深入解析 ObjC 中方法的结构

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Blog: Draveness

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因为 ObjC 的 runtime 只能在 Mac OS 下才能编译,所以文章中的代码都是在 Mac OS,也就是 x86_64 架构下运行的,对于在 arm64 中运行的代码会特别说明。

在上一篇分析 isa 的文章从 NSObject 的初始化了解 isa中曾经说到过实例方法被调用时,会通过其持有 isa 指针寻找对应的类,然后在其中的 class_data_bits_t 中查找对应的方法,在这一篇文章中会介绍方法在 ObjC 中是如何存储方法的。

这篇文章的首先会根据 ObjC 源代码来分析方法在内存中的存储结构,然后在 lldb 调试器中一步一步验证分析的正确性。

方法在内存中的位置

先来了解一下 ObjC 中类的结构图:

objc-method-class

  • isa 是指向元类的指针,不了解元类的可以看 Classes and Metaclasses
  • super_class 指向当前类的父类
  • cache 用于缓存指针和 vtable,加速方法的调用
  • bits 就是存储类的方法、属性、遵循的协议等信息的地方

class_data_bits_t 结构体

这一小结会分析类结构体中的 class_data_bits_t bits

下面就是 ObjC 中 class_data_bits_t 的结构体,其中只含有一个 64 位的 bits 用于存储与类有关的信息:

objc-method-class-data-bits-t

objc_class 结构体中的注释写到 class_data_bits_t 相当于 class_rw_t 指针加上 rr/alloc 的标志。

它为我们提供了便捷方法用于返回其中的 class_rw_t * 指针:

bitsFAST_DATA_MASK 进行位运算,只取其中的 [3, 47] 位转换成 class_rw_t * 返回。

在 x86_64 架构上,Mac OS 只使用了其中的 47 位来为对象分配地址。而且由于地址要按字节在内存中按字节对齐,所以掩码的后三位都是 0。

因为 class_rw_t * 指针只存于第 [3, 47] 位,所以可以使用最后三位来存储关于当前类的其他信息:

objc-method-class_data_bits_t

  • isSwift()
    • FAST_IS_SWIFT 用于判断 Swift 类
  • hasDefaultRR()
    • FAST_HAS_DEFAULT_RR 当前类或者父类含有默认的 retain/release/autorelease/retainCount/_tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference 方法
  • requiresRawIsa()
    • FAST_REQUIRES_RAW_ISA 当前类的实例需要 raw isa

执行 class_data_bits_t 结构体中的 data() 方法或者调用 objc_class 中的 data() 方法会返回同一个 class_rw_t * 指针,因为 objc_class 中的方法只是对 class_data_bits_t 中对应方法的封装。

class_rw_tclass_ro_t

ObjC 类中的属性、方法还有遵循的协议等信息都保存在 class_rw_t 中:

其中还有一个指向常量的指针 ro,其中存储了当前类在编译期就已经确定的属性、方法以及遵循的协议

在编译期间类的结构中的 class_data_bits_t *data 指向的是一个 class_ro_t * 指针:

objc-method-before-realize

然后在加载 ObjC 运行时的过程中在 realizeClass 方法中:

  1. class_data_bits_t 调用 data 方法,将结果从 class_rw_t 强制转换为 class_ro_t 指针
  2. 初始化一个 class_rw_t 结构体
  3. 设置结构体 ro 的值以及 flag
  4. 最后设置正确的 data