iOS-底层原理 13：消息流程分析之慢速查找

iOS 底层原理文章汇总

在上一篇iOS-底层原理 12：objc_msgSend流程分析之快速查找文章中，我们分析了快速查找流程，如果快速查不到，则需要进入慢速查找流程，以下是慢速查找的分析过程

objc_msgSend 慢速查找流程分析

慢速查找-汇编部分

在快速查找流程中，如果没有找到方法实现，无论是走到CheckMiss还是JumpMiss，最终都会走到__objc_msgSend_uncached汇编函数

在objc-msg-arm64.s文件中查找__objc_msgSend_uncached的汇编实现，其中的核心是MethodTableLookup（即查询方法列表），其源码如下

STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
UNWIND __objc_msgSend_uncached, FrameWithNoSaves

// THIS IS NOT A CALLABLE C FUNCTION
// Out-of-band p16 is the class to search
    
MethodTableLookup // 开始查询方法列表
TailCallFunctionPointer x17

END_ENTRY __objc_msgSend_uncached

搜索MethodTableLookup的汇编实现，其中的核心是_lookUpImpOrForward，汇编源码实现如下

.macro MethodTableLookup
    
    // push frame
    SignLR
    stp fp, lr, [sp, #-16]!
    mov fp, sp

    // save parameter registers: x0..x8, q0..q7
    sub sp, sp, #(10*8 + 8*16)
    stp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    stp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    stp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    stp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    stp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    stp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    stp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    stp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    str x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    // lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER)
    // receiver and selector already in x0 and x1
    mov x2, x16
    mov x3, #3
    bl  _lookUpImpOrForward //核心源码

    // IMP in x0
    mov x17, x0
    
    // restore registers and return
    ldp q0, q1, [sp, #(0*16)]
    ldp q2, q3, [sp, #(2*16)]
    ldp q4, q5, [sp, #(4*16)]
    ldp q6, q7, [sp, #(6*16)]
    ldp x0, x1, [sp, #(8*16+0*8)]
    ldp x2, x3, [sp, #(8*16+2*8)]
    ldp x4, x5, [sp, #(8*16+4*8)]
    ldp x6, x7, [sp, #(8*16+6*8)]
    ldr x8,     [sp, #(8*16+8*8)]

    mov sp, fp
    ldp fp, lr, [sp], #16
    AuthenticateLR

.endmacro

验证

上述汇编的过程，可以通过汇编调试来验证

在main中，例如[person sayHello]对象方法调用处加一个断点，并且开启汇编调试【Debug -- Debug worlflow -- 勾选Always show Disassembly】，运行程序

汇编验证-1
汇编中objc_msgSend加一个断点，执行断住，按住control + stepinto，进入objc_msgSend的汇编

汇编验证-2
在_objc_msgSend_uncached加一个断点，执行断住，按住control + stepinto，进入汇编

汇编验证-3

从上可以看出最后走到的就是lookUpImpOrForward，此时并不是汇编实现

注：
1、C/C++中调用 汇编 ，去查找汇编时，C/C++调用的方法需要多加一个下划线
2、汇编 中调用 C/C++方法时，去查找C/C++方法，需要将汇编调用的方法去掉一个下划线

慢速查找-C/C++部分

根据汇编部分的提示，全局续搜索lookUpImpOrForward，最后在objc-runtime-new.mm文件中找到了源码实现，这是一个c实现的函数

IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    // 定义的消息转发
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 
    IMP imp = nil;
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 快速查找，如果找到则直接返回imp
    //目的：防止多线程操作时，刚好调用函数，此时缓存进来了
    if (fastpath(behavior & LOOKUP_CACHE)) { 
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) goto done_nolock;
    }
    
    //加锁，目的是保证读取的线程安全
    runtimeLock.lock();
    
    //判断是否是一个已知的类：判断当前类是否是已经被认可的类，即已经加载的类
    checkIsKnownClass(cls); 
    
    //判断类是否实现，如果没有，需要先实现，此时的目的是为了确定父类链，方法后续的循环
    if (slowpath(!cls->isRealized())) { 
        cls = realizeClassMaybeSwiftAndLeaveLocked(cls, runtimeLock);
    }

    //判断类是否初始化，如果没有，需要先初始化
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_INITIALIZE) && !cls->isInitialized())) { 
        cls = initializeAndLeaveLocked(cls, inst, runtimeLock);
    }

    runtimeLock.assertLocked();
    curClass = cls;

    //----查找类的缓存
    
    // unreasonableClassCount -- 表示类的迭代的上限
    //（猜测这里递归的原因是attempts在第一次循环时作了减一操作，然后再次循环时,仍在上限的范围内，所以可以继续递归）
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) { 
        //---当前类方法列表（采用二分查找算法），如果找到，则返回，将方法缓存到cache中
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
        if (meth) {
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
        //当前类 = 当前类的父类，并判断父类是否为nil
        if (slowpath((curClass = curClass->superclass) == nil)) {
            //--未找到方法实现，方法解析器也不行，使用转发
            imp = forward_imp;
            break;
        }

        // 如果父类链中存在循环，则停止
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // --父类缓存
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) { 
            // 如果在父类中找到了forward，则停止查找，且不缓存，首先调用此类的方法解析器
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            //如果在父类中，找到了此方法，将其存储到cache中
            goto done;
        }
    }

    //没有找到方法实现，尝试一次方法解析

    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        //动态方法决议的控制条件，表示流程只走一次
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER; 
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

 done:
    //存储到缓存
    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); 
    //解锁
    runtimeLock.unlock();
 done_nolock:
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp;
}

其整体的慢速查找流程如图所示

慢速查找流程

主要有以下几步：

【第一步】cache缓存中进行查找，即快速查找，找到则直接返回imp，反之，则进入【第二步】
【第二步】判断cls
- 是否是已知类，如果不是，则报错
- 类是否实现，如果没有，则需要先实现，确定其父类链，此时实例化的目的是为了确定父类链、ro、以及rw等，方法后续数据的读取以及查找的循环
- 是否初始化，如果没有，则初始化
【第三步】for循环，按照类继承链或者元类继承链的顺序查找
- 当前cls的方法列表中使用二分查找算法查找方法，如果找到，则进入cache写入流程（在iOS-底层原理 11：objc_class 中 cache 原理分析文章中已经详述过），并返回imp，如果没有找到，则返回nil
- 当前cls被赋值为父类，如果父类等于nil，则imp = 消息转发，并终止递归，进入【第四步】
- 如果父类链中存在循环，则报错，终止循环
- 父类缓存中查找方法
  - 如果未找到，则直接返回nil，继续循环查找
  - 如果找到，则直接返回imp，执行cache写入流程
【第四步】判断是否执行过动态方法解析
- ，如果没有，执行动态方法解析
- 如果执行过一次动态方法解析，则走到消息转发流程

以上就是方法的慢速查找流程，下面在分别详细解释二分查找原理 以及 父类缓存查找详细步骤

getMethodNoSuper_nolock方法：二分查找方法列表

查找方法列表的流程如下所示，

二分方法列表查找流程

其二分查找核心的源码实现如下

ALWAYS_INLINE static method_t *
findMethodInSortedMethodList(SEL key, const method_list_t *list)
{
    ASSERT(list);

    const method_t * const first = &list->first;
    const method_t *base = first;
    const method_t *probe;
    uintptr_t keyValue = (uintptr_t)key; //key 等于 say666
    uint32_t count;
    //base相当于low，count是max，probe是middle，这就是二分
    for (count = list->count; count != 0; count >>= 1) {
        //从首地址+下标 --> 移动到中间位置（count >> 1 右移1位即 count/2 = 4）
        probe = base + (count >> 1); 
        
        uintptr_t probeValue = (uintptr_t)probe->name;
        
        //如果查找的key的keyvalue等于中间位置（probe）的probeValue，则直接返回中间位置
        if (keyValue == probeValue) { 
            // -- while 平移 -- 排除分类重名方法
            while (probe > first && keyValue == (uintptr_t)probe[-1].name) {
                //排除分类重名方法（方法的存储是先存储类方法，在存储分类---按照先进后出的原则，分类方法最先出，而我们要取的类方法，所以需要先排除分类方法）
                //如果是两个分类，就看谁先进行加载
                probe--;
            }
            return (method_t *)probe;
        }
        
        //如果keyValue 大于 probeValue，就往probe即中间位置的右边查找
        if (keyValue > probeValue) { 
            base = probe + 1;
            count--;
        }
    }
    
    return nil;
}

算法原理简述为：从第一次查找开始，每次都取中间位置，与想查找的key的value值作比较，如果相等，则需要排除分类方法，然后将查询到的位置的方法实现返回，如果不相等，则需要继续二分查找，如果循环至count = 0还是没有找到，则直接返回nil，如下所示：

二分查找方法列表原理

以查找LGPerson类的say666实例方法为例，其二分查找过程如下

举例说明二分查找过程

cache_getImp方法：父类缓存查找

cache_getImp方法是通过汇编_cache_getImp实现，传入的$0 是 GETIMP，如下所示

父类缓存查找流程

如果父类缓存中找到了方法实现，则跳转至CacheHit即命中，则直接返回imp
如果在父类缓存中，没有找到方法实现，则跳转至CheckMiss 或者 JumpMiss，通过判断$0 跳转至LGetImpMiss，直接返回nil

总结

对于对象方法（即实例方法），即在类中查找，其慢速查找的父类链是：类--父类--根类--nil
对于类方法，即在元类中查找，其慢速查找的父类链是：元类--根元类--根类--nil
如果快速查找、慢速查找也没有找到方法实现，则尝试动态方法决议
如果动态方法决议仍然没有找到，则进行消息转发

常见方法未实现报错源码

如果在快速查找、慢速查找、方法解析流程中，均没有找到实现，则使用消息转发，其流程如下

消息转发流程

消息转发会实现

其中_objc_msgForward_impcache是汇编实现，会跳转至__objc_msgForward，其核心是__objc_forward_handler

STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache

// No stret specialization.
b   __objc_msgForward

END_ENTRY __objc_msgForward_impcache

//👇
ENTRY __objc_msgForward

adrp    x17, __objc_forward_handler@PAGE
ldr p17, [x17, __objc_forward_handler@PAGEOFF]
TailCallFunctionPointer x17
    
END_ENTRY __objc_msgForward

汇编实现中查找__objc_forward_handler，并没有找到，在源码中去掉一个下划线进行全局搜索_objc_forward_handler，有如下实现，本质是调用的objc_defaultForwardHandler方法

// Default forward handler halts the process.
__attribute__((noreturn, cold)) void
objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel)
{
    _objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
                "(no message forward handler is installed)", 
                class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? '+' : '-', 
                object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;

看着objc_defaultForwardHandler有没有很眼熟，这就是我们在日常开发中最常见的错误：没有实现函数，运行程序，崩溃时报的错误提示。