Objective-C +load vs +initialize

Because initialize is called in a thread-safe manner and the order of initialize being called on different classes is not guaranteed, it’s important to do the minimum amount of work necessary in initialize methods. Specifically, any code that takes locks that might be required by other classes in their initialize methods is liable to lead to deadlocks. Therefore you should not rely on initialize for complex initialization, and should instead limit it to straightforward, class local initialization.

initialize is invoked only once per class. If you want to perform independent initialization for the class and for categories of the class, you should implement load methods.

在上一篇博文《Objective-C 对象模型》中，我们知道了 Objective-C 中绝大部分的类都继承自 NSObject 类。而在 NSObject 类中有两个非常特殊的类方法 +load 和 +initialize ，用于类的初始化。这两个看似非常简单的类方法在许多方面会让人感到困惑，比如：

子类、父类、分类中的相应方法什么时候会被调用？
需不需要在子类的实现中显式地调用父类的实现？
每个方法到底会被调用多少次？

下面，我们将结合 runtime（我下载的是当前的最新版本 objc4-646.tar.gz) 的源码，一起来揭开它们的神秘面纱。

+load

+load 方法是当类或分类被添加到 Objective-C runtime 时被调用的，实现这个方法可以让我们在类加载的时候执行一些类相关的行为。子类的 +load 方法会在它的所有父类的 +load 方法之后执行，而分类的 +load 方法会在它的主类的 +load 方法之后执行。但是不同的类之间的 +load 方法的调用顺序是不确定的。

打开 runtime 工程，我们接下来看看与 +load 方法相关的几个关键函数。首先是文件 objc-runtime-new.mm 中的 void prepare_load_methods(header_info *hi) 函数：

void prepare_load_methods(header_info *hi)
{
    size_t count, i;

    rwlock_assert_writing(&runtimeLock);

    classref_t *classlist =
        _getObjc2NonlazyClassList(hi, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        schedule_class_load(remapClass(classlist[i]));
    }

    category_t **categorylist = _getObjc2NonlazyCategoryList(hi, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        category_t *cat = categorylist[i];
        Class cls = remapClass(cat->cls);
        if (!cls) continue;  // category for ignored weak-linked class
        realizeClass(cls);
        assert(cls->ISA()->isRealized());
        add_category_to_loadable_list(cat);
    }
}

顾名思义，这个函数的作用就是提前准备好满足 +load 方法调用条件的类和分类，以供接下来的调用。其中，在处理类时，调用了同文件中的另外一个函数 static void schedule_class_load(Class cls) 来执行具体的操作。

static void schedule_class_load(Class cls)
{
    if (!cls) return;
    assert(cls->isRealized());  // _read_images should realize

    if (cls->data()->flags & RW_LOADED) return;

    // Ensure superclass-first ordering
    schedule_class_load(cls->superclass);

    add_class_to_loadable_list(cls);
    cls->setInfo(RW_LOADED);
}

其中，函数第 9 行代码对入参的父类进行了递归调用，以确保父类优先的顺序。void prepare_load_methods(header_info *hi) 函数执行完后，当前所有满足 +load 方法调用条件的类和分类就被分别存放在全局变量 loadable_classes 和 loadable_categories 中了。

准备好类和分类后，接下来就是对它们的 +load 方法进行调用了。打开文件 objc-loadmethod.m ，找到其中的 void call_load_methods(void) 函数。

void call_load_methods(void)
{
    static BOOL loading = NO;
    BOOL more_categories;

    recursive_mutex_assert_locked(&loadMethodLock);

    // Re-entrant calls do nothing; the outermost call will finish the job.
    if (loading) return;
    loading = YES;

    void *pool = objc_autoreleasePoolPush();

    do {
        // 1. Repeatedly call class +loads until there aren't any more
        while (loadable_classes_used > 0) {
            call_class_loads();
        }

        // 2. Call category +loads ONCE
        more_categories = call_category_loads();

        // 3. Run more +loads if there are classes OR more untried categories
    } while (loadable_classes_used > 0  ||  more_categories);

    objc_autoreleasePoolPop(pool);

    loading = NO;
}

同样的，这个函数的作用就是调用上一步准备好的类和分类中的 +load 方法，并且确保类优先于分类的顺序。我们继续查看在这个函数中调用的另外两个关键函数 static void call_class_loads(void) 和 static BOOL call_category_loads(void) 。由于这两个函数的作用大同小异，下面就以篇幅较小的 static void call_class_loads(void) 函数为例进行探讨。

static void call_class_loads(void)
{
    int i;

    // Detach current loadable list.
    struct loadable_class *classes = loadable_classes;
    int used = loadable_classes_used;
    loadable_classes = nil;
    loadable_classes_allocated = 0;
    loadable_classes_used = 0;

    // Call all +loads for the detached list.
    for (i = 0; i < used; i++) {
        Class cls = classes[i].cls;
        load_method_t load_method = (load_method_t)classes[i].method;
        if (!cls) continue;

        if (PrintLoading) {
            _objc_inform("LOAD: +[%s load]
", cls->nameForLogging());
        }
        (*load_method)(cls, SEL_load);
    }

    // Destroy the detached list.
    if (classes) _free_internal(classes);
}

这个函数的作用就是真正负责调用类的 +load 方法了。它从全局变量 loadable_classes 中取出所有可供调用的类，并进行清零操作。

loadable_classes = nil;
loadable_classes_allocated = 0;
loadable_classes_used = 0;

其中 loadable_classes 指向用于保存类信息的内存的首地址，loadable_classes_allocated 标识已分配的内存空间大小，loadable_classes_used 则标识已使用的内存空间大小。

然后，循环调用所有类的 +load 方法。注意，这里是（调用分类的 +load 方法也是如此）直接使用函数内存地址的方式 (*load_method)(cls, SEL_load); 对 +load 方法进行调用的，而不是使用发送消息 objc_msgSend 的方式。

这样的调用方式就使得 +load 方法拥有了一个非常有趣的特性，那就是子类、父类和分类中的 +load 方法的实现是被区别对待的。也就是说如果子类没有实现 +load 方法，那么当它被加载时 runtime 是不会去调用父类的 +load 方法的。同理，当一个类和它的分类都实现了 +load 方法时，两个方法都会被调用。因此，我们常常可以利用这个特性做一些“邪恶”的事情，比如说方法混淆（Method Swizzling）。

+initialize

+initialize 方法是在类或它的子类收到第一条消息之前被调用的，这里所指的消息包括实例方法和类方法的调用。也就是说 +initialize 方法是以懒加载的方式被调用的，如果程序一直没有给某个类或它的子类发送消息，那么这个类的 +initialize 方法是永远不会被调用的。那这样设计有什么好处呢？好处是显而易见的，那就是节省系统资源，避免浪费。

同样的，我们还是结合 runtime 的源码来加深对 +initialize 方法的理解。打开文件 objc-runtime-new.mm ，找到以下函数：

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst,
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    ...
        rwlock_unlock_write(&runtimeLock);
    }

    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 
        // then the messenger will send +initialize again after this 
        // procedure finishes. Of course, if this is not being called 
        // from the messenger then it won't happen. 2778172
    }

    // The lock is held to make method-lookup + cache-fill atomic 
    // with respect to method addition. Otherwise, a category could 
    ...
}

当我们给某个类发送消息时，runtime 会调用这个函数在类中查找相应方法的实现或进行消息转发。从第 8-14 的关键代码我们可以看出，当类没有初始化时 runtime 会调用 void _class_initialize(Class cls) 函数对该类进行初始化。

void _class_initialize(Class cls)
{
    ...
    Class supercls;
    BOOL reallyInitialize = NO;

    // Make sure super is done initializing BEFORE beginning to initialize cls.
    // See note about deadlock above.
    supercls = cls->superclass;
    if (supercls  &&  !supercls->isInitialized()) {
        _class_initialize(supercls);
    }

    // Try to atomically set CLS_INITIALIZING.
    monitor_enter(&classInitLock);
    if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) {
        cls->setInitializing();
        reallyInitialize = YES;
    }
    monitor_exit(&classInitLock);

    if (reallyInitialize) {
        // We successfully set the CLS_INITIALIZING bit. Initialize the class.

        // Record that we're initializing this class so we can message it.
        _setThisThreadIsInitializingClass(cls);

        // Send the +initialize message.
        // Note that +initialize is sent to the superclass (again) if 
        // this class doesn't implement +initialize. 2157218
        if (PrintInitializing) {
            _objc_inform("INITIALIZE: calling +[%s initialize]",
                         cls->nameForLogging());
        }

        ((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);

        if (PrintInitializing) {
            _objc_inform("INITIALIZE: finished +[%s initialize]",
    ...
}

其中，第 7-12 行代码对入参的父类进行了递归调用，以确保父类优先于子类初始化。另外，最关键的是第 36 行代码（暴露了 +initialize 方法的本质），runtime 使用了发送消息 objc_msgSend 的方式对 +initialize 方法进行调用。也就是说 +initialize 方法的调用与普通方法的调用是一样的，走的都是发送消息的流程。换言之，如果子类没有实现 +initialize 方法，那么继承自父类的实现会被调用；如果一个类的分类实现了 +initialize 方法，那么就会对这个类中的实现造成覆盖。

因此，如果一个子类没有实现 +initialize 方法，那么父类的实现是会被执行多次的。有时候，这可能是你想要的；但如果我们想确保自己的 +initialize 方法只执行一次，避免多次执行可能带来的副作用时，我们可以使用下面的代码来实现：

+ (void)initialize {
  if (self == [ClassName self]) {
    // ... do the initialization ...
  }
}

总结

通过阅读 runtime 的源码，我们知道了 +load 和 +initialize 方法实现的细节，明白了它们的调用机制和各自的特点。下面我们绘制一张表格，以更加直观的方式来巩固我们对它们的理解：

	+load	+initialize
调用时机	被添加到 runtime 时	收到第一条消息前，可能永远不调用
调用顺序	父类->子类->分类	父类->子类
调用次数	1次	多次
是否需要显式调用父类实现	否	否
是否沿用父类的实现	否	是
分类中的实现	类和分类都执行	覆盖类中的方法，只执行分类的实现

Objective-C +load vs +initialize

+load

+initialize

总结

参考链接