iOS原理探索09--objc_msgSend流程分析之 动态方法决议 & 消息转发

在前面的两篇博客iOS原理探索08--objc_msgSend慢速查找流程分析和iOS原理探索07--objc_msgSend快速查找流程分析中，我们知道方法的调用查找流程：先在缓存中进行快速查找，如果快速查找没有找到，那么会进入慢速查找流，在方法的列表中进行查找，在这慢速查找流程结束后，没有找到的时候，会执行一次动态决议方法，如果动态决议还没有找到，会进行消息转发。如果消息转发也没有那么就会来到我们平时开发中的unrecognized selector sent to instance报错提示！

日常开发中没有方法实现的报错分析

  • 条件设置：创建一个LGPerson类，添加一个+(void)sayNB方法，但是并没有实现该方法；在main函数中通过初始化一个LGPerson类对象，调用sayNB方法，运行程序。
运行结果

可以看到，这里已经报错了。下面可以跟进源码来看一下报错的源代码实现。

  • 源代码实现
    根据慢速查找发现，报错都走到了根据慢速查找的源码，我们发现，其报错最后都是走到__objc_msgForward_impcache方法 
STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache

    // No stret specialization.
    b   __objc_msgForward

    END_ENTRY __objc_msgForward_impcache

    
    ENTRY __objc_msgForward

    adrp    x17, __objc_forward_handler@PAGE
    ldr p17, [x17, __objc_forward_handler@PAGEOFF]
    TailCallFunctionPointer x17
    
    END_ENTRY __objc_msgForward
  • 汇编实现中查找__objc_forward_handler，并没有找到该方法的实现，那么在源码中去掉一个下划线进行全局搜索_objc_forward_handler，最后发现默认执行的是objc_defaultForwardHandler方法。下面是源码实现。
// Default forward handler halts the process.
__attribute__((noreturn, cold)) void
objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel)
{
    _objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
                "(no message forward handler is installed)", 
                class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? '+' : '-', 
                object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;

打印输出的就是如上方法为找到的错误提示。

动态决议

  • 苹果建议在慢速查找没有找到方法实现的时候，使用动态决议方法，可以算是补救崩溃的一个机会吧。
  • 这个补救崩溃的机会就在lookUpImpOrForward方法中
//如果没有找到方法实现，尝试方法解析
    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //动态方法决议的控制条件，表示流程只走一次
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER;
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }
  • resolveMethod_locked源码实现
static NEVER_INLINE IMP
resolveMethod_locked(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    runtimeLock.assertLocked();
    ASSERT(cls->isRealized());

    runtimeLock.unlock();
    //对象 -- 类
    if (! cls->isMetaClass()) { //类不是元类，调用对象的解析方法
        // try [cls resolveInstanceMethod:sel]
        resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
    } 
    else {//如果是元类，调用类的解析方法， 类 -- 元类
        // try [nonMetaClass resolveClassMethod:sel]
        // and [cls resolveInstanceMethod:sel]
        resolveClassMethod(inst, sel, cls);
        //为什么要有这行代码？ -- 类方法在元类中是对象方法，所以还是需要查询元类中对象方法的动态方法决议
        if (!lookUpImpOrNil(inst, sel, cls)) { //如果没有找到或者为空，在元类的对象方法解析方法中查找
            resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
        }
    }

    // chances are that calling the resolver have populated the cache
    // so attempt using it
    //如果方法解析中将其实现指向其他方法，则继续走方法查找流程
    return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior | LOOKUP_CACHE);
}

所以如果没有实现的方法，我们可以通过resolveInstanceMethod进行一次补救，

  • 主要流程分为以下几个步骤

类不是元类，调用对象的解析方法，执行的是-(void) resolveInstanceMethod(id inst, SEL sel, Class cls)方法；
如果是元类，调用类的解析方法+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel， 即类 -- 元类

  • 分析流程图
    动态解析流程图
  • 实例方法的动态决议
static void resolveInstanceMethod(id inst, SEL sel, Class cls)
{
    runtimeLock.assertUnlocked();
    ASSERT(cls->isRealized());
    SEL resolve_sel = @selector(resolveInstanceMethod:);
    
    // look的是 resolveInstanceMethod --相当于是发送消息前的容错处理
    if (!lookUpImpOrNil(cls, resolve_sel, cls->ISA())) {
        // Resolver not implemented.
        return;
    }

    BOOL (*msg)(Class, SEL, SEL) = (typeof(msg))objc_msgSend;
    bool resolved = msg(cls, resolve_sel, sel); //发送resolve_sel消息

    // Cache the result (good or bad) so the resolver doesn't fire next time.
    // +resolveInstanceMethod adds to self a.k.a. cls
    //查找say666
    IMP imp = lookUpImpOrNil(inst, sel, cls);

    if (resolved  &&  PrintResolving) {
        if (imp) {
            _objc_inform("RESOLVE: method %c[%s %s] "
                         "dynamically resolved to %p", 
                         cls->isMetaClass() ? '+' : '-', 
                         cls->nameForLogging(), sel_getName(sel), imp);
        }
        else {
            // Method resolver didn't add anything?
            _objc_inform("RESOLVE: +[%s resolveInstanceMethod:%s] returned YES"
                         ", but no new implementation of %c[%s %s] was found",
                         cls->nameForLogging(), sel_getName(sel), 
                         cls->isMetaClass() ? '+' : '-', 
                         cls->nameForLogging(), sel_getName(sel));
        }
    }
}

主要分为以下几个步骤：

  • 在发送resolveInstanceMethod消息前，需要查找cls类中是否有该方法的实现，即通过lookUpImpOrNil方法又会进入lookUpImpOrForward慢速查找流程查找resolveInstanceMethod方法

  • 如果没有，则直接返回

  • 如果有，则发送resolveInstanceMethod消息再次慢速查找实例方法的实现，即通过lookUpImpOrNil方法又会进入lookUpImpOrForward慢速查找流程查找实例方法

  • 实例方法示例：say666未实现的方法，通过resolveInstanceMethod动态决议后由sayMaster进行实现。

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(say666)) {
        NSLog(@"%@ 来了", NSStringFromSelector(sel));
        //获取sayMaster方法的imp
        IMP imp = class_getMethodImplementation(self, @selector(sayMaster));
        //获取sayMaster的实例方法
        Method sayMethod  = class_getInstanceMethod(self, @selector(sayMaster));
        //获取sayMaster的丰富签名
        const char *type = method_getTypeEncoding(sayMethod);
        //将sel的实现指向sayMaster
        return class_addMethod(self, sel, imp, type);
    }
    
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
  • 类方法的动态决议
    解决未实现类方法调用崩溃问题，比如上面的+(void)sayNB;方法添加如下代码
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel{
    NSLog(@"%@ 来了",NSStringFromSelector(sel));
    if (sel == @selector(sayNB)) {

        IMP imp           = class_getMethodImplementation(objc_getMetaClass("LGPerson"), @selector(lgClassMethod));
        Method sayMMethod = class_getInstanceMethod(objc_getMetaClass("LGPerson"), @selector(lgClassMethod));
        const char *type  = method_getTypeEncoding(sayMMethod);
        return class_addMethod(objc_getMetaClass("LGPerson"), sel, imp, type);
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
}

输出结果
根据结果我们发现没有再出现崩溃的现象，并且LGPerson打印了lgClassMethod方法。注意：resolveClassMethod类方法的重写需要注意一点，传入的cls不再是类，而是元类，可以通过objc_getMetaClass方法获取类的元类，原因是因为类方法在元类中是实例方法。

动态决议相关优化

我们通过继承链可以知道，实例方法：类 -- 父类 -- 根类 -- nil，类方法元类 -- 根元类 -- 根类 -- nil。

isa流程图.png

那么我们可以将动态决议方法，放在NSObject的分类里面，统一实现未实现的方法。当然我们需要注意的是，这样会拦截系统的方法，我们可以按照项目模块针对自定义类中方法统一方法名的前缀判断。

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(say666)) {
        NSLog(@"%@ 来了", NSStringFromSelector(sel));
        
        IMP imp = class_getMethodImplementation(self, @selector(sayMaster));
        Method sayMethod  = class_getInstanceMethod(self, @selector(sayMaster));
        const char *type = method_getTypeEncoding(sayMethod);
        return class_addMethod(self, sel, imp, type);
    }else if (sel == @selector(sayNB)) {
        NSLog(@"%@ 来了", NSStringFromSelector(sel));
        
        IMP imp = class_getMethodImplementation(objc_getMetaClass("LGPerson"), @selector(lgClassMethod));
        Method lgClassMethod  = class_getInstanceMethod(objc_getMetaClass("LGPerson"), @selector(lgClassMethod));
        const char *type = method_getTypeEncoding(lgClassMethod);
        return class_addMethod(objc_getMetaClass("LGPerson"), sel, imp, type);
    }
    return NO;
}

消息转发

如果方法的快速查找、慢速查找以及动态决议都找不到的情况下，就会进行一个消息转发，我们可以利用消息转发来做一些操作避免出现崩溃，这同样是苹果给我们的一个避免发生错误的机会。

  • 通过instrumentObjcMessageSends的方式查看发送消息的日志

通过lookUpImpOrForward --> log_and_fill_cache --> logMessageSend,在logMessageSend源码下方找到instrumentObjcMessageSends的源码实现，所以，在main中调用instrumentObjcMessageSends打印方法调用的日志信息，有以下两点准备工作
1、打开 objcMsgLogEnabled 开关，即调用instrumentObjcMessageSends方法时，传入YES
2、在main中通过extern 声明instrumentObjcMessageSends方法

extern void instrumentObjcMessageSends(BOOL flag);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        instrumentObjcMessageSends(YES);
        [person sayHello];
        instrumentObjcMessageSends(NO);
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

可以根据源码提供的路径/tmp/msgSends查看日志

bool logMessageSend(bool isClassMethod,
                    const char *objectsClass,
                    const char *implementingClass,
                    SEL selector)
{
    char    buf[ 1024 ];

    // Create/open the log file
    if (objcMsgLogFD == (-1))
    {
        snprintf (buf, sizeof(buf), "/tmp/msgSends-%d", (int) getpid ());
        objcMsgLogFD = secure_open (buf, O_WRONLY | O_CREAT, geteuid());
        if (objcMsgLogFD < 0) {
            // no log file - disable logging
            objcMsgLogEnabled = false;
            objcMsgLogFD = -1;
            return true;
        }
    }

    // Make the log entry
    snprintf(buf, sizeof(buf), "%c %s %s %s\n",
            isClassMethod ? '+' : '-',
            objectsClass,
            implementingClass,
            sel_getName(selector));

    objcMsgLogLock.lock();
    write (objcMsgLogFD, buf, strlen(buf));
    objcMsgLogLock.unlock();

    // Tell caller to not cache the method
    return false;
}

运行程序崩溃，按照路径可以找到如下文件

  • 崩溃日志路径


    崩溃日志路径

  • 崩溃日志内容


    崩溃日志内容

打开日志我们可以看到

  • 两次动态方法决议：resolveInstanceMethod方法
  • 两次消息快速转发：forwardingTargetForSelector方法
  • 两次消息慢速转发：methodSignatureForSelector + resolveInstanceMethod
  • 使用bt查看堆栈信息
    运行程序崩溃查看堆栈信息
  • 发现___forwarding___来自CoreFoundation
    ___forwarding___来自CoreFoundation
  • image list读取整个镜像文件,然后搜索CoreFoundation，查看其可执行文件的路径如下图所示
    CoreFoundation路径
  • 根据CoreFoundation路径找到该文件
    `CoreFoundation`文件
  • 通过反汇编工具hopper查看
    CoreFoundation文件拖入hopper

搜索__forwarding_prep_0___方法，通过跳转____forwarding___，我们可以看到该方法的伪代码了，如下所示

____forwarding___部分伪代码

通过操作我们可以先判断是否实现了forwardingTargetForSelector方法，如果没有响应，跳转至loc_64a67也就是如果快速转发没有响应，则进入慢速转发流程，
loc_64a67伪代码实现
查看是否实现methodSignatureForSelector方法，如果没有响应，跳转至loc_64e3，则直接报错，如果获取methodSignatureForSelector的方法签名为nil，也是直接报错
loc_64e3c伪代码

如果methodSignatureForSelector返回值不为空，则在forwardInvocation方法中对invocation进行处理
`methodSignatureForSelector`返回值`不为空逻辑处理伪代码实现

  • 消息转发机制流程图


    消息转发机制流程图

    消息转发的处理主要分为两部分：

【快速转发】当慢速查找，以及动态方法决议均没有找到实现时，进行消息转发，首先是进行快速消息转发，即走forwardingTargetForSelector方法如果返回消息接收者，在消息接收者中还是没有找到，则进入另一个方法的查找流程如果返回nil，则进入慢速消息转发。

【慢速转发】执行到methodSignatureForSelector方法,如果返回的方法签名为nil，则直接崩溃报错

如果返回的方法签名不为nil，走到forwardInvocation方法中，对invocation事务进行处理，如果不处理也不会报错

总结：消息转发有三种
  • forwardingTargetForSelector快速转发
    如果动态决议没有找到方法，则需要在LGPerson中重写forwardingTargetForSelector方法，将LGPerson的实例方法的接收者指定为LGStudent的对象，代码如下
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s - %@",__func__,NSStringFromSelector(aSelector));

//     runtime + aSelector + addMethod + imp
    //将消息的接收者指定为LGStudent，在LGStudent中查找say666的实现
    return [LGStudent alloc];
}

输出结果如下所示
forwardingTargetForSelector进行消息快速转发
  • methodSignatureForSelector和forwardInvocation慢速转发

如果快速转发没有找到方法的实现，就会进行慢速转发流程，代码如下

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s - %@",__func__,NSStringFromSelector(aSelector));
    return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    NSLog(@"%s - %@",__func__,anInvocation);
    // GM  sayHello - anInvocation - 漂流瓶 - anInvocation
    anInvocation.target = [LGStudent alloc];
    // anInvocation 保存 - 方法
    [anInvocation invoke];
}

输出结果如下所示，并且发现forwardInvocation方法中不对invocation进行处理，也不会崩溃报错。

快速转发流程输出结果

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