面向切面编程之疯狂的Aspect

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什么是面向切面编程

Aspect Oriented Programming(AOP),面向切面编程,是一个比较热门的话题。AOP主要实现的目的是针对业务处理过程中的切面进行提取,它所面对的是处理过程中的某个步骤或阶段,以获得逻辑过程中各部分之间低耦合性的隔离效果。

主要用来处理一些具有横切性质的系统性服务,如日志记录、权限管理、缓存、对象池管理等,AOP 已经成为一种非常常用的解决方案。

比如说我们在实现权限验证的时候,需要在每个业务的执行前对权限进行相应的判断,从而导致了大量的重复代码,不利于模块的复用。AOP则通过将每个业务的公共行为进行抽离,封装成一个可复用的模块,这个模块就叫做『切面』。

什么是Aspects

Aspects是一个轻量级的面向切面编程的库。它主要提供了三个切入点:before(在原始的方法前执行)/instead(替换原始的方法执行)/after(在原始的方法后执行,默认),通过Runtime消息转发实现Hook,同时这也会带来一定的负担,所以它不适合循环多次调用的方法。

Aspects扩展了NSObject类,对外提供如下两个方法:

///为指定的类的当前方法的before/instead/after切入点添加block代码
+ (id<AspectToken>)aspect_hookSelector:(SEL)selector
                      withOptions:(AspectOptions)options
                       usingBlock:(id)block
                            error:(NSError **)error;

///为指定实例的当前方法的before/instead/after切入点添加block代码
- (id<AspectToken>)aspect_hookSelector:(SEL)selector
                      withOptions:(AspectOptions)options
                       usingBlock:(id)block
                            error:(NSError **)error;

Aspects初始化工作核心部分的解析

aspect_add方法:

static id aspect_add(id self, SEL selector, AspectOptions options, id block, NSError **error) {
    NSCParameterAssert(self);
    NSCParameterAssert(selector);
    NSCParameterAssert(block);
    //声明AspectIdentifier实例
    __block AspectIdentifier *identifier = nil;
    aspect_performLocked(^{
        //判断当前XX方法是否允许被Hook,1."retain"、"release"、"autorelease"、"forwardInvocation"这几个方法是不被允许的,所谓的黑名单。2.如果方法是dealloc,则他的切入点必须是Before。3.判断当前实例对象和类对象是否能响应方法4.是否是类对象,如果是则判断继承体系中方法是否已经被Hook,而实例则不用。
        if (aspect_isSelectorAllowedAndTrack(self, selector, options, error)) {
            //获得当前aspects__XX方法的AspectsContainer容器
            AspectsContainer *aspectContainer = aspect_getContainerForObject(self, selector);
            //初始化AspectIdentifier变量,方法内部通过toll-free bridged获取Block方法签名,并判断其兼容性
            identifier = [AspectIdentifier identifierWithSelector:selector object:self options:options block:block error:error];
            if (identifier) {
                //通过options选项分别添加到容器中的beforeAspects,insteadAspects,afterAspects这三个数组
                [aspectContainer addAspect:identifier withOptions:options];

                //HookSelector的过程和HookClass的过程
                aspect_prepareClassAndHookSelector(self, selector, error);
            }
        }
    });
    return identifier;
}

HookClass过程:

static Class aspect_hookClass(NSObject *self, NSError **error) {
    NSCParameterAssert(self);
    Class statedClass = self.class;
    Class baseClass = object_getClass(self);
    NSString *className = NSStringFromClass(baseClass);

    // 如果类名有_Aspects_前缀,说明Class已被Hook
    if ([className hasSuffix:AspectsSubclassSuffix]) {
        return baseClass;

        // 判断是否为类对象,如果是,则直接在当前类中进行swizzle
    }else if (class_isMetaClass(baseClass)) {
        return aspect_swizzleClassInPlace((Class)self);
        // 判断是否为KVO过的对象,因为KVO的对象ISA指针会指向一个中间类,则直接在这个中间类中进行swizzle
    }else if (statedClass != baseClass) {
        return aspect_swizzleClassInPlace(baseClass);
    }

    // 默认则会动态创建一个子类
    const char *subclassName = [className stringByAppendingString:AspectsSubclassSuffix].UTF8String;
    Class subclass = objc_getClass(subclassName);

    if (subclass == nil) {
        subclass = objc_allocateClassPair(baseClass, subclassName, 0);
        if (subclass == nil) {
            NSString *errrorDesc = [NSString stringWithFormat:@"objc_allocateClassPair failed to allocate class %s.", subclassName];
            AspectError(AspectErrorFailedToAllocateClassPair, errrorDesc);
            return nil;
        }
        //实现替换当前类forwardInvocation方法的实现为__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__
        aspect_swizzleForwardInvocation(subclass);
        //实现当前类的isa指针指向原生的类
        aspect_hookedGetClass(subclass, statedClass);
        //实现当前类的元类的isa指针指向原生的类
        aspect_hookedGetClass(object_getClass(subclass), statedClass);
        //注册当前类
        objc_registerClassPair(subclass);
    }
    //将当前对象的isa指针指向刚生成的类
    object_setClass(self, subclass);
    return subclass;
}

HookSelector过程

static void aspect_prepareClassAndHookSelector(NSObject *self, SEL selector, NSError **error) {
    NSCParameterAssert(selector);
    //HookClass过程
    Class klass = aspect_hookClass(self, error);
    //此时的klass类为刚创建的具有_Aspects_后缀的子类,在创建的时候指定类他的父类,所以我们可以获取到selector这个方法
    Method targetMethod = class_getInstanceMethod(klass, selector);
    IMP targetMethodIMP = method_getImplementation(targetMethod);
    //判断是否为消息转发
    if (!aspect_isMsgForwardIMP(targetMethodIMP)) {
        //获得原生方法的类型编码
        const char *typeEncoding = method_getTypeEncoding(targetMethod);
        SEL aliasSelector = aspect_aliasForSelector(selector);
        if (![klass instancesRespondToSelector:aliasSelector]) {
            //为klass添加aspects__XX方法,方法的实现为原生方法的实现。
            __unused BOOL addedAlias = class_addMethod(klass, aliasSelector, method_getImplementation(targetMethod), typeEncoding);
            NSCAssert(addedAlias, @"Original implementation for %@ is already copied to %@ on %@", NSStringFromSelector(selector), NSStringFromSelector(aliasSelector), klass);
        }
        // 将原生方法实现替换为_objc_msgForward或_objc_msgForward_stret,用来实现消息转发
        class_replaceMethod(klass, selector, aspect_getMsgForwardIMP(self, selector), typeEncoding);
        AspectLog(@"Aspects: Installed hook for -[%@ %@].", klass, NSStringFromSelector(selector));
    }
}

Aspects执行工作核心部分的解析

当我们正式向某个接受者发送消息的时候,会进行消息转发,而之前HookClass的过程当中我们已经对forwardInvocation的实现替换为了__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__

static void __ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__(__unsafe_unretained NSObject *self, SEL selector, NSInvocation *invocation) {
    NSCParameterAssert(self);
    NSCParameterAssert(invocation);
    //获取原始方法XX
    SEL originalSelector = invocation.selector;
    //获取含有前缀的方法aspects_XX
    SEL aliasSelector = aspect_aliasForSelector(invocation.selector);
    //替换Sel
    invocation.selector = aliasSelector;
    //获得实例对象容器
    AspectsContainer *objectContainer = objc_getAssociatedObject(self, aliasSelector);
    //获得类对象容器
    AspectsContainer *classContainer = aspect_getContainerForClass(object_getClass(self), aliasSelector);
    //初始化AspectInfo,传入self、invocation参数
    AspectInfo *info = [[AspectInfo alloc] initWithInstance:self invocation:invocation];
    NSArray *aspectsToRemove = nil;

    // 执行before切入点的调用
    aspect_invoke(classContainer.beforeAspects, info);
    aspect_invoke(objectContainer.beforeAspects, info);

    // 执行Instead切入点的调用,判断当前insteadAspects是否有数据,如果没有数据则判断当前继承链是否能响应aspects_XX方法,如果能,则直接调用,此时的aspects_XX则为原生的实现。 
    BOOL respondsToAlias = YES;
    if (objectContainer.insteadAspects.count || classContainer.insteadAspects.count) {
        aspect_invoke(classContainer.insteadAspects, info);
        aspect_invoke(objectContainer.insteadAspects, info);
    }else {
        Class klass = object_getClass(invocation.target);
        do {
            if ((respondsToAlias = [klass instancesRespondToSelector:aliasSelector])) {
                [invocation invoke];
                break;
            }
        }while (!respondsToAlias && (klass = class_getSuperclass(klass)));
    }

    // 执行after切入点的调用
    aspect_invoke(classContainer.afterAspects, info);
    aspect_invoke(objectContainer.afterAspects, info);

    // 若Hook未被正确执行,则调用原生消息转发。
    if (!respondsToAlias) {
        invocation.selector = originalSelector;
        SEL originalForwardInvocationSEL = NSSelectorFromString(AspectsForwardInvocationSelectorName);
        if ([self respondsToSelector:originalForwardInvocationSEL]) {
            ((void( *)(id, SEL, NSInvocation *))objc_msgSend)(self, originalForwardInvocationSEL, invocation);
        }else {
            [self doesNotRecognizeSelector:invocation.selector];
        }
    }

    // 对需要被移除的切面执行remove方法
    [aspectsToRemove makeObjectsPerformSelector:@selector(remove)];
}

执行block的代码

- (BOOL)invokeWithInfo:(id<AspectInfo>)info {
    //根据blockSignature获取Invocation
    NSInvocation *blockInvocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:self.blockSignature];
    //获取原生方法的Invocation
    NSInvocation *originalInvocation = info.originalInvocation;
    //获取blockInvocation参数个数
    NSUInteger numberOfArguments = self.blockSignature.numberOfArguments;

    // 判断blockInvocation参数个数是否大于originalInvocation参数个数
    if (numberOfArguments > originalInvocation.methodSignature.numberOfArguments) {
        AspectLogError(@"Block has too many arguments. Not calling %@", info);
        return NO;
    }

    // blockInvocation给索引为1的参数赋值
    if (numberOfArguments > 1) {
        [blockInvocation setArgument:&info atIndex:1];
    }
    //当所以大于1的时候进行遍历,把原生的参数值赋值给相应的blockInvocation中的参数
    void *argBuf = NULL;
    for (NSUInteger idx = 2; idx < numberOfArguments; idx++) {
        const char *type = [originalInvocation.methodSignature getArgumentTypeAtIndex:idx];
        NSUInteger argSize;
        NSGetSizeAndAlignment(type, &argSize, NULL);
        
        if (!(argBuf = reallocf(argBuf, argSize))) {
            AspectLogError(@"Failed to allocate memory for block invocation.");
            return NO;
        }
        
        [originalInvocation getArgument:argBuf atIndex:idx];
        [blockInvocation setArgument:argBuf atIndex:idx];
    }
    
    //执行block
    [blockInvocation invokeWithTarget:self.block];
    
    if (argBuf != NULL) {
        free(argBuf);
    }
    return YES;
}

流程图:

流程图
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