Objective-C Message
2011-10-06 13:22 curer 阅读(5251) 评论(7) 编辑 收藏 举报object c 里面有一个非常有趣的设计，如果之前了解过c++的家伙们，对object c 中的把传统的调用函数变成了向这个类发送消息，这个过程总是令人琢磨不透，在实际过程中遇到的crash也很难调试清楚。这篇就要详细的解释消息这个家伙。当然，消息这个涉及的东西实在是太多了。这篇先简单介绍一下。
上一篇，我们了解了什么是类http://www.cnblogs.com/studentdeng/archive/2011/10/01/2197194.html。同理这一篇，我们首先需要了解什么是message。
message（消息）：message的具体定义很难说，因为并没有真正的代码描述，简单的讲message 是一种抽象，包括了函数名+参数列表，他并没有实际的实体存在。
method（方法）：method是真正的存在的代码。如：- (int)meaning { return 42; }
selector: selector 通过SEL类型存在，描述一个特定的method or message。在实际编程中，可以通过selector来检索函数等操作。
我不知道上面这种描述有多少人可以明白，因为我觉得这3个每个人都可以有自己的看法，在了解object c message 的整个过程之后。
让我们从一个简单的例子开始。当我们写好如下的代码时
- (int)foo:(NSString *)str { ...}
编译器事实上转成了下面的样子
int XXXX_XXXX_foo_(SomeClass *self, SEL _cmd, NSString *str) { ...}
当我们写下发送消息的代码如
int result = [obj foo:@"hello"];
实际上变成了
int result = ((int (*)(id, SEL, NSString *))objc_msgSend)(obj, @selector(foo:), @"hello");
而 objc_msgSend 是一个我们非常熟悉的C函数定义 id objc_msgSend(id self, SEL _cmd,...);
那么，object c 发送消息就变成了一个表面上看似容易理解的C函数调用了，这里有必要解释一下几个名词
id：很多地方说id是一个void *的指针。事实上，id 其实是这样子的
typedef struct objc_object {
Class isa;
} *id;
也就是说。id其实是一个可以指向任何一个object指针（只要结构体中包含isa 指针） 。
SEL：SEL 如果很粗鲁（我不知道改用什么其他词汇更容易描述）的讲，就是一个char * 的指针。因为你可以这样简单粗暴的测试
SEL selector = @selector(message); //@selector不是函数调用，只是给这个坑爹的编译器的一个提示 NSLog (@"%s", (char *)selector); //print message
注：这里之所以说粗鲁，是因为，这个的定义和object runtime 的具体实现息息相关，未来很可能改变，而这些定义也是没有文档化的，后面还会详细介绍SEL的具体实现。因为这里有不少为了提高效率而做的优化。
不知道有没有人惊呼这个问题。特别是如果之前从事C++的家伙们。传统的C++ 编译器在处理函数上，为了支持函数重载。使用了一种函数别名的方式如
int foo（int a）；
变成了 XXX_1_foo_int （具体的形式没有意义，核心在于，编译器生成的函数签名包括函数名，参数类型，参数个数）。
但我们的SEL 仅仅是函数名而已。
有了这些知识做铺垫，原谅我在把这个东东再搬出来
int result = ((int (*)(id, SEL, NSString *))objc_msgSend)(obj, @selector(foo:), @"hello");
那么，作为程序员，我们就为这个而疯狂了，因为编译器无法根据id 和SEL 获得完整的函数签名，编译器对参数个数和类型，完全不知道。那么他如何能过做到识别这些并找到正确的代码呢？
事实上这个头痛的问题，编译器做了一个非常坑爹的事情，就是“ it cheats” ，他假装能够通过函数名，就能确定正确的代码。通过扫描之前的函数声明来做，如果没有找到，编译器就认为这是一个运行时（runtime）的函数而直接略过。而这也就导致了object c 在处理有相同函数名和参数个数但类型不同的函数时，非常的弱。如
-(void)setWidth:(int)width； -(void)setWidth:(double)width；
这样的函数则被认为是一种编译错误，而这最终导致了一个非常非常奇怪的object c 特色的函数命名
-(void)setWidthIntValue:(int)width； -(void)setWidthDoubleValue:(double)width；
注：这样的函数命名的好坏，只能说是因人而异的，站在我的角度来讲。object c 的这种命名实在是太臃肿了，这种冗长的名字让人感到作呕而没有任何美感。当然，这样的命名的确可以避免很多的错误，比如因C++ 函数重载而引起的人为上的小失误，而且减少了理解函数的负担。总有利弊，需要平衡：P，不过，我还是不喜欢object c 编译器，因为他彻底阻挡了你的想法，至于为什么这样设计，我的理解是为了runtime，在这里为了性能而做了妥协，具体原因，后面再讲。
popup our brain stack
objc_msgSend 这里传入了 class 指针 self 函数名SEL 已经后面通过C的不定参数传入的参数。通过这些条件。就像之前的C++函数那样，需要查表，并找到相应函数的位置，然后call xxxxx。那么。object c 是如何找到这些函数的真实地址呢？ 之前有篇简单描述C++类函数布局的，有兴趣的可以对比的看。
为了解释这些这个过程，我们有需要介入一些名词了。
object c 2 的
typedef struct method_list_t {
uint32_t entsize_NEVER_USE; // low 2 bits used for fixup markers
uint32_t count;
struct method_t first;
} method_list_t;
typedef struct method_t {
SEL name;
const char *types;
IMP imp;
} method_t;
method就是这么简单， 一个函数名SEL 一个包括的参数类型和返回类型的type 最后加一个IMP 而IMP 就是一个函数指针，指向我们真正的代码位置
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
那么objc_msgSend 做的事情，就是通过我们传入的self 指针，找到class 的method_list 然后根据SEL 做比较，没有的话，就在super class 找，如此往复。直到找到匹配的SEL，然后，call imp。
那么，我们就发现了。如果object c 这样设计，调用函数的成本实在是太高了，相对传统的C函数调用。那么编译器和runtime又做了那些优化呢？有意思的事情开始了。
1、字符串比较
我们发现了SEL 就是简单的一个char* 字符串。那么，光是比较这一串字符，就可以让object c 慢的让人作呕了。那么我们就需要再认识一下我们的SEL了。
runtime 在实现selector是，实现了一个很大的Set，简单的说就是一个经过了杠杠优化过的hash表。而Set的特点就是唯一，也就是SEL是唯一的。那么对于字符串的比较仅仅需要比较他们的地址就可以了。犀利，速度上无语伦比，但是，有一个问题，就是数量增多会增大hash冲突而导致的性能下降（或是没有冲突，因为也可能用的是perfect hash）。但是不管使用什么样的方法加速，如果能够将总量减少，那将是最犀利的方法。那么，我们就不难理解，为什么SEL仅仅是函数名了。这样如
class A 有一个这样的method -(void)setWidth:(int)width；
而 classB 有一个这样的method -(void)setWidth:(double)width；
那么的selector 将指向同一个地方，使用同一个selector，如果真的需要在类中定义类似重载时，只能使用不同的函数名了。
但是，这样的优化，依然不能让人满意，因为，根据二八原则，我们真正执行的只是少数代码。那么。就有
2、cache
cache的原则就是缓存那些可能要执行的函数地址，那么下次调用的时候，速度就可以快速很多。这个和CPU的各种缓存原理相通。好吧，说了这么多了，再来认识几个名词
struct objc_cache {
uintptr_t mask; /* total = mask + 1 */
uintptr_t occupied;
cache_entry *buckets[1];
};
typedef struct {
SEL name; // same layout as struct old_method
void *unused;
IMP imp; // same layout as struct old_method
} cache_entry;
看这个结构，有没有搞错又是hash table。
objc_msgSend 首先在cache list 中找SEL 没有找到就在class 找，super class 找（当然super class 也有cache list）。
而cache的机制则非常复杂了，由于object c 是动态语言。所以，这里面还有很多的多线程同步问题，而这些锁又是效率的大敌，相关的内容已经远远超过本文讨论的范围。
popup our brain stack
有了上面的粗略的介绍，是时候让我们看看objc_msgSend 的真面目了，当然，对于这个家伙是和性能息息相关的东西，没有任何缘由的是用汇编来写的。这里面贴出x86的，原谅我已经把arm汇编忘记了（主要原因是arm汇编是老师教得，x86是自学的，没有听学校老师的 ：P）。
/********************************************************************
*
* id objc_msgSend(id self, SEL _cmd,...);
*
********************************************************************/
ENTRY _objc_msgSend
CALL_MCOUNTER LP0
movl self(%esp), %eax
// check whether receiver is nil
testl %eax, %eax
je LMsgSendNilSelf
// receiver is non-nil: search the cache
CacheLookup WORD_RETURN, MSG_SEND, LMsgSendCacheMiss
movl $kFwdMsgSend, %edx // flag word-return for _objc_msgForward
jmp *%eax // goto *imp
// cache miss: go search the method lists
LMsgSendCacheMiss:
MethodTableLookup WORD_RETURN, MSG_SEND
movl $kFwdMsgSend, %edx // flag word-return for _objc_msgForward
jmp *%eax // goto *imp
// message sent to nil object: call optional handler and return nil
LMsgSendNilSelf:
EXTERN_TO_REG(__objc_msgNil,%eax)
movl 0(%eax), %eax // load nil message handler
testl %eax, %eax
je LMsgSendDone // if NULL just return and don't do anything
call *%eax // call __objc_msgNil
xorl %eax, %eax // Rezero $eax just in case
LMsgSendDone:
ret
LMsgSendExit:
END_ENTRY _objc_msgSend
注释非常的详细+代码本身自解释，不做赘述，汇编的可读性都比我写的强，牛到不需要解释的代码。
MethodTableLookup 跳到__class_lookupMethodAndLoadCache
/***********************************************************************
* lookUpMethod.
* The standard method lookup.
* initialize==NO tries to avoid +initialize (but sometimes fails)
* cache==NO skips optimistic unlocked lookup (but uses cache elsewhere)
* Most callers should use initialize==YES and cache==YES.
* May return _objc_msgForward_internal. IMPs destined for external use
* must be converted to _objc_msgForward or _objc_msgForward_stret.
**********************************************************************/
__private_extern__ IMP lookUpMethod(Class cls, SEL sel,
BOOL initialize, BOOL cache)
{
Class curClass;
IMP methodPC = NULL;
Method meth;
BOOL triedResolver = NO;
// Optimistic cache lookup
if (cache) {
methodPC = _cache_getImp(cls, sel);
if (methodPC) return methodPC;
}
// realize, +initialize, and any special early exit
methodPC = prepareForMethodLookup(cls, sel, initialize);
if (methodPC) return methodPC;
// The lock is held to make method-lookup + cache-fill atomic
// with respect to method addition. Otherwise, a category could
// be added but ignored indefinitely because the cache was re-filled
// with the old value after the cache flush on behalf of the category.
retry:
lockForMethodLookup();
// Try this class's cache.
//// self note 这里再次查找cache 是因为有可能cache真的又有了，因为锁的原因
methodPC = _cache_getImp(cls, sel);
if (methodPC) goto done;
// Try this class's method lists.
//self note 这个就是简单的在method 一个线性查找，因为我们仅仅是一个地址比较
meth = _class_getMethodNoSuper_nolock(cls, sel);
if (meth) {
//我们找到了函数地址，那么添加到cachelist中
log_and_fill_cache(cls, cls, meth, sel);
methodPC = method_getImplementation(meth);
goto done;
}
// Try superclass caches and method lists.
curClass = cls;
while ((curClass = _class_getSuperclass(curClass))) {
// Superclass cache.
meth = _cache_getMethod(curClass, sel, &_objc_msgForward_internal);
if (meth) {
if (meth != (Method)1) {
// Found the method in a superclass. Cache it in this class.
log_and_fill_cache(cls, curClass, meth, sel);
methodPC = method_getImplementation(meth);
goto done;
}
else {
// Found a forward:: entry in a superclass.
// Stop searching, but don't cache yet; call method
// resolver for this class first.
break;
}
}
// Superclass method list.
meth = _class_getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
if (meth) {
log_and_fill_cache(cls, curClass, meth, sel);
methodPC = method_getImplementation(meth);
goto done;
}
}
// No implementation found. Try method resolver once.
if (!triedResolver) {
unlockForMethodLookup();
_class_resolveMethod(cls, sel);
// Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have
// changed already. Re-do the search from scratch instead.
triedResolver = YES;
goto retry;
}
// No implementation found, and method resolver didn't help.
// Use forwarding.
_cache_addForwardEntry(cls, sel);
methodPC = &_objc_msgForward_internal;
done:
unlockForMethodLookup();
// paranoia: look for ignored selectors with non-ignored implementations
assert(!(sel == (SEL)kIgnore && methodPC != (IMP)&_objc_ignored_method));
return methodPC;
}
牛到不需要解释的代码。而且这里面，我们发现了另一个被我拉下的东西，消息的转发。这个东西还是下一篇处理。不想再写长篇大论了。
