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iOS分类底层实现原理小记

http://www.jianshu.com/p/b7169a5a558e

OS 分类底层是怎么实现的？
本文将分如下四个模块进行探究

分类的结构体
编译时的分类
分类的加载
总结

本文使用的runtime源码版本是 objc4 - 680
文中类与分类代码如下

//类
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic ,copy) NSString *presonName;
@end

@implementation Person
- (void)doSomeThing{
    NSLog(@"Person");
}
@end

// 分类
@interface Person(categoryPerson)
@property (nonatomic ,copy) NSString *categoryPersonName;
@end

@implementation Person(categoryPerson)
- (void)doSomeThing{
    NSLog(@"categoryPerson");
}
@end

1.分类的结构体

struct _category_t {
    const char *name;//类名
    struct _class_t *cls;//类
    const struct _method_list_t *instance_methods;//category中所有给类添加的实例方法的列表（instanceMethods）
    const struct _method_list_t *class_methods;//category中所有添加的类方法的列表（classMethods）
    const struct _protocol_list_t *protocols;//category实现的所有协议的列表（protocols）
    const struct _prop_list_t *properties;//category中添加的所有属性（instanceProperties）
};

struct category_t {
    const char *name; // 类名
    classref_t cls;   // 分类所属的类
    struct method_list_t *instanceMethods;  // 实例方法列表
    struct method_list_t *classMethods;     // 类方法列表
    struct protocol_list_t *protocols;      // 遵循的协议列表
    struct property_list_t *instanceProperties; // 属性列表

    // 如果是元类，就返回类方法列表；否则返回实例方法列表
    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) {
            return classMethods;
        } else {
            return instanceMethods;
        }
    }

    // 如果是元类，就返回 nil，因为元类没有属性；否则返回实例属性列表，但是...实例属性
    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) {
            return nil; // classProperties;
        } else {
            return instanceProperties;
        }
    }
};

2.编译时的分类

2.1分类的属性

// Person(categoryPerson) 属性列表
static struct /*_prop_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
    unsigned int count_of_properties;
    struct _prop_t prop_list[1];
} _OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_categoryPerson __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_prop_t),
    1,
    {{"categoryPersonName","T@"NSString",C,N"}}
};

// Person 属性列表
static struct /*_prop_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
    unsigned int count_of_properties;
    struct _prop_t prop_list[1];
} _OBJC_$_PROP_LIST_Person __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_prop_t),
    1,
    {{"presonName","T@"NSString",C,N,V_presonName"}}
};

对比上述代码可以发现：在分类中可以声明属性，并且同样会生成一个 _prop_list_t 的结构体

2.2分类的实例变量？

// Person 实例变量列表

static struct /*_ivar_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
    unsigned int count;
    struct _ivar_t ivar_list[1];
} _OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_Person __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_ivar_t),
    1,
    {{(unsigned long int *)&OBJC_IVAR_$_Person$_presonName, "_presonName", "@"NSString"", 3, 8}}
};

因为 _category_t 这个结构体中并没有 _ivar_list_t
所以在编译时系统没有Person(categoryPerson) 没有生成类似的相应结构体，也没有生成 _categoryPersonName。

2.3分类的实例方法

// Person 实例方法结构体
static struct /*_method_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
    unsigned int method_count;
    struct _objc_method method_list[3];
} _OBJC_$_INSTANCE_METHODS_Person __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_objc_method),
    3,
    {{(struct objc_selector *)"doSomeThing", "v16@0:8", (void *)_I_Person_doSomeThing},
    {(struct objc_selector *)"presonName", "@16@0:8", (void *)_I_Person_presonName},
    {(struct objc_selector *)"setPresonName:", "v24@0:8@16", (void *)_I_Person_setPresonName_}}
};

// Person(categoryPerson )实例方法结构体
static struct /*_method_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
    unsigned int method_count;
    struct _objc_method method_list[1];
} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_categoryPerson __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_objc_method),
    1,
    {{(struct objc_selector *)"doSomeThing", "v16@0:8", (void *)_I_Person_categoryPerson_doSomeThing}}
};

对比上述方法可以看到：虽然分类可以声明属性，但是编译时，系统并没有生成分类属性的 get／set 方法，所以，这就是为什么分类要利用
runtime 动态添加属性，如何动态添加属性，有兴趣的同学可以查看下面文章 iOS分类中通过runtime添加动态属性

2.4分类的结构体

// Person(categoryPerson ) 结构体
static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_Person_$_categoryPerson __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = 
{
    "Person",
    0, // &OBJC_CLASS_$_Person,
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_categoryPerson,
    0,
    0,
    (const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_categoryPerson,
};

这是系统在编译时实例化 _category_t 生成的
_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_categoryPerson

2.5分类数组

static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
    &_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_categoryPerson,
};

编译器最后生成了一个数组，数组的元素就是我们创建的各个分类，用来在运行时加载分类。

3.分类的加载

3.1加载分类调用栈

_objc_init
└──map_2_images
    └──map_images_nolock
        └──_read_images

分类加载的调用栈如上述

_objc_init 算是整个 objc4 的入口，进行了一些初始化操作，注册了镜像状态改变时的回调函数
map_2_images 主要是加锁并调用 map_images_nolock
map_images_nolock 在这个函数中，完成所有 class 的注册、fixup等工作，还有初始化自动释放池、初始化 side table 等工作并在函数后端调用了 _read_images
_read_images 方法干了很多苦力活，比如加载类、Protocol、Category，加载分类的代码就写在 _read_images 函数的尾部

该调用栈入口函数 void _objc_init(void) 在 objc-os.mm 中，有兴趣的同学可以去看看这些函数里都做了什么

3.2 `_read_images` 中加载分类的源码

加载分类的源码主要做了两件事

把category的实例方法、协议以及属性添加到类上
把category的类方法和协议添加到类的metaclass上

略去与本文无关的代码，得到如下代码

// 获取 镜像中的所有分类
category_t **catlist = _getObjc2CategoryList(hi, &count);
// 遍历 catlist
for (i = 0; i < count; i++) {
    category_t *cat = catlist[i];
    Class cls = remapClass(cat->cls);
    if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols
        ||  cat->instanceProperties) 
    {
        addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
        if (cls->isRealized()) {
            remethodizeClass(cls);
            classExists = YES; 
        }
    }
    if (cat->classMethods  ||  cat->protocols
        /* ||  cat->classProperties */)
    {
        addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
        if (cls->ISA()->isRealized()) {
            remethodizeClass(cls->ISA());
        }
    }
}

做上述事情主要用到是如下两个函数

addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi) 为类添加未依附的分类
执行过程伪代码：
1.取得存储所有 unattached 分类的列表
```
NXMapTable *cats = unattachedCategories();
```
2.从 cats 列表中找倒 cls 对应的 unattached 分类的列表
```
category_list *list = (category_list *)NXMapGet(cats, cls);
```
3.将新来的分类 cat 添加刚刚开辟的位置上
```
list->list[list->count++] = (locstamped_category_t){cat, catHeader};
```
4.将新的 list 重新插入 cats 中，会覆盖老的 list
```
NXMapInsert(cats, cls, list);
```
执行完上述过程后，系统将这个分类放到了一个 cls 对应的 unattached 分类的 list 中（有点绕口....）,这个 list 会在 remethodizeClass(cls) 方法用到
remethodizeClass(cls)
执行过程伪代码：
1.取得 cls 类的 unattached 的分类列表
```
category_list *cats = unattachedCategoriesForClass(cls, false/*not realizing*/)
```
2.将 unattached 的分类列表 attach 到 cls 类上
```
attachCategories(cls, cats, true /* 清空方法缓存 flush caches*/);
```
执行完上述过程后，系统就把category的实例方法、协议以及属性添加到类上

最后再来看一下
attachCategories(cls, cats, true /* 清空方法缓存 flush caches*/)内部的实现过程
1.在堆上创建方法、属性、协议数组，用来存储分类的方法、属性、协议

method_list_t **mlists = (method_list_t **)malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
property_list_t **proplists = (property_list_t **)malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)malloc(cats->count * sizeof(*protolists));

2.遍历 cats ，取出各个分类的方法、属性、协议，并填充到上述代码创建的数组中

int mcount = 0; // 记录方法的数量
int propcount = 0; // 记录属性的数量
int protocount = 0; // 记录协议的数量
int i = cats->count; // 从后开始，保证先取最新的分类
bool fromBundle = NO; // 记录是否是从 bundle 中取的
while (i--) { // 从后往前遍历
  auto& entry = cats->list[i]; // 分类，locstamped_category_t 类型
  // 取出分类中的方法列表；如果是元类，取得的是类方法列表；否则取得的是实例方法列表
  method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
  if (mlist) {
      mlists[mcount++] = mlist; // 将方法列表放入 mlists 方法列表数组中
      fromBundle |= entry.hi->isBundle(); // 分类的头部信息中存储了是否是 bundle，将其记住
  }
  // 取出分类中的属性列表，如果是元类，取得是nil
  property_list_t *proplist = entry.cat->propertiesForMeta(isMeta);
  if (proplist) {
      proplists[propcount++] = proplist; // 将属性列表放入 proplists 属性列表数组中
  }
  // 取出分类中遵循的协议列表
  protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
  if (protolist) {
      protolists[protocount++] = protolist; // 将协议列表放入 protolists 协议列表数组中
  }
}

3.取出 cls 的 class_rw_t 数据

auto rw = cls->data();

4.存储方法、属性、协议数组到 rw

// 准备 mlists 中的方法
prepareMethodLists(cls, mlists, mcount/*方法列表的数量*/, NO/*不是基本方法*/, fromBundle/*是否来自bundle*/);
// 将新属性列表添加到 rw 中的属性列表数组中
rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
// 释放 proplists
free(proplists); // 释放 proplists
// 将新协议列表添加到 rw 中的协议列表数组中
rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
// 释放 protolists
free(protolists); // 释放 protolists
// 将新协议列表添加到 rw 中的协议列表数组中
rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
// 释放 protolists
free(protolists);

4.总结

至此，本文接近尾声
希望本文的读者能够了解到

分类的结构体
分类中是否能添加属性
分类中是否有实例变量
分类是如何 attach 到类上的

行笔简陋，如有问题，敬请指正

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