前言

在 類的底層原理（一） 和 類的底層原理（二） 中，分析了關(guān)于類的底層結(jié)構(gòu)，包含 isa、superclass、cache、bits。其中 bits 包含類的屬性，方法，代理，成員變量等，以及類方法的獲取。

下面繼續(xù)探索類的結(jié)構(gòu)，關(guān)于 cache，其底層原理是什么？存在 cache 的意義又是什么？

準(zhǔn)備工作

關(guān)于架構(gòu)：

• 真機(jī)：arm64

• 模擬器：i386

• mac：__86_64__

• __LP64__：Unix 和 Unix類的系統(tǒng)

cache_t 結(jié)構(gòu)

在分析 bits 內(nèi)存偏移量時(shí)，分析了關(guān)于 cache_t 占用內(nèi)存字節(jié)數(shù)。

根據(jù) cache_t 結(jié)構(gòu)，雖然可以看到整體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是確定不了緩存數(shù)據(jù)保存位置。是_bucketsAndMaybeMask？還是 _originalPreoptCache？還有 sel 和 imp 在哪呢？目前并不知道，但是既然涉及到緩存，必然有增刪改查操作。

在 cache_t 中查找相關(guān)的方法：

插入方法：

所以：在 cache_t 中重點(diǎn)是 bucket_t。

bucket_t

bucket 是抽象意義的桶子，里面裝了若干的 sel-imp 的映射對(duì)。

那么整個(gè)類關(guān)于cache的結(jié)構(gòu)如下：

LLDB 驗(yàn)證SEL和IMP

獲取 bucket_t

cache 的內(nèi)存偏移量是 16，即 0x10

但是直接通過 _bucketsAndMaybeMask 是拿不到數(shù)據(jù)的。同樣的 _originalPreoptCache 的 Value 也獲取不到。

再次分析源碼找方法，有個(gè) buckets() 方法

于是再次驗(yàn)證

但是還是沒有，發(fā)現(xiàn) sel 拿不到：

這一步的結(jié)果其實(shí)在第一次獲取 cache 時(shí)已經(jīng)證實(shí)了，其中 _maybeMask 和 _occupied 都是 0，代表沒有方法。稍后解釋這兩個(gè)字段的實(shí)際意義。

調(diào)用實(shí)例方法，形成緩存

從 LLDB 打印結(jié)果來看，在調(diào)用實(shí)例方法之后，cache 里面有值了。

再次打印之后，發(fā)現(xiàn)還是沒有獲取到 sel，進(jìn)行平移之后，index 為 6 時(shí)有數(shù)據(jù)了。

獲取sel和imp

繼續(xù)分析下 bucket_t 的方法并找到了 sel() 和 imp() 方法

LLDB 獲取 sel 和 imp

這樣就能獲取 sel 和 imp 的值了。

疑問：

• 為什么在 6 的位置？

• 為什么 _maybeMask 值為 7 ？

cache_t 模擬代碼分析

代碼模擬的好處：

• 方便我們進(jìn)行代碼驗(yàn)證，而不是每次都是使用 LLDB，因?yàn)?LLDB 一旦出錯(cuò)可能出現(xiàn)野指針的情況，需要重新驗(yàn)證。

• 遇到源碼無法調(diào)試的情況，可以進(jìn)行調(diào)試。

• 小規(guī)模取樣的方式，能對(duì)源碼的實(shí)現(xiàn)邏輯更清晰。

將 class 以及 cache 代碼模擬分析：

• zl_objc_class 對(duì)應(yīng)源碼 objc_class 結(jié)構(gòu)，因?yàn)?objc_class 繼承 objc_object，所以有隱藏屬性ISA。

• zl_class_data_bits_t 對(duì)應(yīng)源碼 class_data_bits_t 結(jié)構(gòu)，其中 friend 修飾類不需要，只有bits 屬性。

• zl_cache_t 對(duì)應(yīng)源碼 cache_t 結(jié)構(gòu)，其中 _bucketsAndMaybeMask 保留，聯(lián)合體互斥原則，只需要包含 _maybeMask，_flags，_occupied 的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體也可以簡(jiǎn)化成三個(gè)屬性。

因?yàn)樽罱K存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是 bucket_t ，所以還需要模擬下 bucket_t 的實(shí)現(xiàn)，由于之前論證 sel 和 imp 是通過 buckets() 獲取的，所以具體看一下 buckets() 方法實(shí)現(xiàn)：

通過方法分析：_bucketsAndMaybeMask 通過 load 獲取地址，再通過 bucketsMask 掩碼獲取 bucket_t * 數(shù)據(jù)。其實(shí)就是 _bucketsAndMaybeMask 指向 bucket_t * 數(shù)據(jù)。

zl_cache_t 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如下：

代碼驗(yàn)證

打印結(jié)果：

_occupied 為 1，_maybeMask 為 3

多個(gè)方法驗(yàn)證

添加實(shí)例方法如下：

添加2個(gè)方法：

打印結(jié)果：

_occupied 為 2，_maybeMask 為 3

添加3個(gè)方法：

打印結(jié)果：

_occupied 為 1，_maybeMask 為 7

添加7個(gè)方法：

打印結(jié)果：

_occupied 為 5，_maybeMask 為 7

結(jié)論：

_occupied 為所占用個(gè)數(shù)，_maybeMask 總?cè)萘看笮　?/p>

類方法 不在類的 cache 中，應(yīng)該是在元類的 cache 中。

_maybeMask 的值變化是因?yàn)閿U(kuò)容，當(dāng)發(fā)生擴(kuò)容時(shí)，_occupied 會(huì)重新計(jì)數(shù)。之前的緩存也都被清空。

cache底層機(jī)制

想要了解緩存機(jī)制，必然要找關(guān)于插入的方法，從源碼分析，可以找到 insert() 函數(shù)。

insert()

• 首次 newOccupied 為 1，同時(shí)執(zhí)行 isConstantEmptyCache 判斷，capacity 為 4，創(chuàng)建容器時(shí)，由于 oldCapacity 為 0，所以不需要釋放（freeOld 為 false）

• 關(guān)于擴(kuò)容條件：

  • __arm__ || __x86_64__ || __i386__ 或者 __arm64__ && !__LP64__ 時(shí)：當(dāng)容量大于等于 3/4 擴(kuò)容。

  • __arm64__ && __LP64__ 時(shí)：當(dāng)容量大于等于 7/8 擴(kuò)容。且當(dāng)容量小于等于 8 時(shí)允許占用 100% 容量。

  • 拓展：cache_fill_ratio 存在的意義其實(shí)是關(guān)于哈希函數(shù)中的 負(fù)載因子 ，在 3/4 和 7/8 空間利用率最高。

• 擴(kuò)容數(shù)量：如果容量不為 0，則為 當(dāng)前容量 * 2，如果為 0，則為 4。最大值MAX_CACHE_SIZE = 65536。在擴(kuò)容時(shí)直接 釋放 了舊的緩存。

• mask = capacity - 1，這就是為什么第一次是3(4-1)，第二次擴(kuò)容之后是7(4*2-1)的原因。占了一位存儲(chǔ)的是 end_bucket_t，格式為(sel-imp)0x1-buckets 指針地址）

• cache_hash 計(jì)算插入起點(diǎn) hash 地址，之后插入時(shí)會(huì)通過 cache_next 避免 hash 碰撞沖突。循環(huán)判斷通過 set 函數(shù)插入 bucket 數(shù)據(jù)。

reallocate

• allocateBuckets 通過 newCapacity 獲取新的 bucket

• setBucketsAndMask 存儲(chǔ)新的 bucket 和 mask

• 釋放舊的緩存

allocateBuckets

• calloc 開辟內(nèi)存。

• 創(chuàng)建最后一個(gè)元素 endBucket 存儲(chǔ)為 SEL-IMP(0x1-bucket address)

setBucketsAndMask

• CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED：是指__arm__ || __x86_64__ || i386環(huán)境，只有 newBuckets 存儲(chǔ)在_bucketsAndMaybeMask 中，意味著進(jìn)行了強(qiáng)轉(zhuǎn)，_bucketsAndMaybeMask 中只有 buckets 沒有 mask。_maybeMask 沒有進(jìn)行改變，直接使用 capacity-1。

• CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16 || CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16_BIG_ADDRS：是指 OSX || SIMULATOR || 64位真機(jī) 機(jī)型，buckets 和 mask 都存儲(chǔ)在 _bucketsAndMaybeMask 中，其中 mask << maskShift，此時(shí)maskShift 為 48。

• CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4：是指低 32位 機(jī)型，buckets 和 mask 都存儲(chǔ)在 _bucketsAndMaybeMask 中，objc::mask16ShiftBits(mask) 方法的作用是：計(jì)算在 16 位以下有多少位是 0，_bucketsAndMaybeMask 也是存的這個(gè)個(gè)數(shù)值。

• _bucketsAndMaybeMask.store() 設(shè)置 bucket 和 mask 的最新值

• 重置 _occupied，這里的 _occupied 不包括自身的地址占用數(shù)。

• 關(guān)于 內(nèi)存排序規(guī)則( memory_order_relaxed / memory_order_release ) ，請(qǐng)看詳解 C++11的6種內(nèi)存序總結(jié)

cache_hash

• CONFIG_USE_PREOPT_CACHES：表示 arm64環(huán)境 真機(jī)。

• sel地址 向右平移 7，并和 sel地址 異或。

cache_next

• __arm__ || __x86_64__ || __i386__ 環(huán)境下向后插入（+），__arm64__ 環(huán)境下向前插入（-）

• (i+1) & mask：向后插入，進(jìn)行下一個(gè)按位與操作。

• i ? i-1 : mask：向前插入，直接使用，沒有按位與操作，當(dāng) i = 0 時(shí)，返回 mask，相當(dāng)于移動(dòng)到了倒數(shù)第二個(gè)（最后一個(gè)存儲(chǔ)的是自身地址）。

cache屬性詳解 - _bucketsAndMaybeMask 內(nèi)存分布

buckets() 方法如下：

mask() 方法如下：

• __arm__ || __x86_64__ || __i386__：_bucketsAndMaybeMask 存儲(chǔ)的只有 buckets，mask 需要直接從 _maybeMask 字段讀取。

• 64位 OSX || SIMULATOR：(1<<48) - 1，低48位 存儲(chǔ) buckets，mask 存儲(chǔ)在 高16位 (maskAndBuckets >> maskShift)。

• 64 位真機(jī)：(1 << 44)-1，低44位 存儲(chǔ) buckets，mask 存儲(chǔ)在 高16位 (maskAndBuckets >> maskShift)。

• 32位：~((1<<4) -1) ：高60位 存儲(chǔ) buckets，mask 存儲(chǔ)在 低4位 (0xffff >> maskShift)。

疑問： 其中在獲取 64 位真機(jī) 環(huán)境下，低44位 存儲(chǔ) buckets，高16位 存儲(chǔ) mask。其中少了4位，在宏定義 64 位真機(jī) 中多了一個(gè) maskZeroBits 的字段，如下：

原因是：這 4 位為附加位，且必須為零。為 objc_msgSend 使用。objc_msgSend 會(huì)使用這些附加位單個(gè)指令標(biāo)明是來自 _maskAndBuckets 的值。后面再詳細(xì)探究。

cache整體流程圖