iOS-底层原理 18:类的加载(下)

时间:2021-7-2 作者:qvyue

在上一篇文章iOS-底层原理 17:类的加载(上)中,理解了类是如何从Mach-O加载到内存中,这次我们来解释下分类是如何加载中的,以及分类和类搭配使用的情况

分类的本质

前提:在main中定义LGperson的分类LG

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探索分类的本质,有以下三种方式

  • 【方式一】通过clang
  • 【方式二】通过Xcode文档搜索Category
  • 【方式三】通过objc源码搜索 category_t

方式一:通过clang

  • 【方式一】clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 查看底层编译,即 main.cpp,

    • 其中分类的 类型是_category_t

    • 分类的倒数第二个0,表示的是没有协议,所以赋值为0

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  • 搜索struct _category_t,如下所示

    • 其中有两个method_list_t,分别表示实例方法类方法

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  • 搜索_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_LGPerson_,找到其底层实现

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    其中有3个方法,格式为:sel+签名+地址,是method_t结构体的属性即key

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  • 搜索method_t,其中对应关系如下

    • name 对应 sel

    • type 对应 方法签名

    • imp 对应 函数地址

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同时,我们发现了一个问题:查看看_prop_list_t,明明分类中定义了属性,但是在底层编译中并没有看到属性,如下图所示,这是因为分类中定义的属性没有相应的set、get方法,我们可以通过关联对象来设置(关于如何设置关联对象,我们将在后续的扩展中进行说明)

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方式二:通过Xcode文档搜索 Category

如果不会clang,可以通过Xcode文档搜索 Category

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方式三:通过objc源码搜索 category_t

还可以通过objc源码搜索category_t类型

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总结

综上所述,分类的本质 是一个_category_t类型

  • 有两个属性:name(类的名称)cls(类对象)

  • 有两个 method_list_t类型的方法列表,表示分类中实现的实例方法+类方法

  • 一个protocol_list_t类型的协议列表,表示分类中实现的协议

  • 一个prop_list_t类型的属性列表,表示分类中定义的属性,一般在分类中添加的属性都是通过关联对象来实现

  • 需要注意的是,分类中的属性是没有set、get方法

分类的加载

前提:创建LGPerson的两个分类:LGA、LGB

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在上一篇iOS-底层原理 17:类的加载(上)文章中的realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass -> load_categories_nolock -> extAlloc ->attachCategories中提及了rwe的加载,其中分析了分类的data数据 时如何 加载到中的,且分类的加载顺序是:LGA -> LGB的顺序加载到类中,即越晚加进来,越在前面

其中查看methodizeClass的源码实现,可以发现类的数据分类的数据是分开处理的,主要是因为在编译阶段,就已经确定好了方法的归属位置(即实例方法存储在中,类方法存储在元类中),而分类是后面才加进来的

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其中分类需要通过attatchToClass添加到类,然后才能在外界进行使用,在此过程,我们已经知道了分类加载三步骤的后面两个步骤,分类的加载主要分为3步:

  • 分类数据加载时机:根据类和分类是否实现load方法来区分不同的时机

  • attachCategories准备分类数据

  • attachLists分类数据添加到主类

分类的加载时机

下面我们来探索分类数据的加载时机,以主类LGPerson + 分类LGA、LGB 均实现+load方法为例

通过第二步数据准备反推第一步的加载时机

  • 通过上一篇文章我们了解到,在走到attachCategories方法时,必然会有分类数据的加载,可以通过反推法查看 在什么时候调用attachCategories的,通过查找,有两个方法中调用

    • load_categories_nolock方法中

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    • addToClass方法中,这里经过调试发现,从来不会进到if流程中,除非加载两次,一般的类一般只会加载一次

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  • 不加任何断点,运行objc代码,可以得出以下打印日志,通过日志可以发现addToClass方法的下一步就是load_categories_nolock方法就是加载分类数据

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  • 全局搜索load_categories_nolock的调用,有两次调用

    • 一次在loadAllCategories方法中

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    • 一次在_read_images方法中

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  • 但是经过调试发现,是不会走_read_images方法中的if流程的,而是走的loadAllCategories方法中的

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  • 全局搜索查看loadAllCategories的调用,发现是在load_images时调用的

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通过堆栈信息分析

  • attachCategories中加自定义逻辑的断点,bt查看堆栈信息

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所以综上所述,该情况下的分类的数据加载时机的反推路径为:attachCategories -> load_categories_nolock -> loadAllCategories -> load_images

而我们的分类加载正常的流程的路径为:realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass ->attachCategories

其中正向和反向的流程如下图所示:

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我们再来看一种情况:主类+分类LGA实现+load,分类LGB不实现+load方法

  • 断点定在attachCategories中加自定义逻辑部分,一步步往下执行

    • p entry.cat

    • p *$0

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  • 继续往下执行,会再次来到 attachCategories方法中断住

    • p entry.cat

    • p *$0

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总结只要有一个分类是非懒加载分类,那么所有的分类都会被标记位非懒加载分类,意思就是加载一次 已经开辟了rwe,就不会再次懒加载,重新去处理 LGPerson

分类和类的搭配使用

通过上面的两个例子,我们可以大致将类 和 分类 是否实现+load的情况分为4种

类+分类
分类实现+load 分类未实现+load
类实现+load 非懒加载类+非懒加载分类 非懒加载类+懒加载分类
类未实现+load 懒加载类+非懒加载分类 懒加载类+懒加载分类
  • 【情况1】非懒加载类 + 非懒加载分类

  • 【情况2】非懒加载类 + 懒加载分类

  • 【情况3】懒加载类 + 懒加载分类

  • 【情况4】懒加载类 + 非懒加载分类

非懒加载类 与 非懒加载分类

主类实现了+load方法,分类同样实现了+load方法,在前文分类的加载时机时,我们已经分析过这种情况,所以可以直接得出结论,这种情况下

  • 类的数据加载是通过_getObjc2NonlazyClassList加载,即ro、rw的操作,对rwe赋值初始化,是在extAlloc方法中

  • 分类的数据加载是通过load_images加载到类中的

其调用路径为:

  • map_images -> map_images_nolock -> _read_images -> readClass -> _getObjc2NonlazyClassList -> realizeClassWithoutSwift -> methodizeClass -> attachToClass ,此时的mlists是一维数组,然后走到load_images部分

  • load_images --> loadAllCategories -> load_categories_nolock -> load_categories_nolock -> attachCategories -> attachLists,此时的mlists二维数组

下面为源码中调试的打印日志

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非懒加载类 与 懒加载分类

主类实现了+load方法,分类未实现+load方法

  • 打开realizeClassWithoutSwift中的自定义断点,看一下ro

    • 查看kc_ro

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    • p kc_ro->baseMethodList

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    • p [图片上传失败…(image-bf5a8f-1624448985695)]

      1.get(4)

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    • p [图片上传失败…(image-574fa9-1624448985695)]

      1.get(10)

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      从上面的打印输出可以看出,方法的顺序是 LGB—LGA-LGPerson类,此时分类已经 加载进来了,但是还没有排序,说明在没有进行非懒加载时,通过cls->data读取Mach-O数据时,数据就已经编译进来了,不需要运行时添加进去

  • 来到methodizeClass方法中断点部分

    • p list

    • p $0->get(0)p $0->get(5)

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  • 来到prepareMethodLists的for循环部分

    • p addedLists[0]

    • p addedLists[1]

    • p *$1

    • p *$2

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  • 来到fixupMethodList方法中的if (sort) {部分

    • 其中SortBySELAddress的源码实现如下:根据名字的地址进行排序

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  • 走到mlist->setFixedUp();,在读取list

    • p mlist

    • p $7->get(0) ~ p $7->get(3)

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    • p $7->get(4) ~ p $7->get(6)

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      通过打印发现,仅对同名方法进行了排序,而分类中的其他方法是不需要排序的,其你imp地址是有序的(从小到大) — fixupMethodList中的排序只针对 name 地址进行排序

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  • 不加任何断点,运行程序,获取打印日志

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总结非懒加载类 与 懒加载分类的数据加载,有如下结论:

  • 类 和 分类的加载是在read_images就加载数据了

  • 其中data数据编译时期就已经完成了

懒加载类 与 懒加载分类

主类和分类均未实现+load方法

  • 不加任何断点,运行程序,获取打印日志

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    其中realizeClassMaybeSwiftMaybeRelock是消息流程中慢速查找中有的函数,即在第一次调用消息时才有的函数

  • readClass断住,然后读取kc_ro,即读取整个data

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    此时的baseMethodListcount还是16,说明也是从data中读取出来的,所以不需要经过一层缓慢的load_images加载进来

总结懒加载类 与 懒加载分类数据加载是在消息第一次调用时记载

懒加载类 与 非懒加载分类

主类未实现+load方法, 分类实现了+load方法

  • 不加任何断点,运行程序,获取打印日志

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  • 在打印的日志中没有看到load_categories_nolock方法,查看attachCategories -- extAlloc -- attachToClass -- attachCategories,在attachToClass中加断点

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  • readClass方法中断住,查看kc_ro

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    其中baseMethodList的count是8个,打印看看:对象方法3个+属性的setget方法共4个+1个cxx方法 ,即 现在只有主类的数据

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    • 查看kc_ro结构

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    • p kc_ro->baseMethodList

    • p [图片上传失败…(image-4888f1-1624448985694)]

      0->get(3)、p $0->get(7)

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  • 为了调试分类的数据加载, 继续往下执行,bt查看堆栈:load_images -> loadAllCategories -> load_categories_nolock

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总结懒加载类 + 非懒加载分类的数据加载,只要分类实现了load,会迫使主类提前加载,即 主类 强行转换为 非懒加载类样式

总结

类和分类搭配使用,其数据的加载时机总结如下:

  • 【情况1】非懒加载类 + 非懒加载分类,其数据的加载在load_images方法中,首先对类进行加载,然后把分类的信息贴到类中

  • 【情况2】非懒加载类 + 懒加载分类,其数据加载在read_image就加载数据,数据来自data,data在编译时期就已经完成,即data中除了类的数据,还有分类的数据,与类绑定在一起

  • 【情况3】懒加载类 + 懒加载分类 ,其数据加载推迟到 第一次消息时,数据同样来自data,data在编译时期就已经完成

  • 【情况4】懒加载类 + 非懒加载分类 ,只要分类实现了load,会迫使主类提前加载,即在_read_images中不会对类做实现操作,需要在load_images方法中触发类的数据加载,即rwe初始化,同时加载分类数据

如下图所示

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补充:load_images原理分析

load_images方法的主要作用是加载镜像文件,其中最重要的有两个方法:prepare_load_methods(加载) 和 call_load_methods(调用)

  • 进入load_images源码实现

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  • 进入prepare_load_methods源码

    • 进入_getObjc2NonlazyClassList -> schedule_class_load源码,这里主要是根据类的继承链递归调用获取load,直到cls不存在才结束递归,目的是为了确保父类的load优先加载

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    • 进入add_class_to_loadable_list,主要是将load方法和cls类名一起加到loadable_classes表中

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      • 进入getLoadMethod,主要是获取方法的sel为load的方法

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    • _getObjc2NonlazyCategoryList -> realizeClassWithoutSwift -> add_category_to_loadable_list ,主要是将非懒加载分类的load方法加入表中

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      • 进入add_category_to_loadable_list实现,获取所有的非懒加载分类中的load方法,将分类名+load加入表loadable_categories

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  • 进入call_load_methods源码,主要有3部分操作

    • 反复调用类的+load,直到不再有

    • 调用一次分类的+load

    • 如果有类或更多未尝试的分类,则运行更多的+load

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    • 进入call_class_loads,主要是加载类的load方法

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      其中load方法中有两个隐藏参数,第一个为id 即self,第二个为sel,即cmd

    • call_category_loads,主要是加载一次分类的load方法

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综上所述,load_images方法整体调用过程原理图示如下

  • 调用过程图示

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  • 原理图示

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主要分为两步

从所有的非懒加载类和分类中的+load分别添加到表中
调用类和分类的+load方法

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