iOS底层探索 -- cache_t的结构 和 insert流程分析

在我们探索class的底层时，我们追踪到objc_class的源码，其中重要结构为


struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}

可以看出四个最重要的模块

  1. isa (注释掉并不是说没有，只是提醒这里继承了objc_object的isa属性)
  2. superclass （父类）
  3. cache （缓存）
  4. bits （方法变量等数据）

当研究节点到今天时，我们已经研究了isa 和bits 的结构 而superclass 依旧是一个class的属性 so我们还剩下一个cache_t 类型的cache还没有分析。

所以，今天的任务,就是分析cache的结构

cache_t lldb 分析

在我们之前的研究过程中，lldb都是我们的三板斧之一，简单，暴力，直观。所以今天我们继续用lldb分析
（项目基于objc的公开源码 781版本 同时项目直接在mac上运行）

@interface FQPerson : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSString * name;
@property (nonatomic, strong) NSString * nikeName;
-(void)sayHelloWorld;
-(void)eat1;
-(void)eat2;
-(void)eat3;
-(void)eat4;
-(void)eat5;
-(void)eat6;
+(void)cry;
@end

测试的类 在.m文件中实现这三个方法。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        FQPerson *person = [FQPerson alloc];
        Class personClass = [FQPerson class];
        [person eat1];
        [person sayHelloWorld];
        NSLog(@"%@",personClass);
    }
    return 0;
}

测试的入口
我们在[person eat];前下一个断点
开始我们的lldb尝试
通过我们之前的内存地址平移的方式，我们可以获取到cache的指针地址，并打印其中内容

cache_t打印.jpg

从打印结果，我们可以看出cache_t的主要结构为

  1. _buckets,

  2. _mask,

  3. _flags,

  4. _occupied

    cache_t结构图.jpg

从bucket_t的内容中，我们看到了sel和imp

而我们知道Sel和Imp和方法有关。

所以我们猜测cache缓存了方法相关的数据

于是，我们让运行[person eat1];

随后，我们继续打印cache_t

(lldb) p * $1
(cache_t) $3 = {
  _buckets = {
    std::__1::atomic<bucket_t *> = 0x0000000101906470 {
      _sel = {
        std::__1::atomic<objc_selector *> = ""
      }
      _imp = {
        std::__1::atomic<unsigned long> = 8560
      }
    }
  }
  _mask = {
    std::__1::atomic<unsigned int> = 3
  }
  _flags = 32804
  _occupied = 1
}

此时_sel由Null变为了""

_mask变为了3

_occupied增加了1

可见确实在执行方法的过程中，在cache中存储了数据

现在，我们尝试打印其中可能储存的方法信息

方法打印.jpg

可见cache_t中确实储存了调用过的方法信息

同时，我们使用machOView也可以验证我们存储的方法

machOView打印.jpg

cache_t代码分析

我们在lldb的分析中得到了一些成果

  1. cache_t中确实储存了方法信息
  2. 方法信息以Sel和Imp对的方式存在_buckets中。

但也存在很多问题，

  1. 缓存的存储伴随增删改查，这些是如何实现的？
  2. _mask,_occupied,_flags这些参数有什么作用？

现在，源码在手的优势就来了，让我们分析一下源码

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
    
    // How much the mask is shifted by.
    static constexpr uintptr_t maskShift = 48;
    
    // Additional bits after the mask which must be zero. msgSend
    // takes advantage of these additional bits to construct the value
    // `mask << 4` from `_maskAndBuckets` in a single instruction.
    static constexpr uintptr_t maskZeroBits = 4;
    
    // The largest mask value we can store.
    static constexpr uintptr_t maxMask = ((uintptr_t)1 << (64 - maskShift)) - 1;
    
    // The mask applied to `_maskAndBuckets` to retrieve the buckets pointer.
    static constexpr uintptr_t bucketsMask = ((uintptr_t)1 << (maskShift - maskZeroBits)) - 1;
    
    // Ensure we have enough bits for the buckets pointer.
    static_assert(bucketsMask >= MACH_VM_MAX_ADDRESS, "Bucket field doesn't have enough bits for arbitrary pointers.");
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    // _maskAndBuckets stores the mask shift in the low 4 bits, and
    // the buckets pointer in the remainder of the value. The mask
    // shift is the value where (0xffff >> shift) produces the correct
    // mask. This is equal to 16 - log2(cache_size).
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;

    static constexpr uintptr_t maskBits = 4;
    static constexpr uintptr_t maskMask = (1 << maskBits) - 1;
    static constexpr uintptr_t bucketsMask = ~maskMask;
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;

public:
    static bucket_t *emptyBuckets();
    
    struct bucket_t *buckets();
    mask_t mask();
    mask_t occupied();
    void incrementOccupied();
    void setBucketsAndMask(struct bucket_t *newBuckets, mask_t newMask);
    void initializeToEmpty();

    unsigned capacity();
    bool isConstantEmptyCache();
    bool canBeFreed();

#if __LP64__
    bool getBit(uint16_t flags) const {
        return _flags & flags;
    }
    void setBit(uint16_t set) {
        __c11_atomic_fetch_or((_Atomic(uint16_t) *)&_flags, set, __ATOMIC_RELAXED);
    }
    void clearBit(uint16_t clear) {
        __c11_atomic_fetch_and((_Atomic(uint16_t) *)&_flags, ~clear, __ATOMIC_RELAXED);
    }
#endif

#if FAST_CACHE_ALLOC_MASK
    bool hasFastInstanceSize(size_t extra) const
    {
        if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
            return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
        }
        return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
    }

    size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
    {
        ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

        if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
            return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
        } else {
            size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
            // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
            // by setFastInstanceSize
            return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
        }
    }

    void setFastInstanceSize(size_t newSize)
    {
        // Set during realization or construction only. No locking needed.
        uint16_t newBits = _flags & ~FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
        uint16_t sizeBits;

        // Adding FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 allows for FAST_CACHE_ALLOC_MASK16
        // to yield the proper 16byte aligned allocation size with a single mask
        sizeBits = word_align(newSize) + FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16;
        sizeBits &= FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
        if (newSize <= sizeBits) {
            newBits |= sizeBits;
        }
        _flags = newBits;
    }
#else
    bool hasFastInstanceSize(size_t extra) const {
        return false;
    }
    size_t fastInstanceSize(size_t extra) const {
        abort();
    }
    void setFastInstanceSize(size_t extra) {
        // nothing
    }
#endif

    static size_t bytesForCapacity(uint32_t cap);
    static struct bucket_t * endMarker(struct bucket_t *b, uint32_t cap);

    void reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity, bool freeOld);
    void insert(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver);

    static void bad_cache(id receiver, SEL sel, Class isa) __attribute__((noreturn, cold));
};

其中相关宏定义


20200918014301.jpg

于是，我们可以首先得到不同框架环境下cacha_t的中的属性并不相同，最大区别为真机中_maskAndBuckets mask和buckets 存在同一个地方而非真机中是分开存储的

真机和非真机结构简图.jpg

同时，我们也看到了一些值得我们研究的方法

void reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity, bool freeOld);
void insert(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver);

由此，我们来分别研究一下。

void reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity, bool freeOld);

显然，这个是向系统申请开辟内存空间的过程

void cache_t::reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity, bool freeOld)
{
    bucket_t *oldBuckets = buckets();
    bucket_t *newBuckets = allocateBuckets(newCapacity);

    // Cache's old contents are not propagated. 
    // This is thought to save cache memory at the cost of extra cache fills.
    // fixme re-measure this

    ASSERT(newCapacity > 0);
    ASSERT((uintptr_t)(mask_t)(newCapacity-1) == newCapacity-1);

    setBucketsAndMask(newBuckets, newCapacity - 1);
    
    if (freeOld) {
        cache_collect_free(oldBuckets, oldCapacity);
    }
}

简化成流程图为


reallocate流程.png

中间_occupied 会被赋值为0 ,这就是为什么扩容后，_occupied 的值不会等于调用的方法数。

解释一下这里为什么不保留原先的数据。
举个例子，你买了一个小户型的房子，你住了一段时间家里人增加了，想换个大点的房子，这时候你并不是把墙敲了直接再盖两间就行了，因为你隔壁可能已经被分配给别人了，只能在别的空地上再给你建一栋足够大的房子，那这样，你之前的房子其实跟现在的房子并没有关系，如果数据全部迁移也会麻烦很多。因为这里的数据是缓存数据，并不是不能丢失的，所以直接丢弃，只开辟新空间。

void insert(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver);

这个是向cache中存储的方法，也是我们最需要研究的方法

void cache_t::insert(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
#if CONFIG_USE_CACHE_LOCK
    cacheUpdateLock.assertLocked();
#else
    runtimeLock.assertLocked();
#endif

    ASSERT(sel != 0 && cls->isInitialized());

    // Use the cache as-is if it is less than 3/4 full
    mask_t newOccupied = occupied() + 1;
    unsigned oldCapacity = capacity(), capacity = oldCapacity;
    if (slowpath(isConstantEmptyCache())) {
        // Cache is read-only. Replace it.
        if (!capacity) capacity = INIT_CACHE_SIZE;
        reallocate(oldCapacity, capacity, /* freeOld */false);
    }
    else if (fastpath(newOccupied + CACHE_END_MARKER <= capacity / 4 * 3)) {
        // Cache is less than 3/4 full. Use it as-is.
    }
    else {
        capacity = capacity ? capacity * 2 : INIT_CACHE_SIZE;
        if (capacity > MAX_CACHE_SIZE) {
            capacity = MAX_CACHE_SIZE;
        }
        reallocate(oldCapacity, capacity, true);
    }

    bucket_t *b = buckets();
    mask_t m = capacity - 1;
    mask_t begin = cache_hash(sel, m);
    mask_t i = begin;

    // Scan for the first unused slot and insert there.
    // There is guaranteed to be an empty slot because the
    // minimum size is 4 and we resized at 3/4 full.
    do {
        if (fastpath(b[i].sel() == 0)) {
            incrementOccupied();
            b[i].set<Atomic, Encoded>(sel, imp, cls);
            return;
        }
        if (b[i].sel() == sel) {
            // The entry was added to the cache by some other thread
            // before we grabbed the cacheUpdateLock.
            return;
        }
    } while (fastpath((i = cache_next(i, m)) != begin));

    cache_t::bad_cache(receiver, (SEL)sel, cls);
}

我们再次简化成流程图


cache_t insert分析.jpg

  1. 先判断是否有空间，如果没有直接默认申请4个空间

  2. 如果本身已有空间，判断newOccupied + CACHE_END_MARKER <= capacity / 4 * 3

  3. 如果满足，直接对bucket赋值

  4. 如果不满足，则2倍扩容。 然后清理空间

  5. 然后存储bucket。

bucket存储 流程

buckets赋值流程.png

至此，我们大概分析了cache_t的结构和 数据存储的流程总图为


cache_t流程-2.png

以及总结我们之前的问题 _occupied 为当前缓存中的计数 _mask 为当前申请的空间数-1.

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