Runtime底层原理分析之objc_msgSend

一、前言

最近我想要研究一下 Runtime 的底层原理，于是下载了一份 runtime 的源码，学习的过程中也查阅了很多资料，询问了很多大牛。现在总结一下我的收获。
Runtime 是一套由 C、C++、汇编写成的为 OC 提供运行时机制的东西。Runtime 的源码可以在苹果的官网 opensource 下载到，我下载的是当时的最新版本 objc4-750，点击此地址可以去下载。

objc4-750.png

二、IMP 和 objc_msgSend

1、SEL 和 IMP

首先我们先认识一下 SEL 和 IMP。

IMP.png

从下载的 runtime 源码中我们可以看到 IMP 的定义：
“IMP是指向函数具体实现的指针”。
这个函数体前两个参数是 id（消息接收者，也就是对象），以及 SEL（方法的名字）。
类比：书的目录（SEL）——页码（IMP：指向函数具体实现的指针）——具体内容（函数实现）
那么 SEL 是如何找到 IMP 的呢？

例如：有一个 Person 类，初始化一个 xiaoming 对象。

Person.png

然后在 study 方法执行之前打一个断点，并运行，当运行到断点处，我们打开汇编调试模式，步骤如下 Debug—> Debug Workflow—>Always Show Disassembly。

debug汇编模式.png

我们就来到了一个汇编的界面，如下图，观察可看到在alloc、init和study后面都有 objc_msgSend 函数的调用。
（注意：在模拟器上运行才能看到右侧那些alloc、init、study函数名的打印，真机上是看不到的）

objc_msgSend函数.png

每个方法都调用了objc_msgSend 函数，很有意思不是吗？但当我们在工程里想搜索objc_msgSend看一下里面什么样时却发现没有，这时我们下载的 runtime 源码就派上用场了。

2、objc_msgSend

说到 Runtime ，就不能不提 objc_msgSend 消息转发。
在 Objective-C 中，消息是直到运行的时候才和方法实现绑定的。编译器会把一个消息表达式，

[receiver message]

转换成一个对消息函数 objc_msgSend 的调用。
该函数有两个主要参数:消息接收者 receiver 和消息对应的方法名字 selector ——也就是方法选标:

objc_msgSend(receiver, selector)

可同时接收消息中的任意数目的参数:

objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)

该消息函数做了动态绑定所需要的一切:

它首先找到选标所对应的方法实现。因为不同的类对同一方法可能会有不同的实现，所以找到的方法实现依赖于消息接收者的类型。

然后将消息接收者对象(指向消息接收者对象的指针)以及方法中指定的参数传给找到的方法实现。

最后，将方法实现的返回值作为该函数的返回值返回

三、objc_msgSend 源码分析流程

接下来我们在 Runtime 中跟踪一下 objc_msgSend 的整个流程。
objc_msgSend 查找分为两种方式：

1、快速查找：在缓存找，属于汇编部分，cache_t、imp、哈希表。

2、慢速查找：属于 C/C++ 部分。

从源码中我们可以找到 objc_class，可以得知，每个类都有一个缓存 cache，存放着方法的 sel 和 imp，sel 和 imp 最终会组成一张哈希表，这样通过 sel 可以快速的查找到 imp，所以当我们查找一个方法的时候，首先查找的就是这个 cache。

cache.png

1、快速查找部分（汇编部分）

汇编部分快速查找.png

这部分属于汇编部分，涉及了汇编语言的语法，虽然我不熟悉汇编语言，但是还是能够找到一些关键的地方，理解整个流程的走向。

首先，在下载好的 runtime 源码中搜索 _objc_msgSend，选择查看 arm64 下的，也就是 objc-msg_arm64.s 如图：

_objc_msgSend.png

通过sel找到imp：
然后在 objc-msg_arm64.s 中搜索查看 ENTRY _objc_msgSend，
流程首先执行的是 ENTRY _objc_msgSend

_objc_msgSend流程.png

然后再进行 LNilOrTagged 判断，
判断是否为 nil 或者是否支持 tagged_pointers 类型，
为 nil 或者不支持就走 LRetrunZero，执行 END_ENTRY _objc_msgSend 结束。

LReturnZero.png

如果不为 nil 并且支持，就走 LGetIsaDone 执行完毕

LGetIsaDone.png

接下来在 LGetIsaDone 里执行 CacheLookup NORMAL（从缓存里找imp）
如果有缓存，则直接 calls imp，否则执行 objc_msgSend_uncached。
下面我们来看看CacheLookup，它是一个宏，如果在缓存里找到了，则执行CacheHit，没找到执行CheckMiss，没找到但是在其他地方已经找到了，可以add添加进缓存里去。

CacheLookup.png

CacheHit和CheckMiss也分别都是宏，里面有相应的操作，再次就不深入细讲了。我们只要知道，如果没有找到，CheckMiss中执行的是__objc_msgSend_uncached方法。

__objc_msgSend_uncached详细.png

MethodTableLookup又是个宏，这是个方法列表，也是个重点核心。

MethodTableLookup.png

我们至此，发现搜索不到__class_lookupMethodAndLoadCache3，此时可能会失去信心，但不要担心，我们能搜索到_class_lookupMethodAndLoadCache3，
_class_lookupMethodAndLoadCache3是 C++ 中的函数，从而从汇编开始到 C++ 中了。

接下来看 objc-runtime-new.mm 中的_class_lookupMethodAndLoadCache3

_class_lookupMethodAndLoadCache3.png

快速查找（汇编阶段）到此完毕！
因为快速查找没找到，所以 慢速查找部分（C/C++部分）开始。

2、慢速查找部分（C/C++部分）

慢速查找部分.png

现在首先看 当前类 的缓存里现在有没有了，如果有，则返回 imp 。如果没有，则执行getMethodNoSuper_nolock，在当前类查找，如果找到了，则执行 log_and_fill_cache，把 imp 存到缓存中去，并返回要查找的 imp。这样下次再找的时候，就会直接进行汇编快速查找，直接CacheHit了。

tryThisClassCache.png

如果当前类也没有，则查找当前类的父类，对父类进行 for 循环，因为最终的父类都是 NSObject ，NSObject 的父类则是 nil 了，所以我们只遍历到 NSObject。如果父类里有缓存，那么通用把 imp 存到缓存中去，并返回要查找的 imp。如果没有缓存，就执行getMethodNoSuper_nolock。

findsuper.jpg

如果父类中也没有，那么就开始下一个步骤，动态方法解析。

3、动态方法解析和消息转发

1）消息转发流程简述

当一个方法没有找到的时候，会经历几个步骤才会崩溃，先是经过动态方法解析步骤，如果消息还未得到处理，则进入forwardingTargetForSelector:，还未处理则进入methodSignatureForSelector:和forwardInvocation。
下面是一个消息转发流程的简图。

消息转发流程.png

在这几个步骤我们都可以设法拦截崩溃信息，处理未处理的消息。我们可以对 crash 进行自定义处理，防止崩溃的发生。也可以把 crash 收集起来发给服务器。

2）动态方法解析

下面详细看一下动态方法解析的具体流程，首先如果父类中没有找到 imp，那么开始进行动态方法解析，执行_class_resolveMethod。由于传进来的参数 resolver 是 YES，triedResolver 默认第一次是NO，可以进入判断，但是只会调用一次，调用过后就会把 triedResolver 设为 YES。

动态方法解析.png

在_class_resolveMethod方法中，判断如果是元类，则执行_class_resolveInstanceMethod，否则执行_class_resolveClassMethod之后再执行_class_resolveInstanceMethod。

问：
为什么执行完_class_resolveClassMethod之后会再次执行一次_class_resolveInstanceMethod？
答：
比如有一个类 Person，我们查找 Person 的一个类方法，如果没找到，会继续找他的第一个元类，再找不到，会继续找 根元类 ，最终会找到 NSObject：
Person(类方法) 找——> 元类(实例方法) 找——> 根元类(实例方法) 找——> NSObject(实例方法)
实例方法存在类对象里面，类方法存在元类里面。

屏幕快照 2019-05-22 下午6.38.39.png

所以最终，还会执行一次_class_resolveInstanceMethod。

_class_resolveMethod.png

而_class_resolveInstanceMethod的内部实现，实质就是 消息的发送。

_class_resolveInstanceMethod.png

例如我们调用了 Person 类的对象方法 run，但 Person.m 没有实现 run 方法，并且父类也没有，那么我们就开启下面的动态方法解析，
重写resolveInstanceMethod来动态解析对象方法，
重写resolveClassMethod来动态解析类方法。

// .m没有实现,并且父类也没有,那么我们就开启下面的动态方法解析
#pragma mark - 动态方法解析

#import "LGPerson.h"
#include <objc/runtime.h>

@implementation Person

//- (void)run{
//    NSLog(@"%s",__func__);
//}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(run)) {
        // 我们动态解析我们的 对象方法
        NSLog(@"对象方法解析走这里");
        SEL readSEL = @selector(readBook);
        Method readM= class_getInstanceMethod(self, readSEL);
        IMP readImp = method_getImplementation(readM);
        const char *type = method_getTypeEncoding(readM);
        return class_addMethod(self, sel, readImp, type);
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}


+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(walk)) {
        // 我们动态解析我们的 类方法
        NSLog(@"类方法解析走这里");
        SEL hellowordSEL = @selector(helloWord);
        // 类方法就存在我们的元类的方法列表
        // 类 类犯法
        // 元类 对象实例方法
        Method hellowordM1= class_getClassMethod(self, hellowordSEL);
        Method hellowordM= class_getInstanceMethod(object_getClass(self), hellowordSEL);
        IMP hellowordImp = method_getImplementation(hellowordM);
        const char *type = method_getTypeEncoding(hellowordM);
        NSLog(@"%s",type);
        return class_addMethod(object_getClass(self), sel, hellowordImp, type);
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
}

如果动态解析步骤也没有找到解决办法，那么再进行到下一步骤。消息转发。

3）消息转发

<1>、forwardingTargetForSelector方法：
比如我们除了 Person 类，还有一个 Dog 类，这个类里才有 run 方法，那么当我们判断到是 run 方法找不到时，就可以把消息转发给 Dog 类。

#pragma mark - 消息转发
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    if (aSelector == @selector(run)) {
        // 转发给我们的 Dog 对象
        return [Dog new];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

<2>、methodSignatureForSelector方法：
如果forwardingTargetForSelector没有拦截住，那么只能用最后一道关卡methodSignatureForSelector了，获取方法签名，然后移交给消息转发forwardInvocation。

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    NSLog(@"%s",__func__);
    if (aSelector == @selector(run)) {
        // 获取方法签名
        Method method    = class_getInstanceMethod(object_getClass(self), @selector(readBook));
        const char *type = method_getTypeEncoding(method);
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];// 移交给消息转发
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

// 消息转发
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    NSLog(@"%s",__func__);
    NSLog(@"------%@-----",anInvocation);
    anInvocation.selector = @selector(readBook);
    [anInvocation invoke];
}

如果以上所有步骤都没有把消息成功处理，那么就会崩溃了。比如没有找到study方法

unrecognized.png

这个我们常见的 unrecognized selector 错误信息其实是由这个objc_defaultForwardHandler函数打印的

objc_defaultForwardHandler.png

以上就是我对 Runtime 的消息转发objc_megSend 的一个主要的底层原理分析总结。如果有写错的地方，还请帮忙指出，多谢，互相进步。

以上的总结参考了并部分摘抄了以下文章，非常感谢以下作者的分享！：
1、《Objective-C 2.0运行时系统编程指南》
2、作者黄文臣的《iOS Runtime详解之SEL,Class,id,IMP,_cmd,isa,method,Ivar》