iOS-底层原理 20：OC底层面试解析

花明

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2021-09-19

【面试-1】Runtime Asssociate方法关联的对象，需要在dealloc中释放?

当我们对象释放时，会调用dealloc

  • 1、C++函数释放 ：objc_cxxDestruct
  • 2、移除关联属性：_object_remove_assocations
  • 3、将弱引用自动设置nil：weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
  • 4、引用计数处理：table.refcnts.erase(this）
  • 5、销毁对象：free(obj)

所以，关联对象不需要我们手动移除，会在对象析构即dealloc时释放

dealloc 源码

dealloc的源码查找路径为：dealloc -> _objc_rootDealloc -> rootDealloc -> object_dispose（释放对象）-> objc_destructInstance -> _object_remove_assocations

  • 在objc源码中搜索dealloc的源码实现

  • 进入_objc_rootDealloc源码实现，主要是对对象进行析构

  • 进入rootDealloc源码实现，发现其中有关联属性时设置bool值，当有这些条件时，需要进入else流程

  • 进入object_dispose源码实现，主要是销毁实例对象

  • 进入objc_destructInstance源码实现，在这里有移除关联属性的方法

  • 进入_object_remove_assocations源码，关联属性的移除，主要是从全局哈希map中找到相关对象的迭代器，然后将迭代器中关联属性，从头到尾的移除

【面试-2】方法的调用顺序

类的方法 和 分类方法 重名，如果调用，是什么情况？

  • 如果同名方法是普通方法，包括initialize -- 先调用分类方法

    • 因为分类的方法是在类realize之后 attach进去的，插在类的方法的前面，所以优先调用分类的方法（注意：不是分类覆盖主类！！）

    • initialize方法什么时候调用？ initialize方法也是主动调用，即第一次消息时调用，为了不影响整个load，可以将需要提前加载的数据写到initialize中

  • 如果同名方法是load方法 -- 先 主类load，后分类load（分类之间，看编译的顺序）

    • 原因：参考iOS-底层原理 18：类的加载（下）文章中的 load_images 原理分析

【面试-3】Runtime是什么？

  • runtime是由C和C++汇编实现的一套API，为OC语言加入了 面向对象、以及运行时的功能

  • 运行时是指将数据类型的确定由编译时 推迟到了 运行时

    • 举例：extension 和 category 的区别

  • 平时编写的OC代码，在程序运行的过程中，其实最终会转换成runtime的C语言代码， runtime是OC的幕后工作者

1、category 类别、分类

  • 专门用来给类添加新的方法

  • 不能给类添加成员属性，添加了成员属性，也无法取到

  • 注意：其实可以通过runtime 给分类添加属性，即属性关联，重写setter、getter方法

  • 分类中用@property 定义变量，只会生成变量的setter、getter方法的声明，不能生成方法实现 和 带下划线的成员变量

2、extension 类扩展

  • 可以说成是特殊的分类 ，也可称作 匿名分类

  • 可以给类添加成员属性，但是是私有变量

  • 可以给类添加方法，也是私有方法

【面试-4】方法的本质，sel是什么？IMP是什么？两者之间的关系又是什么？

  • 方法的本质：发送消息，消息会有以下几个流程

    • 快速查找（objc_msgSend） - cache_t缓存消息中查找

    • 慢速查找 - 递归自己|父类 - lookUpImpOrForward

    • 查找不到消息：动态方法解析 - resolveInstanceMethod

    • 消息快速转发 - forwardingTargetForSelector

    • 消息慢速转发 - methodSignatureForSelector & forwardInvocation

  • sel是方法编号 - 在read_images期间就编译进了内存

  • imp是函数实现指针 ，找imp就是找函数的过程

  • sel 相当于 一本书的目录title

  • imp 相当于 书本的页码

  • 查找具体的函数就是想看这本书具体篇章的内容

    • 1、首先知道想看什么，即目录 title - sel

    • 2、根据目录找到对应的页码 - imp

    • 3、通过页码去翻到具体的内容

【面试-5】能否向编译后得到的类中增加实例变量？能否向运行时创建的类中添加实例变量

  • 1、不能向编译后的得到的类中增加实例变量

  • 2、只要类没有注册到内存还是可以添加的

  • 3、可以添加属性+方法

【原因】：编译好的实例变量存储的位置是ro，一旦编译完成，内存结构就完全确定了

【经典面试-6】 [self class]和[super class]的区别以及原理分析

  • [self class]就是发送消息 objc_msgSend，消息接收者是self，方法编号 class

  • [super class] 本质就是objc_msgSendSuper，消息的接收者还是 self，方法编号 class，在运行时，底层调用的是_objc_msgSendSuper2【重点！！！】

  • 只是 objc_msgSendSuper2 会更快，直接跳过self的查找

代码调试

  • LGTeacher中的init方法中打印这两种class调用


    运行程序，打印结果如下

  • 进入[self class]中的class源码

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

?
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

其底层是获取对象的isa，当前的对象是LGTeacher，其isa是同名的LGTeacher，所以[self class]打印的是LGTeacher

  • [super class]中，其中super 是语法的 关键字，可以通过clang 看super的本质，这是编译时的底层源码，其中第一个参数是消息接收者，是一个__rw_objc_super结构

    • 底层源码中搜索__rw_objc_super，是一个中间结构体

    • objc中搜索objc_msgSendSuper，查看其隐藏参数

    • 搜索struct objc_super


      通过clang的底层编译代码可知，当前消息的接收者 等于 self，而self 等于 LGTeacher，所以 [super class]进入class方法源码后，其中的self是init后的实例对象，实例对象的isa指向的是本类，即消息接收者是LGTeacher本类
  • 我们再来看[super class]在运行时是否如上一步的底层编码所示，是objc_msgSendSuper，打开汇编调试，调试结果如下

    • 搜索objc_msgSendSuper2，从注释得知，是从 类开始查找，而不是父类

    • 查看objc_msgSendSuper2的汇编源码，是从superclass中的cache中查找方法
ENTRY _objc_msgSendSuper2
UNWIND _objc_msgSendSuper2, NoFrame

ldp p0, p16, [x0]       // p0 = real receiver, p16 = class 取出receiver 和 class
ldr p16, [x16, #SUPERCLASS] // p16 = class->superclass
CacheLookup NORMAL, _objc_msgSendSuper2//cache中查找--快速查找

END_ENTRY _objc_msgSendSuper2

完整回答

所以，最完整的回答如下

  • [self class]方法调用的本质是 发送消息，调用class的消息流程，拿到元类的类型，在这里是因为类已经加载到内存，所以在读取时是一个字符串类型，这个字符串类型是在map_images的readClass时已经加入表中，所以打印为LGTeacher

  • [super class]打印的是LGTeacher，原因是当前的super是一个关键字，在这里只调用objc_msgSendSuper2，其实他的消息接收者和[self class]是一模一样的，所以返回的是LGTeacher

【面试-7】内存平移问题

Class cls = [LGPerson class];
void  *kc = &cls;  //
[(__bridge id)kc saySomething];

LGPerson中有一个属性 kc_name 和一个实例方法saySomething，通过上面代码这种方式，能否调用实例方法？为什么？

代码调试

  • 我们在日常开发中的调用方式是下面这种
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
[person saySomething];

  • 通过运行发现，是可以执行的，打印结果如下


  • [person saySomething]的本质是对象发送消息，那么当前的person是什么？

    • person的 isa指向类LGPerson 即person的首地址 指向 LGPerson的首地址，我们可以通过LGPerson的内存平移找到cache，在cache中查找方法

  • [(__bridge id)kc saySomething]中的kc是来自于LGPerson 这个类，然后有一个指针kc，将其指向LGPerson的首地址

所以，person是指向LGPerson类的结构，kc也是指向LGPerson类的结构，然后都是在LGPerson中的methodList中查找方法

修改：saySomething里面有属性 self.kc_name 的打印

代码如下所示

- (void)saySomething{
    NSLog(@"%s - %@",__func__,self.kc_name);
}

//下面这两种方式调用
//方式一
Class cls = [LGPerson class];
void  *kc = &cls; 
[(__bridge id)kc saySomething]; 
 
//方式二：常规调用
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
 [person saySomething];
  • 查看这两种调用方式的打印结果，如下所示

    • kc方式的调用打印的kc_name 是<ViewController: 0x7fe29170b560>

    • person方式的调用打印的kc_name是(null)

为什么会出现打印不一致的情况？

  • 其中person方式的kc_name 是由于 self指向person的内存结构，然后通过内存平移8字节，取出去kc_name，即self指针首地址平移8字节获得

  • 【方式一】其中kc指针中没有任何，所以kc表示8字节指针，self.kc_name的获取，相当于 kc首地址的指针也需要平移8字节找kc_name，那么此时的kc的指针地址是多少？平移8字节获取的是什么？

    • kc是一个指针，是存在栈中的，栈是一个先进后出的结构，参数传入就是一个不断压栈的过程，

      • 其中隐藏参数会压入栈，且每个函数都会有两个隐藏参数(id self，sel _cmd),可以通过clang查看底层编译

      • 隐藏参数压栈的过程，其地址是递减的，而栈是从高地址->低地址 分配的，即在栈中，参数会从前往后一直压

      • super通过clang查看底层的编译，是objc_msgSendSuper，其第一个参数是一个结构体__rw_objc_super（self，class_getSuperclass），那么结构体中的属性是如何压栈的？可以通过自定义一个结构体，判断结构体内部成员的压栈情况

        • p &person3
        • p *(NSNumber **)0x00007ffee83a8090
        • p *(NSNumber **)0x00007ffee83a8098


          所以图中可以得出 20先加入，再加入10，因此结构体内部的压栈情况是 低地址->高地址，递增的，栈中结构体内部的成员是反向压入栈，即低地址->高地址，是递增的，

  • 所以到目前为止，栈中从高地址到低地址的顺序的：self - _cmd - (id)class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController")) - self - cls - kc - person

    • self和_cmd是viewDidLoad方法的两个隐藏参数，是高地址->低地址正向压栈的

    • class_getSuperClass 和 self为objc_msgSendSuper2中的结构体成员，是从最后一个成员变量，即低地址->高地址反向压栈的

可以通过下面这段代码打印下栈的存储是否如上面所说

void *sp  = (void *)&self;
void *end = (void *)&person;
long count = (sp - end) / 0x8;
    
for (long i = 0; i<count; i++) {
    void *address = sp - 0x8 * i;
    if ( i == 1) {
        NSLog(@"%p : %s",address, *(char **)address);
    }else{
        NSLog(@"%p : %@",address, *(void **)address);
    }
}

运行结果如下


其中为什么class_getSuperclass是ViewController，因为objc_msgSendSuper2返回的是当前类，两个self，并不是同一个self，而是栈的指针不同，但是指向同一片内存空间

  • [(__bridge id)kc saySomething]调用时，此时的kc是 LGPerson: 0x7ffeec381098，所以saySomething方法中传入的self 还是LGPerson，但并不是我们通常认为的LGPerson，使我们当前传入的消息接收者，即LGPerson: 0x7ffeec381098，是LGPerson的实例对象，此时的操作与普通的LGPerson是一致的，即LGPerson的地址内存平移8字节

    • 普通person流程：person -> kc_name - 内存平移8字节

    • kc流程：0x7ffeec381098 + 0x80 -> 0x7ffeec3810a0,即为self，指向<ViewController: 0x7fac45514f50>，如下图所示

其中 person 与 LGPerson的关系是 person是以LGPerson为模板的实例化对象，即alloc有一个指针地址，指向isa，isa指向LGPerson，它们之间关联是有一个isa指向，

而kc也是指向LGPerson的关系，编译器会认为 kc也是LGPerson的一个实例化对象，即kc相当于isa，即首地址，指向LGPerson，具有和person一样的效果，简单来说，我们已经完全将编译器骗过了，即kc也有kc_name。由于person查找kc_name是通过内存平移8字节，所以kc也是通过内存平移8字节去查找kc_name

哪些东西在栈里 哪些在堆里

  • alloc的对象 都在堆中

  • 指针、对象 在栈中，例如person指向的空间在堆中，person所在的空间在栈中

  • 临时变量在栈中

  • 属性值 在堆，属性随对象是在栈中

【面试-8】 Runtime是如何实现weak的，为什么可以自动置nil

  • 1、通过SideTable 找到我们的 weak_table

  • 2、weak_table 根据 referent找到或者创建 weak_entry_t

  • 3、然后append_referrer（entry，referrer）将我的新弱引用的对象加进去entry

  • 4、最后 weak_entry_insert，把entry加入到我们的weak_table

底层源码调用流程如下图所示


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