从消息发送(方法调用)看Objective-C的运行时

Objective-C是一门动态语言,可以在运行的时候动态决定调用哪个方法实现,甚至增加、替换方法的具体实现,而这些都归功于Objective-C的运行时(runtime)系统。本篇文章,我们就从消息发送的角度来看下Objective-C的运行时。

0. 决定方法调用的动态性

Objective-C语言是一门面向对象编程语言,而面向对象的一个基本特征就是多态。在一个复杂的类的继承层次结构中,子类可以和父类具有同名的方法(override),父类的引用也可以接受子类对象。而在这种情况下,调用父类引用的方法(或者说发送某个消息),那么如果这个方法在父类和子类中的实现逻辑不同,哪种实现会被执行呢,答案自然应该是子类的实现逻辑被调用执行。这是面向对象语言的基本特性之一。

C作为一门非面向对象语言,肯定是不支持这些的,而建立在C基础之上的Objective-C通过运行时库做到了这点。比如有两个类,ParentClass和它的子类SonClass,具有同名不同实现的无参实例方法(“-”)doSomething,instance是一个ParentClass*类型引用,但却被指向了一个SonClass的实际对象。那么调用[instance doSomething]; 毫无疑问会执行SonClass里的逻辑。

这怎么做到?这正是通过Objective-C运行时对消息发送的分派机制。赘言无益,看看下面一段代码就明白了:

void funcA()
{
   printf("hello world!\n");
}

void funcB()
{
   printf("world hello!\n");
}

void receiveMessage()
{
   void (*function)();
   if ( shouldFunctionAorB )
   {
      function = &funcA;
   }
   else
   {
      function = &funcB;
   }
   (*function)();
}

这是一段C语言代码,使用了函数指针,函数主体逻辑在receiveMessage函数里,它通过运行时shouldFunctionAorB变量的状态选择最终执行funcA还是funcB。

虽然本人未看过Objective-C运行时库的源代码,但相信其实现的方式与此并无太大区别,原理就是如此。而决定运行时执行哪个方法实现的条件可能会比较复杂,但runtime肯定是可以得到并以此决断的。

1. SEL和IMP

使用过UIControl的朋友应该知道addTarget:action:forControlEvents:这个方法,里面的action参数通常用到一个@selector(),而这个语句的结果就是得到了一个SEL变量。SEL变量我们就叫做一个selector。Selector其实很好理解,就是在发送消息/方法调用时标识是哪个消息(方法)的东西。这个通常都是通过方法全名得来的,就比如上面UIControl的(addTarget:action:forControlEvents:)。

IMP实际上就是具体的一个方法逻辑实现(implementation,貌似IMP就是这么来的)。这个和上面代码示例中的C语言函数指针概念相似。到funcA的指针和到funcB的指针都是IMP变量。

Obejctive-C的运行时系统提供的消息的分派机制把SEL和IMP关联起来。但每次消息发送/方法调用都做一遍查找显然是很麻烦很低效的,所以在Objective-C的runtime这里一定是有缓存机制的, 使得对每个类特定selector对应的IMP可以很快找到。

当然,即使用最好的数据结构和最快的查找算法,和直接执行C函数调用的静态绑定方式相比,也一定有性能损失。但比起Objective-C运行时为开发者提供的诸多动态特性相比,这些都是值得的。

2. objc_msgSend

0中的代码例子中阐述了Objective-C中消息发送的原理,而1中也解释了SEL和IMP的概念。那么当这一切都清楚了的时候,实际消息发送的时候是怎么操作的呢?那就是通过objc_msgSend这一系列的运行时C函数调用来做到的了。

在苹果官方文档《Objective-C Runtime Programming Guide》中提出和Objective-C运行时交互有三种方式,其中最底层的一种方式就是直接使用runtime的函数。我们下面就来看下和发送消息直接相关的几个函数:

  • objc_msgSend
  • objc_msgSend_fpret
  • objc_msgSend_stret
  • objc_msgSendSuper
  • objc_msgSendSuper_stret

我们看到他们都是以objc_msgSend开头的,也就是Objective-C“消息发送”的意思,我们就来看最基础的,也就是第一个。

id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );

我们看到后面有self、op和变长参数列表。我们知道对于不同的两个Objective-C的类对象,执行消息发送结果可能是不同的,那么第一个参数id类型的参数self就是用来标识不同对象的,而SEL的op就是标识发送哪个消息/调用哪个方法的selector,后面的变参我们其实可以猜想到,就是selector对应方法的实际参数。

而具体找IMP的过程显然被包装在objc_msgSend里面,或者说selector和IMP的对应关系被运行时系统记录了下来,无需objc_msgSend的调用者直接关注。

这样看来,这个objc_msgSend实际上就相当于0中示例代码的receiveMessage函数了。

上面列表中objc_msgSend一族的其它几个函数其实功能上是差不多的:

  • 带有ret结尾的标识返回值在某些情况下可以特殊处理(比如使用处理器的寄存器存储而非开辟栈空间),以进行优化。
  • 带有super的标识的回去找id参数的父类。关于怎么找一个Objective-C的当前类和父类,本小站后面的技术文章会找机会解释。

3. Method swizzling

上问提到了SEL和IMP的对应关系,那么这个能不能改呢?了解运行时机制除了知道objc_msgSend原理和怎么调用外还有什么意义?Method swizzling就是两个问题的一个很好的答案。

Method swizzling比较直接的翻译就是方法(实现)交换(“搅合”)。下面是一个简单的例子(源自《Effective Objective-C》):

Method originalMethod = class_getInstanceMethod([NSString class],@selector(lowercaseString));
Method swappedMethod = class_getInstanceMethod([NSString class], @selector(uppercaseString));
method_exchangeImplementations(originalMethod, swappedMethod);

这样,NSString之后的lowercaseString和uppercaseString就是相反的效果了!

方法实现的交换可以有很多应用场景,尤其在调试系统库等领域。

4. 消息转发

我不知道阅读本文的朋友们在开发调试时有没有遇到过“unrecognized selector”这个异常。这个错误提示告诉我们在程序运行时调用的方法没找到对应的实现,通常一个app就这样直接crash了。而其实这个情况系统是做过处理尝试的,最终这个异常也是系统库中NSObject的方法实现抛出来的。

这一段我们整理下Objective-C运行时中的消息转发机制,然后我们就明白上面这个异常提示是怎么出来的了。

消息转发通常是在Objective-C运行时系统找不到一个selector对应的实现时,这时候系统会回过来询问这个对象所属的类应该怎么做,主要分为几步:

  • 要不要对此次消息调用(实例方法/类方法)做动态解析和执行处理。这个我们可以通过class_addMethod函数,给这个类一个IMP,这样就可以去执行了。很多@dynamic的标记就需要这么配合来做。
  • 不做动态解析,那么是否转移消息给别的对象,转给谁。
  • 不转给别的对象,那么这次消息发送通过调用哪个Invocation对象来处理。

如上过程可参看如下取自《Effective Objective-C》的截图:

Objective-C运行时的消息转发

Objective-C运行时的消息转发

实际上,所有类的forwardInvocation方法都从NSObject那里继承到了,而其会调用:

- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector;

除了这些,消息转发很强大,用好了大有作为,比如可以做到类似C++中多继承的一些效果。

本文就整理到这,下面写本文时参看的一个有意思的参考:

http://www.cocoawithlove.com/2008/02/imp-of-current-method.html

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