iOS底层探索之objc_msgSend流程——快速查找

objc_msgsend

runtime运行时

  • 编译时：顾名思义就是正在编译的时候，把源代码编译成机器能识别的语言，主要是对语言进行最基本的检查报错，即词法分析、语法分析等，是一个静态的阶段。command + b。

  • 运行时：就是代码跑起来被装载到内存中去了，如果此时出错，程序会崩溃，是一个动态的阶段。command + R
    runtime：一套由C/C++``汇编写成的为我们OC提供运行时功能的API。现行对应的编程接口：Objective2.0。runtime的使用有以下三种方式，其中三种实现方法与编译层和底层的关系图,如下图所示：

    image.png

  • 通过OC代码，如直接调用方法[LGPerson sayHello]等。

  • 通过NSObject方法，如isKindOfClass，isMemberOfClass等。

  • 通过runtim API，如class_getInstanceSize等底层方法。
    其中Compiler就是我们了解的编译器，即LLVM，runtime System Library--底层库。

探索OC方法本质

  • 1、新建一个Person类，并声明一个实例方法。
@interface Person : NSObject
-(void)eat;
@end

@implementation Person
-(void)eat {
    NSLog(@"%s",__func__);
}
@end
  • 2、在main.h文件中，初始化Person，并调用eat方法。
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        Person * p = [Person alloc];
        [p eat];
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}
  • 3、执行clang，将main.m文件编译成main.cpp文件，在main.cpp文件中我们找到main函数。
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_jf_j8m194qs4517fp_kg01ywhhh0000gn_T_main_b774b2_mi_0);
        Person * p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("eat"));
    }
    return 0;
}

分析main.cpp文件的main函数我们发现，在调用alloc，eat方法时都使用了objc_msgSend这个方法，消息发送。然后通过runtime直接在main函数使用这个objc_msgSend方式调用一下eat方法，看能否打印出结果。

1、直接调用objc_msgSend，需要导入头文件#import <objc/message.h>。

2、需要将target --> Build Setting -->搜索msg -- 将enable strict checking of obc_msgSend calls由YES 改为NO，将严厉的检查机制关掉，否则objc_msgSend的参数会报错。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        Person * p = [Person alloc];
        [p eat];
        objc_msgSend((id)p, sel_registerName("eat"));
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

运行打印结果如下：


image.png

调用父类方法
新建Teacher类继承于Person类。

#import "Person.h"
@interface Teacher : Person
@end
@implementation Teacher
@end

在main.m文件中，使用声明并teacher，并调用eat方法;使用objc_msgSendSuper调用eat方法。

struct objc_super teacher;
Teacher * t = [Teacher alloc];
[t eat];
teacher.receiver = t;
teacher.super_class = [t class];
objc_msgSendSuper(&teacher, sel_registerName("eat"));

打印结果如下：


image.png

发现：两种方式都调用了父类Person的eat的方法。
方法的本质就是发送消息，OC调用方法等价于runtime中的objc_msgSend和objc_msgSendSuper消息发送。方法的调用，首先是从类中查找，如果类中没有找到，就会去类的父类中查找。

objc_msgSend快速查找流程分析

在objc4-781源码中，搜索objc_msgSend，由于我们日常开发的都是架构是arm64，所以需要在arm64.s后缀的文件中查找objc_msgSend源码实现，发现是汇编实现。

汇编的主要特性：速度快，更容易被机器识别。方法参数的动态性，汇编调用函数时传递的参数是不确定的，那么发送消息时，直接调用一个函数就可以发送所有的消息。

快速查找：cache中查找

慢速查找：methodList中查找，消息转发

流程如下图：


objc_msgSend流程分析

源码分析：

//消息发送 --汇编入口--obj_msgSend主要是拿到接收者的isa信息
    ENTRY _objc_msgSend
//--无窗口
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame
//--比较p0和空做对比,判断p0（recevier）消息接收者对象是否为空,其中p0是objec_msgSend的第一个参数-消息接收者receiver
    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check
//--le小于--支持taggedpointer（小对象类型）的流程
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)如果支持了tagerpointer类型
#else
//--p0 等于0时 ，直接返回空
    b.eq    LReturnZero     //返回0
#endif
//--p0即receiver 肯定存在流程
//--根据对象拿出isa，即x0寄存器指向的地址 取出isa，存入 p13寄存器
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa  消息存在，拿出isa-拿到类
//--在64位架构下通过p16 = isa （p13）& isa_mask ，拿出shiftcls信息，得到class信息
    GetClassFromIsa_p16 p13     // p16 = class
LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached
//--如果有isa，走到cachelookup，即缓存查找流程，也就是所谓的sel-imp快速查找流程
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend

#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged:
//--等于空，返回空
    b.eq    LReturnZero     // nil check

    // tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #60, #4
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    adrp    x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGE
    add x10, x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEOFF
    cmp x10, x16
    b.ne    LGetIsaDone

    // ext tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #52, #8
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    b   LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endif

LReturnZero:
    // x0 is already zero
    mov x1, #0
    movi    d0, #0
    movi    d1, #0
    movi    d2, #0
    movi    d3, #0
    ret

    END_ENTRY _objc_msgSend

1、首先判断p0是否为空，objc_msgSend方法的第一个参数receiver是否为空
* 如果为空：直接返回0 LReturnZero
* 如果支持小对象tagged pointer，跳转至LNilOrTagged
* 如果存在receiver（p0存在），不是小对象，从receiver中取出isa存入p13寄存器，
通过GetClassFromIsa_p16中，arm64架构下通过 isa & ISA_MASK获取shiftcls位域的类信息，即class，GetClassFromIsa_p16的汇编实现如下：

.macro GetClassFromIsa_p16 /* src */

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    // Indexed isa
//---- 将isa的值存入p16寄存器
    mov p16, $0         // optimistically set dst = src
    tbz p16, #ISA_INDEX_IS_NPI_BIT, 1f  // done if not non-pointer isa--判断是否是nonapointer isa
    // isa in p16 is indexed
//---- 将_objc_indexed_classes所在的页的基址 读入x10寄存器
    adrp    x10, _objc_indexed_classes@PAGE
//---- x10 = x10 + _objc_indexed_classes(page中的偏移量) --x10基址 根据 偏移量 进行 内存偏移
    add x10, x10, _objc_indexed_classes@PAGEOFF
//---- 从p16的第ISA_INDEX_SHIFT位开始，提取 ISA_INDEX_BITS 位 到 p16寄存器，剩余的高位用0补充
    ubfx    p16, p16, #ISA_INDEX_SHIFT, #ISA_INDEX_BITS  // extract index
    ldr p16, [x10, p16, UXTP #PTRSHIFT] // load class from array
1:
//--用于64位系统
#elif __LP64__
    // 64-bit packed isa
//---- p16 = class = isa & ISA_MASK(位运算 & 即获取isa中的shiftcls信息)
    and p16, $0, #ISA_MASK

#else
    // 32-bit raw isa
// 32-bit raw isa ---- 用于32位系统
    mov p16, $0

#endif

.endmacro

2、开启缓存查找流程：CacheLookup
其汇编实现如下：

.macro CacheLookup
    //
    // Restart protocol:
    //
    //   As soon as we're past the LLookupStart$1 label we may have loaded
    //   an invalid cache pointer or mask.
    //
    //   When task_restartable_ranges_synchronize() is called,
    //   (or when a signal hits us) before we're past LLookupEnd$1,
    //   then our PC will be reset to LLookupRecover$1 which forcefully
    //   jumps to the cache-miss codepath which have the following
    //   requirements:
    //
    //   GETIMP:
    //     The cache-miss is just returning NULL (setting x0 to 0)
    //
    //   NORMAL and LOOKUP:
    //   - x0 contains the receiver
    //   - x1 contains the selector
    //   - x16 contains the isa
    //   - other registers are set as per calling conventions
    //
LLookupStart$1:

    // p1 = SEL, p16 = isa  #CACHE = 2 * pointer->平移16个字节得到cache_t
    //_maskAndBuckets   高16位为mask   bucket为低48位
//---- p1 = SEL, p16 = isa --- #define CACHE (2 * __SIZEOF_POINTER__)，其中 __SIZEOF_POINTER__表示pointer的大小 ，即 2*8 = 16
//---- p11 = mask|buckets -- 从x16（即isa）中平移16字节，取出cache 存入p11寄存器 -- isa距离cache 正好16字节：isa（8字节）-superClass（8字节）-cache（mask高16位 + buckets低48位）
    ldr p11, [x16, #CACHE]              // p11 = mask|buckets

//-- 64位真机
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//--p11(cache) & 0x0000ffffffffffff,mask高16位抹零，得到buckets 存入p10寄存器--即去掉mask，留下buckets
    and p10, p11, #0x0000ffffffffffff   // p10 = buckets  获取buckets
//--p11(cache)右移48位，得到mask（即p11 存储 mask），mask & p1（msgSend的第二个参数cmd-sel），得到sel-imp的下标index（即搜索下标）存入p12（cache insert写入时的哈希下标计算是通过 sel & mask，读取时也需要通过这种方式）
    and p12, p1, p11, LSR #48       // x12 = _cmd & mask 逻辑右移 获取mask
//--非64位真机
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    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

//--p12是下标，p10是buckets数组首地址，下标 * 1 << 4(即16)得到实际内存的偏移量，通过buckets的首地址偏移，获取bucket存入p12寄存器
//--LSL#(1+PTRSHIFT)--实际含义就是得到一个bucket占用的内存的大小--相当于mask=occupied-1 --- _cmd & mask --取余数
    add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)
                     // p12 = buckets + ((_cmd & mask) << (1+PTRSHIFT))

//--从x12（即p12）中取出bucket  分别将imp和sel存入 p17（存储imp）和 p9（存储sel）、
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket
//--比较sel和p1（传入的参数_cmd）
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
//--如果不相等，即没有找到，请跳转至2f
    b.ne    2f          //     scan more
//如果相等 即CacheHit 缓存命中 直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
//--如果一直都找不到 因为是normal，跳转值__objc_msgSend_uncached
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
//--判断p12（下标对应的bucket） 是否等于 p0 （bucket是数组的第一个元素），如果等于则跳转至第3步
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
//--- 定位到最后一个元素（即第一个bucket）
    b.eq    3f
//--- 从x12（即p12 buckets首地址）- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二个bucket元素，imp-sel分别存入p17-p9，即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket
//--- 跳转至第1步，继续对比 sel 与 cmd
    b   1b          // loop

3:  // wrap: p12 = first bucket, w11 = mask
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
//--- 人为设置到最后一个元素
//--- p11（mask）右移44位 相当于mask左移4位，直接定位到buckets的最后一个元素，缓存查找顺序是向前查找
    add p12, p12, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    add p12, p12, p11, LSL #(1+PTRSHIFT)
                    // p12 = buckets + (mask << 1+PTRSHIFT)
#else
#error Unsupported cache mask storage for ARM64.
#endif

    // Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
    // The slow path may detect any corruption and halt later.
//--- 再查找一遍缓存()
//--- 拿到x12（即p12）bucket中的 imp-sel 分别存入 p17-p9
    ldp p17, p9, [x12]      // {imp, sel} = *bucket

//--- 比较 sel 与 p1（传入的参数cmd）
1:  cmp p9, p1          // if (bucket->sel != _cmd)
//--- 如果不相等，即走到第二步
    b.ne    2f          //     scan more
//--- 如果相等 即命中，直接返回imp
    CacheHit $0         // call or return imp
    
2:  // not hit: p12 = not-hit bucket
//--- 如果一直找不到，则CheckMiss
    CheckMiss $0            // miss if bucket->sel == 0
//--- 判断p12（下标对应的bucket） 是否 等于 p10（buckets数组第一个元素）-- 表示前面已经没有了，但是还是没有找到
    cmp p12, p10        // wrap if bucket == buckets
    b.eq    3f   //如果等于，跳转至第3步
//--- 从x12（即p12 buckets首地址）- 实际需要平移的内存大小BUCKET_SIZE，得到得到第二个bucket元素，imp-sel分别存入p17-p9，即向前查找
    ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!  // {imp, sel} = *--bucket
//--- 跳转至第1步，继续对比 sel 与 cmd
    b   1b          // loop

LLookupEnd$1:
LLookupRecover$1:
3:  // double wrap
//--- 跳转至JumpMiss 因为是normal ，跳转至__objc_msgSend_uncached
    JumpMiss $0

.endmacro

汇编流程分析：
LLookupStart$1:-->很好解释，就是开始查找
ldr p11, [x16, #CACHE]-->从x16（即isa）中平移16字节，取出cache 存入p11寄存器 -- isa距离cache正好16字节：isa（8字节）-superClass（8字节）-cache（mask高16位 + buckets低48位）

and p10, p11, #0x0000ffffffffffff-->p11(cache) & 0x0000ffffffffffff,mask高16位抹零，得到buckets存入p10寄存器--即去掉mask，留下buckets。

and p12, p1, p11, LSR #48-->p11(cache)右移48位，得到mask（即p11存储 mask），mask & p1（msgSend的第二个参数cmd-sel），得到sel-imp的下标index（即搜索下标）存入p12（cache insert写入时的哈希下标计算是通过sel & mask，读取时也需要通过这种方式）

add p12, p10, p12, LSL #(1+PTRSHIFT)-->p10上面说了是bucket的首位，将其左移p12*4位（p12是传进来方法，通过哈希算法得到的下标，每个bucket包含sel以及imp，所以每个bucket是16字节，左移4位，就是左移16字节，下标乘于16，就拿到cache_t这个下标的bucket。)

1：方法
ldp p17, p9, [x12]-->通过bucket的结构体得到{imp, sel} = *bucket
cmp p9, p1-->是取的sel跟p1传进来的_cmd（就是传进来的sel）不相等
b.ne 2f-->如果不相等，进入2
CacheHit $0-->如果相等，返回imp

2：方法：上面查找不相等，下面的方法是递归查找
CheckMiss $0-->如果从最后一个元素遍历过来都找到不到，就返回CheckMiss。
cmp p12, p10-->我们知道p10是第一个bucket，p12是算的下标，这意思（判断下标发现不是第一个)
b.eq 3f-->如果下标是第一个，走3
ldp p17, p9, [x12, #-BUCKET_SIZE]!-->如果不是第一个，就向前取bucket，循环一次对内存偏移-1，把取的bucket给p17
b 1b-->执行1

3：方法：上面发现是第一个bucket
add p12, p12, p11, LSR #(48 - (1+PTRSHIFT))-->p11右移48-(1+3)=44位，再跟第一次通过哈希算法的得到的下标p12，再次进行哈希算法。这次得到的这个下标是cache_t的最后一位。

再查找一遍缓存后面再执行1，2方法。
如果当前的bucket还是等于 buckets的第一个元素，则直接跳转至JumpMiss，此时的$0是normal，也是直接跳转至__objc_msgSend_uncached，即进入慢速查找流程

CheckMiss和JumpMiss的汇编流程

.macro CheckMiss
    // miss if bucket->sel == 0
.if $0 == GETIMP
//--- 如果为GETIMP ，则跳转至 LGetImpMiss
    cbz p9, LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
//--- 如果为NORMAL ，则跳转至 __objc_msgSend_uncached
    cbz p9, __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
//--- 如果为LOOKUP ，则跳转至 __objc_msgLookup_uncached
    cbz p9, __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro

.macro JumpMiss
.if $0 == GETIMP
    b   LGetImpMiss
.elseif $0 == NORMAL
    b   __objc_msgSend_uncached
.elseif $0 == LOOKUP
    b   __objc_msgLookup_uncached
.else
.abort oops
.endif
.endmacro
位运算相关：
image.png
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