探索底層原理，積累從點(diǎn)滴做起。大家好，我是Mars。
往期回顧
iOS底層原理探索—OC對(duì)象的本質(zhì)
iOS底層原理探索—class的本質(zhì)
iOS底層原理探索—KVO的本質(zhì)
iOS底層原理探索— KVC的本質(zhì)
今天帶領(lǐng)大家探索iOS之Category的本質(zhì)。
Category
首先我們聲明一個(gè)Person類
//Person.h
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
{
int _age;
}
- (void)run;
@end
//Person.m
#import "Person.h"
@implementation Person
- (void)run
{
NSLog(@"Person:run");
}
@end
我們之前在iOS底層原理探索—OC對(duì)象的本質(zhì)中講到：實(shí)例對(duì)象的isa指針指向類對(duì)象，類對(duì)象的isa指針指向元類對(duì)象。我們創(chuàng)建一個(gè)Person對(duì)象p，當(dāng)p調(diào)用run方法時(shí)，通過(guò)實(shí)例對(duì)象的isa指針找到類對(duì)象，然后在類對(duì)象中查找對(duì)象方法，如果沒有找到，就通過(guò)類對(duì)象的superclass指針找到父類對(duì)象，接著去尋找run方法。
那么當(dāng)我們調(diào)用分類的方法時(shí)，是否跟上面的調(diào)用順序一樣呢？下面我們創(chuàng)建分類來(lái)驗(yàn)證一下：
創(chuàng)建Person的分類：
在New File的iOS文件下選擇Objective-C File
File Type選擇Category，Class父類選擇Person
//Person+test.h
#import "Person.h"
@interface Person (Test)
- (void)test;
+ (void)abc;
@property (assign, nonatomic) int age;
- (void)setAge:(int)age;
- (int)age;
@end
//Person+test.m
#import "Person+Test.h"
@implementation Person (Test)
- (void)test
{
}
+ (void)abc
{
}
- (void)setAge:(int)age
{
}
- (int)age
{
return 18;
}
- (void)run
{
NSLog(@"Person+test:run");
}
@end
以上我們就完成創(chuàng)建了Person的Test分類。
在此先告訴大家結(jié)論：分類中的對(duì)象方法是存儲(chǔ)在類對(duì)象中的，和類對(duì)象方法在同一個(gè)地方，調(diào)用步驟也和調(diào)用對(duì)象方法一樣。如果是類方法的話，同樣也是存儲(chǔ)在元類對(duì)象中。
這一點(diǎn)大致可以從分類的底層結(jié)構(gòu)中看出來(lái)：
分類的底層結(jié)構(gòu)
struct category_t {
const char *name;
classref_t cls;
//對(duì)象方法
struct method_list_t *instanceMethods;
// 類方法
struct method_list_t *classMethods;
// 協(xié)議
struct protocol_list_t *protocols;
// 屬性
struct property_list_t *instanceProperties;
// Fields below this point are not always present on disk.
struct property_list_t *_classProperties;
method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
if (isMeta) return classMethods;
else return instanceMethods;
}
property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};
從分類的源碼中可以看出Categroy在底層是以categroy _t的結(jié)構(gòu)存在，里面包括對(duì)象方法，類方法，協(xié)議，和屬性。注意分類結(jié)構(gòu)體中是不存在成員變量的，因此分類中是不允許添加成員變量。分類中添加的屬性并不會(huì)幫助我們自動(dòng)生成成員變量，只會(huì)生成set、get方法的聲明，需要我們自己去實(shí)現(xiàn)。
至此我們可以得出結(jié)論：
分類的實(shí)現(xiàn)原理是將分類中的方法，屬性，協(xié)議信息放在
category_t結(jié)構(gòu)體中，然后將結(jié)構(gòu)體內(nèi)的方法列表拷貝到類對(duì)象的方法列表中。分類中可以添加屬性，但是并不會(huì)自動(dòng)生成
成員變量及set、get方法。因?yàn)榈讓拥?code>category_t結(jié)構(gòu)體中并不存在成員變量。通過(guò)之前對(duì)對(duì)象的分析我們知道成員變量是存放在實(shí)例對(duì)象中的，并且編譯的那一刻就已經(jīng)決定好了。而分類是在運(yùn)行時(shí)才去加載的，那么我們就無(wú)法在程序運(yùn)行時(shí)將分類的成員變量中添加到實(shí)例對(duì)象的結(jié)構(gòu)體中。因此分類中不可以添加成員變量
由于上述結(jié)論的驗(yàn)證是依據(jù)底層源碼，過(guò)程比較枯燥，也不能保證大家閱讀一次就能弄清楚整個(gè)流程，所以將結(jié)論提前告知。不愿意閱讀源碼的讀者也可以忽略以下內(nèi)容，掌握上面的結(jié)論即可。
首先把Person+Test.m文件通過(guò)命令行轉(zhuǎn)化為c++文件，查看底層編譯過(guò)程。
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Person+Test.m
然后將生成的.cpp文件拖拽至Xcode中查看。在.cpp文件中搜索category_t，通過(guò)搜索結(jié)果我們可以看到，_category_t結(jié)構(gòu)體中，存放著類名，對(duì)象方法列表，類方法列表，協(xié)議列表，以及屬性列表：
在.cpp文件中繼續(xù)往下看，我們可以看到_method_list_t *instance_methods結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容：
通過(guò)結(jié)構(gòu)體名稱_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_Test可以看出是INSTANCE_METHODS--對(duì)象方法。我們可以看到結(jié)構(gòu)體中存儲(chǔ)了方法占用的內(nèi)存，方法數(shù)量以及方法列表。并且從上圖中可以看到在分類中我們實(shí)現(xiàn)的test,setAge, age和run四個(gè)方法。
同樣，我們繼續(xù)往下閱讀，查看看到_method_list_t *class_methods結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容：
同樣通過(guò)結(jié)構(gòu)體名稱 _OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_Person_$_Test可以看出是CLASS_METHODS--類方法。同樣可以看到我們實(shí)現(xiàn)的abc類方法。
繼續(xù)往下查看時(shí)，我們可以看到屬性列表結(jié)構(gòu)體_prop_list_t：
屬性列表結(jié)構(gòu)體_OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_Test即_prop_list_t結(jié)構(gòu)體，里面存儲(chǔ)了屬性的占用空間，屬性數(shù)量以及屬性列表，從上圖中可以看到我們聲明的age屬性。
同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，.cpp文件中沒有protocol_list_t *protocols協(xié)議信息列表結(jié)構(gòu)體的相關(guān)信息。這是由于我們創(chuàng)建分類是并沒有遵守任何協(xié)議，自認(rèn)分類里面也就沒有任何協(xié)議相關(guān)的信息。我們返回分類Person+Test，使其遵守NSCopying協(xié)議，再通過(guò)命令行將分類的.m文件編譯成.cpp文件后查看：
通過(guò)上圖可以看到分類底層先將協(xié)議方法通過(guò)_method_list_t結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)，之后通過(guò)_protocol_t結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)在_OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_Person_$_Test中，分別為protocol_count--協(xié)議數(shù)量以及存儲(chǔ)協(xié)議方法的_protocol_t結(jié)構(gòu)體。
在.cpp文件末尾處，我們看到系統(tǒng)定義了_category_t類型的_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Test結(jié)構(gòu)體：
將_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Test結(jié)構(gòu)體跟上文提到的catrgory_t結(jié)構(gòu)體對(duì)照：
不難看出，上下兩圖中兩個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)容一一對(duì)應(yīng)，并且我們?cè)诩t框標(biāo)注的方法中看到，定義的_class_t類型的OBJC_CLASS_$_Person結(jié)構(gòu)體，最后將_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Test的cls指針指向OBJC_CLASS_$_Person結(jié)構(gòu)體地址。我們可以得出結(jié)論，cls指針指向的應(yīng)該是分類的主類類對(duì)象的地址。
通過(guò)以上分析我們發(fā)現(xiàn)，分類確實(shí)是將我們定義的對(duì)象方法，類方法，屬性等都存放在catagory_t結(jié)構(gòu)體中。那么catagory_t結(jié)構(gòu)體又如何讓將這些信息存儲(chǔ)到類對(duì)象中呢？我們通過(guò)分析runtime的源碼來(lái)進(jìn)一步了解。
runtime源碼
我們通過(guò)opensource網(wǎng)站下載最新的源碼來(lái)進(jìn)一步分析。
首先來(lái)到runtime初始化函數(shù)
接著我們來(lái)到&map_images讀取模塊，來(lái)到map_images_nolock函數(shù)中找到_read_images函數(shù)，在_read_images函數(shù)中我們找到分類相關(guān)代碼:
從上述代碼中for循環(huán)中的判斷我們可以知道這段代碼是用來(lái)檢查有沒有分類的。通過(guò)_getObjc2CategoryList函數(shù)獲取到分類列表之后，進(jìn)行遍歷，獲取其中的方法，協(xié)議，屬性等。可以看到最終都調(diào)用了remethodizeClass(cls)函數(shù)。我們來(lái)到remethodizeClass(cls)函數(shù)內(nèi)部查看：
通過(guò)上述代碼我們發(fā)現(xiàn)attachCategories函數(shù)接收了類對(duì)象cls和分類數(shù)組cats，當(dāng)然一個(gè)類可以有多個(gè)分類，分類信息存儲(chǔ)在category_t結(jié)構(gòu)體中，那么多個(gè)分類則保存在category_list中。
我們來(lái)到attachCategories函數(shù)內(nèi)部：
上述源碼中可以看出，首先根據(jù)方法列表，屬性列表，協(xié)議列表通過(guò)malloc分配內(nèi)存，根據(jù)多少個(gè)分類以及每一塊方法需要多少內(nèi)存來(lái)分配相應(yīng)的內(nèi)存地址。之后從分類數(shù)組里面往三個(gè)數(shù)組里面存放分類數(shù)組里面存放的分類方法，屬性以及協(xié)議放入對(duì)應(yīng)mlist、proplists、protolosts數(shù)組中，這三個(gè)數(shù)組放著所有分類的方法，屬性和協(xié)議。
之后通過(guò)類對(duì)象的data()方法，拿到類對(duì)象的class_rw_t結(jié)構(gòu)體rw，在class結(jié)構(gòu)中我們介紹過(guò)，class_rw_t中存放著類對(duì)象的方法，屬性和協(xié)議等數(shù)據(jù)，rw結(jié)構(gòu)體通過(guò)類對(duì)象的data方法獲取，所以rw里面存放這類對(duì)象里面的數(shù)據(jù)。
之后分別通過(guò)rw調(diào)用方法列表、屬性列表、協(xié)議列表的attachList函數(shù)，將所有的分類的方法、屬性、協(xié)議列表數(shù)組傳進(jìn)去，我們大致可以猜想到在attachList方法內(nèi)部將分類和本類相應(yīng)的對(duì)象方法，屬性和協(xié)議進(jìn)行了合并。
我們來(lái)看一下attachLists函數(shù)內(nèi)部查看：
上述源代碼中有兩個(gè)重要的數(shù)組
array()->lists： 類對(duì)象原來(lái)的方法列表，屬性列表，協(xié)議列表。
addedLists：傳入所有分類的方法列表，屬性列表，協(xié)議列表。
attachLists函數(shù)中最重要的兩個(gè)方法為memmove內(nèi)存移動(dòng)和memcpy內(nèi)存拷貝。我們先來(lái)分別看一下這兩個(gè)函數(shù)
// memmove ：內(nèi)存移動(dòng)。
/* __dst : 移動(dòng)內(nèi)存的目的地
* __src : 被移動(dòng)的內(nèi)存首地址
* __len : 被移動(dòng)的內(nèi)存長(zhǎng)度
* 將__src的內(nèi)存移動(dòng)__len塊內(nèi)存到__dst中
*/
void *memmove(void *__dst, const void *__src, size_t __len);
// memcpy ：內(nèi)存拷貝。
/* __dst : 拷貝內(nèi)存的拷貝目的地
* __src : 被拷貝的內(nèi)存首地址
* __n : 被移動(dòng)的內(nèi)存長(zhǎng)度
* 將__src的內(nèi)存移動(dòng)__n塊內(nèi)存到__dst中
*/
void *memcpy(void *__dst, const void *__src, size_t __n);
下面我們圖示經(jīng)過(guò)memmove和memcpy方法過(guò)后的內(nèi)存變化:
首先未經(jīng)過(guò)內(nèi)存移動(dòng)和拷貝時(shí)：
經(jīng)過(guò)memmove方法之后，內(nèi)存變化為:
// array()->lists 原來(lái)方法、屬性、協(xié)議列表數(shù)組
// addedCount 分類數(shù)組長(zhǎng)度
// oldCount * sizeof(array()->lists[0]) 原來(lái)數(shù)組占據(jù)的空間
memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists,
oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
如圖所示：
經(jīng)過(guò)memmove方法之后，我們發(fā)現(xiàn)，雖然本類的方法，屬性，協(xié)議列表會(huì)分別后移，但是本類的對(duì)應(yīng)數(shù)組的指針依然指向原始位置。
memcpy方法之后，內(nèi)存變化為：
// array()->lists 原來(lái)方法、屬性、協(xié)議列表數(shù)組
// addedLists 分類方法、屬性、協(xié)議列表數(shù)組
// addedCount * sizeof(array()->lists[0]) 原來(lái)數(shù)組占據(jù)的空間
memcpy(array()->lists, addedLists,
addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
我們發(fā)現(xiàn)原來(lái)指針并沒有改變，至始至終指向開頭的位置。并且經(jīng)過(guò)memmove和memcpy方法之后，分類的方法，屬性，協(xié)議列表被放在了類對(duì)象中原本存儲(chǔ)的方法，屬性，協(xié)議列表前面。
那么為什么要將分類方法的列表追加到本來(lái)的對(duì)象方法前面呢？
其實(shí)這樣做的目的是為了保證分類方法優(yōu)先調(diào)用，我們知道當(dāng)分類重寫本類的方法時(shí)，會(huì)覆蓋本類的方法。
但是經(jīng)過(guò)上面的分析我們知道本質(zhì)上并不是覆蓋，而是優(yōu)先調(diào)用。本類的方法依然在內(nèi)存中的，這一點(diǎn)可以通過(guò)打印所有類的所有方法名來(lái)查看，我們自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)方法，打印所有類的所有方法名：
- (void)printMethodNamesOfClass:(Class)cls
{
unsigned int count;
// 獲得方法數(shù)組
Method *methodList = class_copyMethodList(cls, &count);
// 存儲(chǔ)方法名
NSMutableString *methodNames = [NSMutableString string];
// 遍歷所有的方法
for (int i = 0; i < count; i++) {
// 獲得方法
Method method = methodList[i];
// 獲得方法名
NSString *methodName = NSStringFromSelector(method_getName(method));
// 拼接方法名
[methodNames appendString:methodName];
[methodNames appendString:@", "];
}
// 釋放
free(methodList);
// 打印方法名
NSLog(@"%@ - %@", cls, methodNames);
}
我們?cè)诳刂破髦幸?code>Person類，在控制器的viewDidLoad方法中創(chuàng)建Person對(duì)象，并且調(diào)用run方法和上面的打印所有類的所有方法名的方法：
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
Preson *p = [[Preson alloc] init];
[p run];
[self printMethodNamesOfClass:[Preson class]];
}
通過(guò)打印臺(tái)打印內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)用的是分類中的run方法，并且Person類中存儲(chǔ)著兩個(gè)run方法。
關(guān)于Category的底層原理探索我們告一段落，如有疑問(wèn)，歡迎在評(píng)論區(qū)留言。
更多技術(shù)知識(shí)請(qǐng)關(guān)注公眾號(hào)
iOS進(jìn)階
iOS進(jìn)階.jpg
