【iOS】——消息传递底层实现

消息传递是什么

Objective-C是一种动态类型语言，这意味着在编译时并不确定对象的具体类型，而是在运行时决定。消息传递机制允许程序在运行时向对象发送消息，对象再决定如何响应这些消息。

当你通过对象调用方法时，例如像这样[obj someMethod]编译器会将其转换为一个消息发送的底层调用，通常是 objc_msgSend(obj, @selector(someMethod))。这个函数接受两个主要参数：方法的调用者和方法选择器（也就是方法名)。

void objc_msgSend(id self, SEL cmd, ....）

第一 个参数代表接收者也就是方法调用者，第二个参数代表方法选择器(SEL 是选择子的类型)也就是方法的名字，后续参数就是消息中的 那些参数，其顺序不变。

选择子SEL

选择子（Selector）是用于表示方法名的数据类型。它是一个在运行时由编译器生成的唯一的标识符，用于在对象中查找并调用相应的方法。

OC在编译时会根据方法的名字（包括参数序列），生成一个用来区分这个方法的唯一的一个ID，这个ID就是SEL类型的。我们需要注意的是，只要方法的名字（包括参数序列）相同，那么他们的ID就是相同的。所以不管是父类还是子类，名字相同那么ID就是一样的

IMP

IMP是一个函数指针，它指向方法的实际实现。当运行时系统找到了与选择器相匹配的方法时，它会获取该方法的IMP，然后调用这个函数指针来执行方法的代码。

IMP通常被声明为id返回类型和接受id类型的self和SEL类型的_cmd参数的函数指针。例如：

typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);

SEL与IMP的关系

在运行时系统中，SEL和IMP是紧密相关的。当你调用一个方法时，运行时系统首先将方法名解析为SEL，然后使用这个SEL去查找与之对应的IMP。一旦找到IMP，运行时系统就会调用这个函数指针来执行方法的代码。

消息传递的流程

• 首先，Runtime系统会通过obj的 isa 指针找到其所属的class

• 接着在这个类的缓存中查找与选择器匹配的方法实现

• 如果缓存中没找到接着在这个类的方法列表（method list）中查找与选择器（someMethod）匹配的方法实现（IMP）。

• 如果在当前类中没有找到，Runtime会沿着类的继承链往它的 superclass 中查找，也是先查缓存再查方法列表，直到到达根类（通常为 NSObject）。

• 一旦找到someMethod这个函数，就去执行它的实现IMP 。

• 如果直到根类还是没找到就会进行消息转发流程。

消息发送（Messaging）是 Runtime 通过 selector 快速查找 IMP 的过程，有了函数指针就可以执行对应的方法实现；消息转发（Message Forwarding）是在查找 IMP 失败后执行一系列转发流程的慢速通道，如果不作转发处理，则会打日志和抛出异常。

objc_msgSend()的伪代码如下：

id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...) {
  //获取当前对象的类对象用于在运行时获取方法实现
  Class class = object_getClass(self);
  //根据类对象和选择器_cmd获取IMP指针
  IMP imp = class_getMethodImplementation(class, _cmd);
  //判空IMP并返回该方法实现
  return imp ? imp(self, _cmd, ...) : 0;
}

上面代码之所以是伪代码是因为objc_msgSend 是用汇编语言写的，针对不同架构有不同的实现。汇编语言的效率比c/c++更快，它直接对寄存器进行访问和操作，相比较内存的操作更加底层效率更高。

其源代码比较多，下面是核心部分：

ENTRY _objc_msgSend       // 开始_objc_msgSend函数的定义
MESSENGER_START           // 标记消息传递的开始

NilTest NORMAL            // 检查self是否为nil，如果是nil则引发异常

GetIsaFast NORMAL         // 快速获取self对象的isa指针，isa指向对象的类信息
                          // r11 = self->isa

CacheLookup NORMAL        // 在缓存中查找IMP，如果找到则直接调用IMP
                          // 这里利用了方法缓存，以提高性能

NilTestSupport NORMAL     // 如果self是nil的备用处理

GetIsaSupport             // 如果需要，更全面地获取isa信息
                          // 这是为了支持特殊情况下的isa获取

// cache miss: go search the method lists
LCacheMiss:               // 缓存中没找到，开始在方法列表中查找IMP
                          // isa仍然在r11寄存器中

MethodTableLookup %a1, %a2 // 在方法表中查找与选择器匹配的IMP
                          // r11 = IMP，这里查找方法实现

cmp %r11, %r11            // 设置eq标志位，用于非 stret (simple) 的方法转发
                          // 这里比较r11与自身，实际上是设置条件码，用于判断是否需要转发

jmp *%r11                 // 跳转到IMP地址并执行
                          // 这里直接调用了方法实现

END_ENTRY _objc_msgSend   // 结束_objc_msgSend函数的定义

MethodTableLookup 宏是重点，负责在缓存没命中时在方法表中负责查找 IMP:

.macro MethodTableLookup

	MESSENGER_END_SLOW
	
	SaveRegisters

	// _class_lookupMethodAndLoadCache3(receiver, selector, class)

	movq	$0, %a1
	movq	$1, %a2
	movq	%r11, %a3
	call	__class_lookupMethodAndLoadCache3

	// IMP is now in %rax
	movq	%rax, %r11

	RestoreRegisters

.endmacro

从上面的代码可以看出方法查找 IMP 的工作交给了 OC 中的 _class_lookupMethodAndLoadCache3 函数，并将 IMP 返回（从 r11 挪到 rax）。最后在 objc_msgSend 中调用 IMP。

消息传递快速查找

• 首先检查消息接收者receiver是否存在，不存在则不做任何处理。

• 接着通过receiver的isa指针找到对应的class类对象，

• 从cache中获取buckets，从buckets中对比参数sel，看在缓存里有没有同名方法如果buckets中有对应的SEL则返回它对应的IMP

• 如果在缓存中没有找到匹配的方法选择子，则执行慢速查找过程，即调用 _objc_msgSend_uncached 函数，并进一步调用 _lookUpImpOrForward 函数进行全局的方法查找。

简单来说快速查找就是在所属类的缓存中查找SEL对应的IMP指针

buckets是cache中的结构体，bucket_t的结构体中存储了一个unsigned long和一个IMP。IMP是一个函数指针，指向了一个方法的具体实现。
cache_t中的bucket_t *_buckets其实就是一个散列表，用来存储Method的链表。

消息传递慢速查找

当消息发送的快速查找过程无法找到匹配的方法实现时，就会进入 _lookUpImpOrForward 函数根据继承链和协议信息逐级查找方法。

• 从本类的 method list **(二分查找/遍历查找)**查找imp
• 从本类的父类的cache查找imp**(汇编)**
• 从本类的父类的method list **(二分查找/遍历查找)**查找imp …继承链遍历…（父类->…->根父类）里找cache和method list的imp
• 若上面环节有任何一个环节查找到了imp，跳出循环，缓存方法到本类的cache，并返回imp
• 直到查找到nil，指定imp为消息转发，跳出循环，执行动态决议resolveMethod_locked（消息转发的内容）

简单来说慢速查找就是在所属类的方法列表中查找SEL对应的IMP指针，没找到就沿着继承链一直查找方法缓存和方法列表，找到就返回IMP，没找到就执行动态决议

lookUpImpOrForward函数

前面提到的 _class_lookupMethodAndLoadCache3 函数其实就是简单的调用了 lookUpImpOrForward 函数：

IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls)
{
    return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, 
                              YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/);
}

注意 lookUpImpOrForward 调用时使用缓存参数传入为 NO，因为之前快速查找的时候已经尝试过查找缓存了。

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, bool initialize, bool cache, bool resolver) 实现了一套查找 IMP 的标准路径，也就是在消息转发（Forward）之前的逻辑。

下面是lookUpImpOrForward函数源码：

NEVER_INLINE
IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior) {
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; // 定义转发的IMP
    IMP imp = nil; // 初始化IMP为nil
    Class curClass;

    runtimeLock.assertUnlocked(); // 确认运行时锁未被持有

    // 如果类未初始化，设置LOOKUP_NOCACHE，防止缓存单个条目的情况
    if (slowpath(!cls->isInitialized())) {
        behavior |= LOOKUP_NOCACHE;
    }

    runtimeLock.lock(); // 锁住运行时锁

    // 验证类是否是已知的类
    checkIsKnownClass(cls);
    // 确保类已实现和初始化
    cls = realizeAndInitializeIfNeeded_locked(inst, cls, behavior & LOOKUP_INITIALIZE);

    curClass = cls; // 当前类

    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount(); ;) {
        // 如果类的缓存是常量优化缓存
      // 再一次从cache查找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 (curClass->cache.isConstantOptimizedCache(true)) {
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
            imp = cache_getImp(curClass, sel); // 从缓存中查找IMP
            if (imp) goto done_unlock; // 如果找到IMP，结束循环
            curClass = curClass->cache.preoptFallbackClass();
#endif
        } else {
            // 从当前类的方法列表中查找匹配的选择器
            method_t *meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
            if (meth) {
                imp = meth->imp(false); // 获取IMP
                goto done;
            }
            // 每次判断都会把curClass的父类赋值给curClass
            if (slowpath((curClass = curClass->getSuperclass()) == nil)) {
                imp = forward_imp; // 使用转发IMP
                break;
            }
        }

        // 防止超类链中出现循环
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }

        // 在超类缓存中查找IMP
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) {
            // 在超类中发现转发条目，停止搜索
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            // 在超类中找到方法，缓存结果
            goto done;
        }
    }

    // 尝试方法解析器
    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER;
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

done:
    if (fastpath((behavior & LOOKUP_NOCACHE) == )) {
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
        while (cls->cache.isConstantOptimizedCache(true)) {
            cls = cls->cache.preoptFallbackClass();
        }
#endif
        log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); // 填充缓存
    }

done_unlock:
    runtimeLock.unlock(); // 解锁

    // 如果设置LOOKUP_NIL并且IMP是转发IMP，则返回nil
    if (slowpath((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == forward_imp)) {
        return nil;
    }
    return imp; // 返回找到的IMP
}

总体的流程如下：

首先检查接收者 inst 是否为空，如果为空则直接返回空。

接下来，代码根据接收者的类对象 cls 进行一系列的处理和查找操作，以找到适当的方法实现 imp。包括：

• 检查类对象是否已经初始化，如果尚未初始化则将 LOOKUP_NOCACHE 标志添加到 behavior 中，避免缓存查找。

• 通过 realizeAndInitializeIfNeeded_locked 函数对类对象进行实例化和初始化处理，确保类对象已经准备就绪。

• 使用循环逐级查找方法实现，包括在类的缓存中查找、在类的方法列表中查找、在父类链中查找。如果找到了匹配的方法实现，则跳转到 done 标签处。

• 如果在查找过程中找不到匹配的方法实现，则说明需要进行消息转发。将消息转发的默认实现 forward_imp 赋给 imp。

• 如果设置了 LOOKUP_RESOLVER 标志，说明需要调用方法解析器进行进一步处理，跳转到 resolveMethod_locked 函数进行解析。

• 在查找或转发结束后，如果未设置 LOOKUP_NOCACHE 标志，将找到的方法实现 imp 缓存到类对象的缓存中。

• 代码解锁runtime锁，根据需要返回找到的方法实现 imp 或空值

在循环中，首先检查当前类对象的缓存是否是常量优化缓存（isConstantOptimizedCache）。如果是常量优化缓存，代码尝试从缓存中获取方法实现（cache_getImp(curClass, sel)）。如果成功获取到方法实现，则跳转到 done_unlock 标签处，结束查找。

如果当前类对象的缓存不是常量优化缓存，代码继续执行。通过调用 getMethodNoSuper_nolock 函数在当前类对象的方法列表中查找方法（meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel)）。如果找到匹配的方法，则获取对应的方法实现（imp = meth->imp(false)），跳转到 done 标签处，结束查找。

如果在当前类对象的方法列表中没有找到匹配的方法实现，代码继续执行。将当前类对象的父类赋值给 curClass，并判断是否为 nil。如果父类为 nil，说明已经到达了继承链的顶端，没有找到匹配的方法实现。此时将默认的转发实现 forward_imp 赋给 imp，并跳出循环。

在循环的每次迭代中，会将 attempts 的值减一，表示尚未完成的查找次数。如果 attempts 的值减到零，则说明类对象的继承链中存在循环，这是不合理的。此时会触发一个错误，终止程序执行。

如果在当前类对象的缓存中找到了转发的条目（imp == forward_imp），表示在父类的缓存中找到了转发的方法实现。这时会停止循环，但不会将转发的方法实现缓存，而是先调用方法解析器来处理。

最后，在循环结束后，会根据需要将找到的方法实现缓存到类对象的缓存中，然后解锁运行时锁，并根据需要返回找到的方法实现或空值。

动态决议 resolveMethod_locked

当慢速查找依然没有找到IMP时，会进入方法动态解析阶段，源码如下：

// 尝试方法解析器
    if (slowpath(behavior & LOOKUP_RESOLVER)) {
        behavior ^= LOOKUP_RESOLVER;
        return resolveMethod_locked(inst, sel, cls, behavior);
    }

这里调用了resolveMethod_locked方法，下面是它的源代码：

static NEVER_INLINE IMP
resolveMethod_locked(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    runtimeLock.assertLocked();
    ASSERT(cls->isRealized());
    //**加锁**
    runtimeLock.unlock();
    
    //**判断是否是元类**
    if (! cls->isMetaClass()) {
        //**不是元类，调用resolveInstanceMethod方法**
        resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
    } 
    else {
  
        //**是元类，调用resolveClassMethod**
        resolveClassMethod(inst, sel, cls);
        //**如果调用上面的方法还没有找到，尝试调用resolveInstanceMethod**
        //**原因是根据isa的继承链，根元类的父类是NSObject，所以在元类中如果没有找到**
        //**最后可能会在NSObjct中找到目标方法**
        if (!lookUpImpOrNilTryCache(inst, sel, cls)) {
            resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
        }
    }
    //**重新调用lookUpImpOrForwardTryCache方法，返回方法查找流程**
    //**因为已经进行过一次动态方法决议，下次将不会再进入，所以不会造成死循环**
    return lookUpImpOrForwardTryCache(inst, sel, cls, behavior);
}

• 首先判断进行解析的是否是元类

• 如果不是元类，则调用_class_resolveInstanceMethod进行实例方法动态解析

• 如果是元类，则调用_class_resolveClassMethod进行类方法动态解析

• b完成类方法动态解析后，再次查询cls中的imp，如果没有找到，则进行一次对象方法动态解析

• 最后执行 lookUpImpOrForwardTryCache函数

  resolveInstanceMethod和resolveClassMethod也称为方法的动态决议。

  resolveInstanceMethod方法

static void resolveInstanceMethod(id inst, SEL sel, Class cls)
{
    runtimeLock.assertUnlocked();
    //**如果目标类没有初始化，直接报错**
    ASSERT(cls->isRealized());
    //**创建一个方法名为resolveInstanceMethod的SEL**
    SEL resolve_sel = @selector(resolveInstanceMethod:);
    //**判断resolveInstanceMethod是否在目标类中实现**
    //**如果我们的类是继承自NSObject的话，那么这个判断就永远为false**
    //**因为在NSObject中已经默认实现了resolveInstanceMethod方法**
    //**因为是去cls->ISA也就是元类中查找，所以我们可以断定，resolveInstanceMethod是个类方法**
    if (!lookUpImpOrNilTryCache(cls, resolve_sel, cls->ISA(/*authenticated*/true))) {
        // Resolver not implemented.
        return;
    }
    //**强制类型转换objc_msgSend**
    BOOL (*msg)(Class, SEL, SEL) = (typeof(msg))objc_msgSend;
    //**通过objc_msgSend方法调用resolveInstanceMethod**
    bool resolved = msg(cls, resolve_sel, sel);
    
    //**拼接上LOOKUP_NIL参数后，重新调用方法查找流程**
    //**虽然调用了resolveInstanceMethod,但是这个返回值是bool**
    //**所以我们要获取对应的imp，还是需要通过方法查找流程**
    //**如果通过resolveInstanceMethod添加了方法，就缓存在类中**
    //**没添加，则缓存forward_imp**
    IMP imp = lookUpImpOrNilTryCache(inst, sel, cls);
    //**组装相应的信息**
    if (resolved  &&  PrintResolving) {
        if (imp) {
            ………
        }
        else {
            ………
        }
    }
}

首先创建一个方法名为resolveInstanceMethod的SEL对象resolve_sel;

然后判断resolve_sel是否实现，如果继承NSObject则必定已经实现，这里通过cls->ISA可以知道，resolveInstanceMethod是个类方法；

通过objc_ msgSend直接调用resolveInstanceMethod方法，因为是直接对cls发送消息，所以也可以看出resolveInstanceMethods是类方法;

调用lookUpImpOrNilTryCache方法，重新返回到方法查找的流程当中去;

resolveClassMethod方法

static void resolveClassMethod(id inst, SEL sel, Class cls)
{
    runtimeLock.assertUnlocked();
    ASSERT(cls->isRealized());
    ASSERT(cls->isMetaClass());
    //**判断resolveClassMethod是否实现，NSObject中默认实现**
    if (!lookUpImpOrNilTryCache(inst, @selector(resolveClassMethod:), cls)) {
        // Resolver not implemented.
        return;
    }
    //**获取目标类**
    Class nonmeta;
    {
        mutex_locker_t lock(runtimeLock);
        nonmeta = getMaybeUnrealizedNonMetaClass(cls, inst);
        // +initialize path should have realized nonmeta already
        if (!nonmeta->isRealized()) {
            _objc_fatal("nonmeta class %s (%p) unexpectedly not realized",
                        nonmeta->nameForLogging(), nonmeta);
        }
    }
    //**强制类型转换objc_msgSend**
    BOOL (*msg)(Class, SEL, SEL) = (typeof(msg))objc_msgSend;
    //**通过objc_msgSend调用类中的resolveClassMethod方法**
    bool resolved = msg(nonmeta, @selector(resolveClassMethod:), sel);

    //**拼接上LOOKUP_NIL参数后，重新调用方法查找流程**
    //**类方法实际上就是元类对象中的对象方法，所以可以通过方法查找流程在元类中查找**
    //**如果通过resolveClassMethod添加了，就缓存方法在元类中**
    //**没添加，则缓存forward_imp**
    IMP imp = lookUpImpOrNilTryCache(inst, sel, cls);

    if (resolved  &&  PrintResolving) {
        if (imp) {
           ……
        }
        else {
           ……
        }
    }
}

这个方法与resolveInstanceMethod比较类似，如果通过resolveClassMethod方法添加了目标imp，则将其缓存在目标元类中，否则缓存forward_imp。

lookUpImpOrNilTryCache方法

在resolveInstanceMethod和resolveClassMethod中都会调用的lookUpImpOrNilTryCache方法

extern IMP lookUpImpOrNilTryCache(id obj, SEL, Class cls, int behavior = 0);

IMP lookUpImpOrNilTryCache(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    //**这里behavior没传，所以是默认值0**
    //**behavior | LOOKUP_NIL = 0 | 4 = 4**
    return _lookUpImpTryCache(inst, sel, cls, behavior | LOOKUP_NIL);
}

给参数behavior拼接上LOOKUP_NIL然后调用_lookUpImpTryCache方法

lookUpImpTryCache方法

ALWAYS_INLINE
static IMP _lookUpImpTryCache(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    runtimeLock.assertUnlocked();
    //**判断类是否初始化**
    if (slowpath(!cls->isInitialized())) {
        //**没有初始化直接调用lookUpImpOrForward**
        //**里面针对没初始化的类，有相关处理**
        return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior);
    }
    //**去缓存中，查找sel是否有对应的imp**
    IMP imp = cache_getImp(cls, sel);
    //**找到了则跳去done**
    if (imp != NULL) goto done;
    //**没找到继续往下走，去共享缓存中查找**
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
    if (fastpath(cls->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true))) {
        imp = cache_getImp(cls->cache.preoptFallbackClass(), sel);
    }
#endif
    //**没找到对应的imp，调用lookUpImpOrForward方法查找，behavior = 4**
    //** 4 & 2 = 0 ,所以这次方法查找不会再次进行动态方法决议**
    //**将_objc_msgForward_impcache缓存起来，方便下次直接返回**
    if (slowpath(imp == NULL)) {
        return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior);
    }

done:
    //**命中缓存中，并且sel对应的imp为_objc_msgForward_impcache**
    //**说明动态方法决议已经执行过，且没有添加imp，则直接返回空**
    if ((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == (IMP)_objc_msgForward_impcache) {
        return nil;
    }
    //**说明动态方法决议中添加了对应的imp**
    return imp;
}

• 首先判断类是否初始化，如果没有初始化则直接调用lookUpImpOrForward，里面有针对没初始化的类进行相应的处理;

• 然后去缓存中进行方法的快速查找，找到了就去done

• 缓存中没找到，如果支持共享缓存，则去共享缓存中查找

• 都没有查找到，则通过慢速方法查找去查找方法，由于behavior 的值发生改变，这次慢速查找不会再次调用动态方法决议

• 在done流程中，如果已经执行过动态方法决议且并没有添加imp，则缓存中的sel对应imp为_objc_msgForward_impcache，这时直接返回nil。否则返回添加的imp实现。

如果系统在动态决议阶段没有找到实现，就会进入消息转发阶段。