iOS开发RunTime之函数调用

文章来自小笨狼的iOS博客，一直认为csdn的博客UI不太好看，看博客不太爽。所以自己搭建了一个博客。

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经过两个多月的面试，工作最终尘埃落定了。这两个多月的面试过程中，我发现非常多底层基础的东西大公司非常看重。比方：RunLoop，RunTime，Block等。

这篇文章主要是介绍RunTime中函数调用的机制，知识点有一定深度。也是面试过程中能力的体现。

1.Objective-C中的函数调用

对于C语言，函数调用是由编译器直接转化完毕的，在编译时程序就開始查找要运行的函数(C语言函数调用原理)。而在OC中，我们将函数调用称为消息发送。在编译时程序不查找要运行的函数。必须等到真正运行时，程序才查找要运行的函数。

样例：在C语言中。仅申明一个函数。不去实现。

其它地方调用此函数。编译时就会报错(C语言编译时查找要执行的函数，找不到所以报错)。

而相同的情况在OC中并不会报错，仅仅有在执行时候才会报错。(OC执行时才查找要执行的函数)

2.Objective-C函数调用的底层实现

Objective-C之所以能做到执行时才查找要执行的函数主要归功于runTime的SDK。以下我们来看看Objective-C是怎么让程序拥有执行时特性的。

在runTime的SDK下有一个objc_msgSend()的方法

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

当我们写下一行代码[obj doSth];，在编译时，编译器会将我们的代码转化为

    objc_msgSend(obj,@selector(doSth));

objc_msgSend()方法实现了函数查找和匹配，以下是它的原理：

1. 依据对象obj找到对象类中存储的函数列表methodLists。
2. 再依据SEL@selector(doSth)在methodLists中查找相应的函数指针method_imp。
3. 依据函数指针method_imp调用响应的函数。

3.objc_msgSend的实现细节

前面我们仅仅是简单的介绍了objc_msgSend()的原理，以下我们来具体看看objc_msgSend是怎么实现的。

首先对于随意一个NSObject对象以下都有一个isa的属性，指向对象相应的Class类

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

依据对象调用就可以拿到相应的Class。

以下我们来看看Class

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class isa; // 指向metaclass  

    Class superclass;  // 指向父类Class
    const char *name;  // 类名 
    uint32_t version;  // 类的版本号信息
    uint32_t info;        // 一些标识信息。标明是普通的Class还是metaclass
    uint32_t instance_size;        // 该类的实例变量大小(包含从父类继承下来的实例变量);
    struct old_ivar_list *ivars;    //类中成员变量的信息
    struct old_method_list **methodLists;    类中方法列表
    Cache cache;    查找方法的缓存。用于提升效率
    struct old_protocol_list *protocols;  // 存储该类遵守的协议  
}

由上面的代码我们能看到Class是一个结构体指针，指向objc_class结构体。在objc_class中存放着methodLists方法列表。所以依据Class我们能够直接找到methodLists
以下我们来看看怎么从methodLists中找到相应的函数指针

struct old_method_list {
    void *obsolete;        //废弃的属性
    int method_count;    //方法的个数
    /* variable length structure */
    struct old_method method_list[1];    方法的首地址
};

struct old_method {
    SEL method_name;    //方法相应的SEL
    char *method_types;        //方法的类型
    IMP method_imp;        //方法相应的函数指针
};

对于old_method_list结构体。他存储了old_method方法个数和方法首地址。我们能够把他当做一个可变长度的old_method数组。

開始我也不明确为什么是method_list[1]，数组的大小怎么会是1呢？后来才想通因为数组的大小是不定的，不同的类相应的不同的方法个数。所以定义时仅仅存储首地址，在实际使用过程中再扩展长度

对于old_method结构体。他由SEL，type。IMP三个成员组成。由此可知，我们仅仅要在method_list中找到了old_method就可以拿到函数指针IMP。

以下是查找的代码：

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. 查找函数是个内联函数，传入old_method_list和SEL。返回old_method
2. 首先对old_method_list数组判空，假设为空，返回nil
3. 遍历old_method_list数组。依据SEL匹配，找到old_method

4.函数调用的性能优化

上面部分我们已经讲完了函数调用的基本过程。

在看完上面部分之后大家可能会有疑惑：Objective-C的函数调用是如此的复杂。会不会导致执行起来很慢呢？毕竟每调用一个函数都要走这么多过程。
别急，事实上在调用的过程中苹果对其做了一些性能优化。使得其调用并不比C语言非常多。以下我们来详细看看做了哪些性能优化：

4.1 SEL的使用

大家可能早就有疑惑了，前面一直在说SEL，SEL究竟是个什么东西？

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

苹果对SEL的官方解释是：一种不透明的类型，它代表着一个方法选择器。
SEL本质事实上是一个int类型的地址。指向存储的方法名。对于每个类，都会分配一块特殊空空间。专门存储类中的方法名。SEL就是指向相应方法名的地址。因为方法名字符串是唯一的，所以SEL也是唯一的。
为什么不直接用法名而使用SEL呢？这个问题没有找到比較官方的资料。个人觉得因为方法名是字符串，SEL是int类型，使用时int类型更方便。效率更高（特别是比較相等时。字符串的比較比int的比較效率低非常多）

4.2 cache的使用

我们来细致分析一下函数的调用过程：

obj->isa->methodLists
old_method->method_imp

1. 因为isa是obj的成员变量，methodLists是isa的成员变量。所以用obj能够直接拿到methodLists
2. 因为method_imp是old_method的成员变量，所以用old_method能够直接拿到method_imp

所以函数调用过程的主要时间消耗在methodLists中查找old_method。
cache就是用来优化这个查找过程的。

我们能够把cache简单当成一个哈希表。key是SEL，Value是old_method。

由此可知，从cache中查找old_method相当简单高效。

从methodLists中查找old_method的真正过程分为例如以下两步：

1. 通过SEL在cache中查找old_method，若找到了直接返回，若未找到运行2
2. 在methodLists中查找old_method，找到之后先将old_method插入cache中以方便下次查找，再返回old_method

由此可知，在第一次调用某个函数时。会比較慢，由于cache中没有这个函数。第二次调用时就会很快了

总结

这篇文章主要是讲Objective-C中函数调用的过程，其它不太相关的东西就被忽略了，比如objc_class结构体中其它成员变量作用，本类中查找不到函数怎么去父类中查找，假设没有找到函数怎么办？这些问题我可能兴许还会有文章介绍，如今临时先写到这吧。假设有人想要了解能够在评论区提问或者加QQ群讨论。大家有什么异议的地方也能够和我说