
                        //     }
3:  cbz p9, \MissLabelDynamic       //     if (sel == 0) goto Miss;
    cmp p13, p10            // } while (bucket >= buckets)
    b.hs    1b

调用 CacheLookup 方法并带入 NORMAL, _objc_msgSend, __objc_msgSend_uncached 这几个参数。

ldr p11, [x16, #CACHE]
把 x16 的地址平移 CACHE 大小。
#define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__)
全局搜索 #define CACHE 可以得到 CACHE 是两个指针的大小为 16个字节。
[x16, #CACHE] -> p11 -> cache_t
所以 p11 就是等于 cache_t。
CONFIG_USE_PREOPT_CACHES

#if defined(__arm64__) && TARGET_OS_IOS && !TARGET_OS_SIMULATOR && !TARGET_OS_MACCATALYST
#define CONFIG_USE_PREOPT_CACHES 1

全局搜索 CONFIG_USE_PREOPT_CACHES，得到 CONFIG_USE_PREOPT_CACHES 等于 1。

//p11` 与上 `0x0000fffffffffffe` 得到 `buckets` 并赋值给 `p10
and p10, p11, #0x0000fffffffffffe   // p10 = buckets
//p11跟 0 相比较，如果不为零就跳转到到 LLookupPreopt
tbnz    p11, #0, LLookupPreopt\Function

LLookupPreopt\Function
CacheHit

.macro CacheHit
.if $0 == NORMAL
// 如果 $0 等于 NORMAL就会走到TailCallCachedImp
    TailCallCachedImp x17, x10, x1, x16 // authenticate and

TailCallCachedImp

//CacheHit: x17 = cached IMP, x10 = address of buckets, x1 = SEL, x16 = isa
.macro TailCallCachedImp
    // $0 = cached imp, $1 = address of cached imp, $2 = SEL, $3 = isa
// $0(x17) ^  $3(isa) = 编码(imp)
    eor $0, $0, $3
// 跳转到$0(imp),就是执行 imp 方法
    br  $0

最后总结

objc_msgSend(recevier, _cmd) sel -> imp

判断 recevier 是否存在
通过 recevier 找到 isa 找到 class（p16）
class 内存平移得到 cache(bucket mask)
bucket掩码 -> bucket
mask掩码 -> mask
insert哈希函数(mask_t)(value & mask);
第一次查找 index
bucket + index -> 整个缓存里的第几个 bucket
bucket{imp, sel}
sel 与我们查找的 _cmd比较，如果相等 -> cacheHit(缓存命中) -> imp ^ class(isa) = imp -> (br)调用 imp
如果不相等 bucket-- ->再次平移 -> 找到 bucket 再次比较
死循环遍历查找
一直找不到就会走的 __objc_msgSend_uncached(执行CacheLookup方法带入的第三个参数)

未完待续。。。

objc_msgSend 消息转发流程探究一

运行时理解

objc_msgSend 源码探究

最后总结

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