iOS 訊息傳送與轉發詳解

leeeisok發表於2018-03-13
iOS

Objective-C 是一門動態語言，它將很多靜態語言在編譯和連結時期做的事情，放到了執行時來處理。之所以能具備這種特性，離不開 Runtime 這個庫。Runtime 很好的解決了如何在執行時期找到呼叫方法這樣的問題。

訊息傳送

在 Objective-C 中，方法呼叫稱為向物件傳送訊息：

// MyClass 類
@interface MyClass: NSObject
- (void)printLog;
@end
@implementation MyClass
- (void)printLog {
NSLog(@"print log !");
}
@end

MyClass *myClass = [[MyClass alloc] init];
[myClass printLog];

// 輸出： print log !
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上面程式碼中的 [myClass printLog] 也可以這麼寫：

((void (*)(id, SEL))(void *) objc_msgSend)(myClass, @selector(printLog));
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[myClass printLog] 經過編譯後就是呼叫 objc_msgSend 方法。

我們看看這個方法的文件定義：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...);
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self：訊息的接收者 op： 訊息的方法名，C 字串 ... ：引數列表

Runtime 是如何找到例項方法的具體實現的？

基礎概念

講之前，我們需要先明白一些基礎概念：Objective-C 是一門物件導向的語言，物件又分為例項物件、類物件、元類物件以及根元類物件。它們是通過一個叫 isa 的指標來關聯起來，具體關係如下圖：

iOS 訊息傳送與轉發詳解

以我們上文的程式碼為例：

MyClass *myClass = [[MyClass alloc] init];
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整理下相互間的關係：

  • myClass 是例項物件
  • MyClass 是類物件
  • MyClass 的元類的元類就是 NSObject 的元類
  • NSObject 就是 Root class (class)
  • NSObject 的 superclass 為 nil
  • NSObject 的元類就是它自己
  • NSObject 的元類的 superclass 就是 NSObject

對應上圖中的位置關係如下：

iOS 訊息傳送與轉發詳解

接著，我們用程式碼來驗證下上文的關係：

MyClass *myClass = [[MyClass alloc] init];

Class class = [myClass class];
Class metaClass = object_getClass(class);
Class metaOfMetaClass = object_getClass(metaClass);
Class rootMetaClass = object_getClass(metaOfMetaClass);
Class superclass = class_getSuperclass(class);
Class superOfSuperclass = class_getSuperclass(superclass);
Class superOfMetaOfSuperclass = class_getSuperclass(object_getClass(superclass));

NSLog(@"MyClass 例項物件是：%p",myClass);
NSLog(@"MyClass 類物件是：%p",class);
NSLog(@"MyClass 元類物件是：%p",metaClass);
NSLog(@"MyClass 元類物件的元類物件是：%p",metaOfMetaClass);
NSLog(@"MyClass 根元類物件是：%p",rootMetaClass);
NSLog(@"MyClass 父類是：%@",class_getSuperclass(class));
NSLog(@"MyClass 父類的父類是：%@",superOfSuperclass);
NSLog(@"MyClass 父類的元類的父類是：%@",superOfMetaOfSuperclass);

NSLog(@"NSObject 元類物件是：%p",object_getClass([NSObject class]));
NSLog(@"NSObject 父類是：%@",[[NSObject class] superclass]);
NSLog(@"NSObject 元類物件的父類是：%@",[object_getClass([NSObject class]) superclass]);

//輸出：
MyClass 例項物件是：0x60c00000b8d0
MyClass 類物件是：0x109ae3fd0
MyClass 元類物件是：****0x109ae3fa8
MyClass 元類物件的元類物件是：****0x10ab02e58**
MyClass 根元類物件是：0x10ab02e58
MyClass 父類是：NSObject
MyClass 父類的父類是：(null)
MyClass 父類的元類的父類是：NSObject
NSObject 元類物件是：0x10ab02e58
NSObject 父類是：(null)
NSObject 元類物件的父類是：NSObject
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可以發現，輸出結果是完全符合我們的結論的！

現在我們能知道各種物件之間的關係：

例項物件通過 isa 指標，找到類物件 Class；類物件同樣通過 isa 指標，找到元類物件；元類物件也是通過 isa 指標，找到根元類物件；最後，根元類物件的 isa 指標，指向自己。可以發現 NSObject 是整個訊息機制的核心，絕大數物件都繼承自它。

尋找流程

上文提到了，一個 Objective-C 方法會被編譯成 objc_msgSend，這個函式有兩個預設引數，id 型別的 self, SEL 型別的 op。我們先看看 id 的定義：

typedef struct objc_object *id;

struct objc_object {
	Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
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我們可以看到，在 objc_object 結構體中，只有一個指向 Class 型別的 isa 指標。

我們再看看 Class 的定義：

struct objc_class {
	Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
	Class _Nullable super_class  OBJC2_UNAVAILABLE;
	const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;
	long version OBJC2_UNAVAILABLE;
	long info  OBJC2_UNAVAILABLE;
	long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_ivar_list * _Nullable ivars  OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists  		OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_protocol_list * _Nullable protocols  OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
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裡面有很多引數，很顯眼的能看到這一行：

struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
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看名字也容易理解，這個 methodLists 就是用來存放方法列表的。我們再看看 objc_method_list 這個結構體：

struct objc_method_list {
	struct objc_method_list * _Nullable 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;
}
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裡面的 objc_method ，也就是我們熟悉的 Method：

struct objc_method {
	SEL _Nonnull method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
	char * _Nullable method_types  OBJC2_UNAVAILABLE;
	IMP _Nonnull method_imp  OBJC2_UNAVAILABLE;
}
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Method 裡面儲存了三個引數：

  • 方法的名稱
  • 方法的型別
  • 方法的具體實現，由 IMP 指標指向

經過層層挖掘，我們能明白例項物件呼叫方法的大致邏輯：

MyClass *myClass = [[MyClass alloc] init];
[myClass printLog];
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  • 先被編譯成 ((void (*)(id, SEL))(void *) objc_msgSend)(myClass, @selector(printLog));
  • 沿著入參 myClass 的 isa 指標，找到 myClass 的類物件（Class），也就是 MyClass
  • 接著在 MyClass 的方法列表 methodLists 中，找到對應的 Method
  • 最後找到 Method 中的 IMP 指標，執行具體實現

類物件的類方法又是怎麼找到並執行的？

由上文，我們已經知道，例項物件是通過 isa 指標，找到其類物件（Class）中儲存的方法列表中的具體實現的。

比如：

MyClass *myClass = [[MyClass alloc] init];
[myClass printLog];
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可以理解為：printLog 方法就是儲存在 MyClass 中的。

那麼如果是個類方法，又是儲存在什麼地方的呢？

我們回顧下 Class 的定義：

struct objc_class {
	Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
	Class _Nullable super_class  OBJC2_UNAVAILABLE;
	const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;
	long version OBJC2_UNAVAILABLE;
	long info  OBJC2_UNAVAILABLE;
	long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_ivar_list * _Nullable ivars  OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists  		OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_protocol_list * _Nullable protocols  OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
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可以發現到這一行：

Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
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這裡的 isa 同樣是指向一個 Class 的指標。上文中，我們也知道了類物件的 isa 指標是指向元類物件的。那麼不難得出：

類物件的類方法，是儲存在元類物件中的！

類物件和元類物件都是 Class 型別，僅僅服務的物件不同罷了。找到了元類物件，自然就找到了元類物件中的 methodLists，接下來就和例項物件的方法尋找呼叫一樣的流程了。

如何提高方法查詢的效率？

上文中，我們大概知道，方法是通過 isa 指標，查詢 Class 中的 methodLists 的。如果子類沒實現對應的方法實現，還會沿著父類去查詢。整個工程，可能有成萬上億個方法，是如何解決效能問題的呢？

例如：

for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
    MyClass *myObject = myObjects[i];
    [myObject methodA];
}
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這種高頻次的呼叫 methodA，如果每呼叫一次都需要遍歷，效能是非常差的。所以引入了 Class Cache 機制：

Class Cache 認為，當一個方法被呼叫，那麼它之後被呼叫的可能性就越大。

查詢方法時，會先從快取中查詢，找到直接返回 ；找不到，再去 Class 的方法列表中找。

在上文中 Class 的定義中，我們可以發現 cache：

struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
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說明了快取是存在類中的，每個類都有一份方法快取，而不是每個類的 object 都儲存了一份。

關於父類（superclass）

在 Objective-C 中，子類呼叫一個方法，如果沒有子類沒有實現，父類實現了，會去呼叫父類的實現。上文中，找到 methodLists 後，尋找 Method 的大致過程如下：

iOS 訊息傳送與轉發詳解

ps: 其實這裡的尋找過程遠沒有這麼簡單，可能會遍歷很多遍，因為我們可能會在執行時動態的新增方法（比如 category）。遍歷的過程中同樣不時的去查詢快取表。

訊息轉發

如果方法列表（methodLists）沒找到對應的 selector 呢？

// ViewController.m 中 （未實現 myTestPrint 方法）

[self performSelector:@selector(myTestPrint:) withObject:@"，你好 ！"];
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系統會提供三次補救的機會。

第一次

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {} (例項方法)
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel {}  (類方法)
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這兩個方法，一個針對例項方法；一個針對類方法。返回值都是 Bool。

使用示例：

// ViewController.m 中

void myMethod(id self, SEL _cmd,NSString *nub) {
	NSLog(@"ifelseboyxx%@",nub);
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
    if (sel == @selector(myTestPrint:)) {
#pragma clang diagnostic pop
        class_addMethod([self class],sel,(IMP)myMethod,"v@:@");
        return YES;
    }else {
        return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
}
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我們只需要在 resolveInstanceMethod: 方法中，利用 class_addMethod 方法，將未實現的 myTestPrint: 繫結到 myMethod 上就能完成轉發，最後返回 YES。

第二次

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {}
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這個方法要求返回一個 id。使用場景一般是將 A 類的某個方法，轉發到 B 類的實現中去。

使用示例：

想轉發到 Person 類中的 -myTestPrint: 方法中：

@interface Person : NSObject
@end

@implementation Person
- (void)myTestPrint:(NSString *)str {
	NSLog(@"ifelseboyxx%@",str);
}
@end
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// ViewController.m 中

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
    if (aSelector == @selector(myTestPrint:)) {
#pragma clang diagnostic pop
        return [Person new];
    }else{
        return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
    }
}
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第三次

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {}
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第一個要求返回一個方法簽名，第二個方法轉發具體的實現。二者相互依賴，只有返回了正確的方法簽名，才會執行第二個方法。

這次的轉發作用和第二次的比較類似，都是將 A 類的某個方法，轉發到 B 類的實現中去。不同的是，第三次的轉發相對於第二次更加靈活，forwardingTargetForSelector: 只能固定的轉發到一個物件；forwardInvocation: 可以讓我們轉發到多個物件中去。

使用例項：

想轉發到 Person 類以及 Animal 類中的 -myTestPrint: 方法中：

@interface Person : NSObject
@end

@implementation Person
- (void)myTestPrint:(NSString *)str {
	NSLog(@"ifelseboyxx%@",str);
}
@end
複製程式碼
@interface Animal : NSObject
@end

@implementation Animal
- (void)myTestPrint:(NSString *)str {
	NSLog(@"tiger%@",str);
}
@end
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// ViewController.m 中

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
	#pragma clang diagnostic push
	#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
	if (aSelector == @selector(myTestPrint:)) {
	#pragma clang diagnostic pop
	return [NSMethodSignature  signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
}
	return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
	Person *person = [Person new];
	Animal *animal = [Animal new];
	if ([person respondsToSelector:anInvocation.selector]) {
		[anInvocation invokeWithTarget:person];
	}
	if ([animal respondsToSelector:anInvocation.selector]) {
		[anInvocation invokeWithTarget:animal];
	}
}
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⚠️ 如果到了第三次機會，還沒找到對應的實現，就會 crash：

unrecognized selector sent to instance 0x7f9f817072b0
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總結

到這裡，我們大概能瞭解訊息傳送與轉發的過程了。整理了下大致的流程，有問題歡迎大家積極提出來：

感謝 Sky愛學習 的指正，修改了下

iOS 訊息傳送與轉發詳解

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