习题内容
下面的代码会？Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?
@interface NSObject (Sark)
+ (void)foo;
@end
@implementation NSObject (Sark)
- (void)foo
{
NSLog(@"IMP: -[NSObject(Sark) foo]");
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
[NSObject foo];
[[NSObject new] foo];
}
return 0;
}
答案：代码正常输出，输出结果如下：
2014-11-06 13:11:46.694 Test[14872:1110786] IMP: -[NSObject(Sark) foo]
2014-11-06 13:11:46.695 Test[14872:1110786] IMP: -[NSObject(Sark) foo]
使用clang -rewrite-objc main.m重写，我们可以发现 main 函数中两个方法调用被转换成如下代码：
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("foo"));
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("new")), sel_registerName("foo"));
我们发现上述两个方法最终转换成使用 objc_msgSend 函数传递消息。
这里先看几个概念
objc_msgSend函数定义如下:
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)
关于 id 的解释请看objc runtime系列第二篇博文： objc runtime中Object & Class & Meta Class的细节
什么是 SEL
打开objc.h文件，看下SEL的定义如下:
typedef struct objc_selector *SEL;
SEL是一个指向objc_selector结构体的指针。而 objc_selector 的定义并没有在runtime.h中给出定义。我们可以尝试运行如下代码:
SEL sel = @selector(foo);
NSLog(@"%s", (char *)sel);
NSLog(@"%p", sel);
const char *selName = [@"foo" UTF8String];
SEL sel2 = sel_registerName(selName);
NSLog(@"%s", (char *)sel2);
NSLog(@"%p", sel2);
输出如下:
2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] foo
2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] 0x7fff8fde5114
2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] foo
2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] 0x7fff8fde5114
Objective-C在编译时，会根据方法的名字生成一个用来区分这个方法的唯一的一个ID。只要方法名称相同，那么它们的ID就是相同的。
两个类之间，不管它们是父类与子类的关系，还是之间没有这种关系，只要方法名相同，那么它的SEL就是一样的。每一个方法都对应着一个SEL。编译器会根据每个方法的方法名为那个方法生成唯一的SEL。这些SEL组成了一个Set集合，当我们在这个集合中查找某个方法时，只需要去找这个方法对应的SEL即可。而SEL本质是一个字符串，所以直接比较它们的地址即可。
当然，不同的类可以拥有相同的selector。不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。
那么什么是IMP呢
继续看定义:
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
IMP本质就是一个函数指针，这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id，调用方法的SEL，以及一些方法参数，并返回一个id。因此我们可以通过SEL获得它所对应的IMP，在取得了函数指针之后，也就意味着我们取得了需要执行方法的代码入口，这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。
那么 objc_msgSend 到底是怎么工作的呢
在Objective-C中，消息直到运行时才会绑定到方法的实现上。编译器会把代码中[target doSth]转换成 objc_msgSend消息函数，这个函数完成了动态绑定的所有事情。它的运行流程如下:
- 检查selector是否需要忽略。(ps: Mac开发中开启GC就会忽略retain,release方法。)
- 检查target是否为nil。如果为nil，直接cleanup，然后return。(这就是我们可以向nil发送消息的原因。)
- 然后在target的Class中根据Selector去找IMP
寻找IMP的过程:
- 先从当前class的cache方法列表（cache methodLists）里去找
- 找到了，跳到对应函数实现
- 没找到，就从class的方法列表（methodLists）里找
- 还找不到，就到super class的方法列表里找，直到找到基类(NSObject)为止
- 最后再找不到，就会进入动态方法解析和消息转发的机制。(这部分知识，下次再细谈)
那么什么是方法列表呢
上一篇博文中提到了objc_class结构体定义，如下：
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list {
struct objc_method_list *obsolete OBJC2_UNAVAILABLE;
int method_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_method method_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
}
1) objc_method_list 就是用来存储当前类的方法链表，objc_method存储了类的某个方法的信息。
Method
typedef struct objc_method *Method;
Method 是用来代表类中某个方法的类型，它实际就指向objc_method结构体，如下:
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
method_types是个char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。- SEL 和 IMP 就是我们上文提到的，所以我们可以理解为objc_class中 method list保存了一组SEL<->IMP的映射。
2）objc_cache 用来缓存用过的方法，提高性能。
Cache
typedef struct objc_cache *Cache OBJC2_UNAVAILABLE;
实际指向objc_cache结构体，如下:
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
- mask: 指定分配cache buckets的总数。在方法查找中，Runtime使用这个字段确定数组的索引位置
- occupied: 实际占用cache buckets的总数
- buckets: 指定Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是，指针可能是NULL，表示这个缓存bucket没有被占用，另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。
objc_msgSend每调用一次方法后，就会把该方法缓存到cache列表中，下次的时候，就直接优先从cache列表中寻找，如果cache没有，才从methodLists中查找方法。
说完了 objc_msgSend， 那么题目中的Category又是怎么工作的呢?
继续看概念
我们知道Catagory可以动态地为已经存在的类添加新的方法。这样可以保证类的原始设计规模较小，功能增加时再逐步扩展。在runtime.h中查看定义:
typedef struct objc_category *Category;
同样也是指向一个 objc_category 的C 结构体，定义如下:
struct objc_category {
char *category_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *class_name OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list *instance_methods OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list *class_methods OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
通过上面的结构体，大家可以很清楚的看出存储的内容。我们继续往下看，打开objc源代码，在 objc-runtime-new.h中我们可以发现如下定义:
struct category_t {
const char *name;
classref_t cls;
struct method_list_t *instanceMethods;
struct method_list_t *classMethods;
struct protocol_list_t *protocols;
struct property_list_t *instanceProperties;
};
上面的定义需要提到的地方有三点:
- name 是指 class_name 而不是 category_name
- cls是要扩展的类对象，编译期间是不会定义的，而是在Runtime阶段通过name对应到对应的类对象
- instanceProperties表示Category里所有的properties，这就是我们可以通过objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject增加实例变量的原因，不过这个和一般的实例变量是不一样的
为了验证上述内容，我们使用clang -rewrite-objc main.m重写，题目中的Category被编译器转换成了这样:
// @interface NSObject (Sark)
// + (void)foo;
/* @end */
// @implementation NSObject (Sark)
static void _I_NSObject_Sark_foo(NSObject * self, SEL _cmd) {
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_dd1ee3_mi_0);
}
// @end
static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) =
{
"NSObject",
0, // &OBJC_CLASS_$_NSObject,
(const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_NSObject_$_Sark,
0,
0,
0,
};
static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
&_OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark,
};
_OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark是按规则生成的字符串，我们可以清楚的看到是NSObject类,且Sark是NSObject类的Category_category_t结构体第二项 classref_t 没有数据，验证了我们上面的说法- 由于题目中只有
- (void)foo方法，所以结构体中存储的list只有第三项instanceMethods被填充。 _I_NSObject_Sark_foo代表了Category的foo方法，I表示实例方法- 最后这个类的Category生成了一个数组，存在了
__objc_catlist里，目前数组的内容只有一个&_OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark
最终这些Category里面的方法是如何被加载的呢?
1.打开objc源代码，找到 objc-os.mm, 函数_objc_init为runtime的加载入口，由libSystem调用，进行初始化操作。
2.之后调用objc-runtime-new.mm -> map_images加载map到内存
3.之后调用objc-runtime-new.mm->_read_images初始化内存中的map, 这个时候将会load所有的类，协议还有Category。NSOBject的+load方法就是这个时候调用的
这里贴上Category被加载的代码：
// Discover categories.
for (EACH_HEADER) {
category_t **catlist =
_getObjc2CategoryList(hi, &count);
for (i = 0; i < count; i++) {
category_t *cat = catlist[i];
Class cls = remapClass(cat->cls);
if (!cls) {
// Category's target class is missing (probably weak-linked).
// Disavow any knowledge of this category.
catlist[i] = nil;
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: IGNORING category ???(%s) %p with "
"missing weak-linked target class",
cat->name, cat);
}
continue;
}
// Process this category.
// First, register the category with its target class.
// Then, rebuild the class's method lists (etc) if
// the class is realized.
BOOL classExists = NO;
if (cat->instanceMethods || cat->protocols
|| cat->instanceProperties)
{
addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
if (cls->isRealized()) {
remethodizeClass(cls);
classExists = YES;
}
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s",
cls->nameForLogging(), cat->name,
classExists ? "on existing class" : "");
}
}
if (cat->classMethods || cat->protocols
/* || cat->classProperties */)
{
addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
if (cls->ISA()->isRealized()) {
remethodizeClass(cls->ISA());
}
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)",
cls->nameForLogging(), cat->name);
}
}
}
}
1) 循环调用了 _getObjc2CategoryList方法，这个方法的实现是:
GETSECT(_getObjc2CategoryList, category_t *, "__objc_catlist");
方法中最后一个参数__objc_catlist就是编译器刚刚生成的category数组
2) load完所有的categories之后，开始对Category进行处理。
从上面的代码中我们可以发现：实例方法被加入到了当前的类对象中, 类方法被加入到了当前类的Meta Class中 (cls->ISA)
Step 1. 调用addUnattachedCategoryForClass方法
Step 2. 调用remethodizeClass方法, 在remethodizeClass的实现里调用attachCategoryMethods
static void
attachCategoryMethods(Class cls, category_list *cats, bool flushCaches)
{
if (!cats) return;
if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);
bool isMeta = cls->isMetaClass();
method_list_t **mlists = (method_list_t **)
_malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists));
// Count backwards through cats to get newest categories first
int mcount = 0;
int i = cats->count;
BOOL fromBundle = NO;
while (i--) {
method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta);
if (mlist) {
mlists[mcount++] = mlist;
fromBundle |= cats->list[i].fromBundle;
}
}
attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, flushCaches);
_free_internal(mlists);
}
这里把一个类的category_list的所有方法取出来生成了method list。这里是倒序添加的，也就是说，新生成的category的方法会先于旧的category的方法插入。
之后调用attachMethodLists将所有方法前序添加进类的method list中，如果原来类的方法列表是a，b，Category的方法列表是c，d。那么插入之后的方法列表将会是c，d，a，b。
小发现
-
看上面被编译器转换的代码，我们发现Category头文件被注释掉了，结合上面category的加载过程。这就是我们即使没有import category的头文件，都能够成功调用到Category方法的原因。
-
runtime加载完成后，Category的原始信息在类结构中将不会存在。
解惑
根据上面提到的知识，我们对题目中的代码进行分析。
1) objc runtime加载完后，NSObject的Sark Category被加载。而NSObject的Sark Category的头文件 + (void)foo 并没有实质参与到工作中，只是给编译器进行静态检查，所有我们编译上述代码会出现警告，提示我们没有实现 + (void)foo 方法。而在代码编译中，它已经被注释掉了。
2) 实际被加入到Class的method list的方法是 - (void)foo，它是一个实例方法，所以加入到当前类对象NSObject的方法列表中，而不是NSObject Meta class的方法列表中。
3) 当执行 [NSObject foo]时，我们看下整个objc_msgSend的过程:
结合上一篇Meta Class的知识：
1. objc_msgSend 第一个参数是 “(id)objc_getClass("NSObject")”，获得NSObject Class的对象
2. 类方法在Meta Class的方法列表中找，我们在load Category方法时加入的是- (void)foo实例方法，所以
并不在NSOBject Meta Class的方法列表中
3. 继续往 super class中找，在上一篇博客中我们知道，NSObject Meta Class的super class是
NSObject本身。所以，这个时候我们能够找到- (void)foo 这个方法。
4. 所以正常输出结果
4) 当执行[[NSObject new] foo]，我们看下整个objc_msgSend的过程:
1. [NSObject new]生成一个NSObject对象
2. 直接在该对象的类（NSObject）的方法列表里找
3. 能够找到，所以正常输出结果