iOS開發RunTime之函數調用

iOS開發RunTime之函數調用

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經過兩個多月的面試，工作終於塵埃落定了。這兩個多月的面試過程中，我發現很多底層基礎的東西大公司非常看重。比如：RunLoop，RunTime，Block等。這篇文章主要是介紹RunTime中函數調用的機制，知識點有一定深度，也是面試過程中能力的體現。

1.Objective-C中的函數調用

對於C語言，函數調用是由編譯器直接轉化完成的，在編譯時間程式就開始尋找要執行的函數(C語言函數調用原理)。而在OC中，我們將函數調用稱為訊息發送。在編譯時間程式不尋找要執行的函數，必須等到真正運行時，程式才尋找要執行的函數。

例子：在C語言中，僅申明一個函數，不去實現。其他地方調用此函數。編譯時間就會報錯(C語言編譯時間尋找要執行的函數，找不到所以報錯)。而同樣的情況在OC中並不會報錯，只有在運行時候才會報錯。(OC運行時才尋找要執行的函數)

2.Objective-C函數調用的底層實現

Objective-C之所以能做到運行時才尋找要執行的函數主要歸功於runTime的SDK。下面我們來看看Objective-C是怎麼讓程式擁有運行時特性的。
在runTime的SDK下有一個objc_msgSend()的方法

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

當我們寫下一行代碼[obj doSth];，在編譯時間，編譯器會將我們的代碼轉化為

    objc_msgSend(obj,@selector(doSth));

objc_msgSend()方法實現了函數尋找和匹配，下面是它的原理：

1. 根據對象obj找到對象類中儲存的函數列表methodLists。
2. 再根據SEL@selector(doSth)在methodLists中尋找對應的函數指標method_imp。
3. 根據函數指標method_imp調用響應的函數。3.objc_msgSend的實現細節

   前面我們只是簡單的介紹了objc_msgSend()的原理，下面我們來詳細看看objc_msgSend是怎麼實現的。
   首先對於任意一個NSObject對象下面都有一個isa的屬性，指向對象對應的Class類

   @interface NSObject  {    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;}

   根據對象調用即可拿到對應的Class。下面我們來看看Class

   typedef struct objc_class *Class;struct objc_class {    Class isa; // 指向metaclass      Class superclass;  // 指向父類Class    const char *name;  // 類名     uint32_t version;  // 類的版本資訊    uint32_t info;        // 一些標識資訊，標明是普通的Class還是metaclass    uint32_t instance_size;        // 該類的執行個體變數大小(包括從父類繼承下來的執行個體變數);    struct old_ivar_list *ivars;    //類中成員變數的資訊    struct old_method_list **methodLists;    類中方法列表    Cache cache;    尋找方法的緩衝，用於提升效率    struct old_protocol_list *protocols;  // 儲存該類遵守的協議  }

   由上面的代碼我們能看到Class是一個結構體指標，指向objc_class結構體。在objc_class中存放著methodLists方法列表。所以根據Class我們可以直接找到methodLists
   下面我們來看看怎麼從methodLists中找到對應的函數指標

   struct old_method_list {    void *obsolete;        //廢棄的屬性    int method_count;    //方法的個數    /* variable length structure */    struct old_method method_list[1];    方法的首地址};struct old_method {    SEL method_name;    //方法對應的SEL    char *method_types;        //方法的類型    IMP method_imp;        //方法對應的函數指標};

   對於old_method_list結構體，他儲存了old_method方法個數和方法首地址。我們可以把他當做一個可變長度的old_method數組。

   開始我也不明白為什麼是method_list[1]，數組的大小怎麼會是1呢？後來才想通由於數組的大小是不定的，不同的類對應的不同的方法個數。所以定義時只儲存首地址，在實際使用過程中再擴充長度

   對於old_method結構體，他由SEL，type，IMP三個成員組成。由此可知，我們只要在method_list中找到了old_method即可拿到函數指標IMP。下面是尋找的代碼：

   static inline old_method *_findMethodInList(old_method_list * mlist, SEL sel) {    int i;    if (!mlist) return nil;    for (i = 0; i < mlist->method_count; i++) {        old_method *m = &mlist->method_list[i];        if (m->method_name == sel) {            return m;        }    }    return nil;}

   1. 尋找函數是個內嵌函式，傳入old_method_list和SEL，返回old_method
   2. 首先對old_method_list數組判空，如果為空白，返回nil
   3. 遍曆old_method_list數組，根據SEL匹配，找到old_method4.函數調用的效能最佳化

      上面部分我們已經講完了函數調用的基本過程。在看完上面部分之後大家可能會有疑惑：Objective-C的函數調用是如此的複雜，會不會導致運行起來非常慢呢？畢竟每調用一個函數都要走這麼多過程。
      別急，其實在調用的過程中蘋果對其做了一些效能最佳化，使得其調用並不比C語言很多。下面我們來具體看看做了哪些效能最佳化：

      4.1 SEL的使用

      大家可能早就有疑惑了，前面一直在說SEL，SEL到底是個什麼東西？

      /// An opaque type that represents a method selector.typedef struct objc_selector *SEL;

      蘋果對SEL的官方解釋是：一種不透明的類型，它代表著一個方法選取器。
      SEL本質其實是一個int類型的地址，指向儲存的方法名。對於每一個類，都會分配一塊特殊空空間，專門儲存類中的方法名，SEL就是指向對應方法名的地址。由於方法名字串是唯一的，所以SEL也是唯一的。
      為什麼不直接使用方法名而使用SEL呢？這個問題沒有找到比較官方的資料，個人認為由於方法名是字串，SEL是int類型，使用時int類型更方便，效率更高（特別是比較相等時，字串的比較比int的比較效率低很多）

      4.2 cache的使用

      我們來仔細分析一下函數的調用過程：

      obj->isa->methodListsold_method->method_imp

      1. 由於isa是obj的成員變數，methodLists是isa的成員變數，所以用obj可以直接拿到methodLists
      2. 由於method_imp是old_method的成員變數，所以用old_method可以直接拿到method_imp

         所以函數調用過程的主要時間消耗在methodLists中尋找old_method。
         cache就是用來最佳化這個尋找過程的。
         我們可以把cache簡單當成一個雜湊表，key是SEL，Value是old_method。由此可知，從cache中尋找old_method相當簡單高效。
         從methodLists中尋找old_method的真正過程分為如下兩步：

         1. 通過SEL在cache中尋找old_method，若找到了直接返回，若未找到執行2
         2. 在methodLists中尋找old_method，找到之後先將old_method插入cache中以方便下次尋找，再返回old_method

            由此可知，在第一次調用某個函數時，會比較慢，因為cache中沒有這個函數，第二次調用時就會非常快了

            總結

            這篇文章主要是講Objective-C中函數調用的過程，其他不太相關的東西就被忽略了，例如objc_class結構體中其他成員變數作用，本類中尋找不到函數怎麼去父類中尋找，如果沒有找到函數怎麼辦？這些問題我可能後續還會有文章介紹，現在暫時先寫到這吧。如果有人想要瞭解可以在評論區提問或者加QQ群討論。大家有什麼異議的地方也可以和我說