Category、load、initialize 源码讲解

今天深圳天气有暴风雨，没有事情干，趁着周末和平常晚上写一篇关于Category知识的梳理！可能针对平常只会知道些category基本结论知道的人有些帮助，写这篇博客会按照下面的目录结合实例以及Category的源码进行一一讲解！！！

1. Category的实现原理？
2. Category中有load方法吗？load方法是什么时候调用的？
3. load、initialize方法的区别是什么？它们在Category中的调用的顺序？以及出现继承时调用过程发生怎样的变化？
4. Category能否添加成员变量？如果可以，如何给Category添加成员变量？

一、Category的实现原理

1. 前沿Category讲解-所有知识在这

在Xcode中使用Category，可以在里面添加方法以及遵守相应的协议。下面以实例讲解，首先创建ZXYPerson类，类中有对象方法run方法，创建两个分类ZXYPerson+Test和ZXYPerson+Eat，方法分别为test和eat方法。，结构代码如下：

运行代码执行结果如下：

上面person是实例对象，所以run实例方法是放在ZXYPerson的实例对象方法中，而对于ZXYPerson（Test）和ZXYPerson（Eat）中的test和eat方法放在哪里了呢？

拓展： isa指针方法 

•  instance的isa指向class

　　当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用

• class的isa指向meta-class

　　当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

 答：Category的方法并不是在编译的时候将方法加入到ZXYPerson的实例对象中的，而是在运行时通过Runtime运行时机制将分类的方法合并到到实例对象中的！

将ZXYPerson+Eat.m clang编译成.cpp文件，查看编译之后的代码（xcrun -sdk iphonesimulator clang -rewrite-objc ZXYPerson+Eat.m）

查看一下协议Category的结构体如下：

上面协议ZXYPerson+Test以及ZXYPerson+Eat经过编译会编译成两个_category_t结构体，在运行时会把它加入到ZXYPerson的实例对象中（也有可能是类对象中，或者元类对象）

如果换成ZXYPerson+Test协议变为.cpp文件，_category_t这个结构体不会发生改变，但是后面的传参会发生改变如下：

 2. 源码讲解

下面来验证一下为什么Category的优先级高于主类?原理是什么?

2.1 结论

上面的run方法到底会调用哪一个呢,这个编译顺序有关,最后参与编译的分类会优先调用

抽出上面的main.m代码，ZXYPerson、ZXYPerson+Eat以及ZXYPerson+Test都具有run方法（看上面收起来的代码）

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "ZXYPerson.h"
#import "ZXYPerson+Eat.h"
#import "ZXYPerson+Test.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ZXYPerson *person = [[ZXYPerson alloc]init];
        [person run];
    }
    return 0;
}

看下编译顺序和运行结果

如果将编译顺序改变下

 2.2 原因

 查看的OC的源码是objc4-723版本 查看Category的加载处理过程,过程可以为以下步骤:

1. objc-os.m 

• _objc_init
• map_images
• map_images_nolock

　　2. objc-runtime-new.mm

• _read_images(images是镜像,逆向开发博客有)
• remethodizeClass
• attachCategories
• attachLists
• realloc、memmove、memcpy

直接看Category加载逻辑,搜索attachCategories,找到对应的实现

下面针对attachCategories的实现开始讲解，大家认认真真看下代码

static void 
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
    // cls: [ZXYPerson class]
    // cats - category: 代表[ZXYPerson+Eat,ZXYPerson+Test]
    
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

    bool isMeta = cls->isMetaClass();
    
    /**方法列表 **mlists  二维数组
     *[
     * [method_t,method_t],
     * [method_t,method_t]
     * ]
     */
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    
    /**属性列表 **proplists 二维数组
     *[
     * [property_t,property_t],
     * [property_t,property_t]
     * ]
     */
    property_list_t **proplists = (property_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
    
    /**协议列表 **protolists 二维数组
    *[
    * [protol_t,protol_t],
    * [protol_t,protol_t]
    * ]
    */
    protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*protolists));

    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int propcount = 0;
    int protocount = 0;
    int i = cats->count;
    bool fromBundle = NO;
    while (i--) {//最后面编译的分类会优先调用，i--，首先取最后一个分类
        
        auto& entry = cats->list[i];
        //将category里面的方法列表组都加入到一个数组中
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }
        //将category里面的属性列表组都加入到一个数组中
        property_list_t *proplist = 
            entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
        if (proplist) {
            proplists[propcount++] = proplist;
        }
        //将category里面的协议列表组都加入到一个数组中
        protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
        if (protolist) {
            protolists[protocount++] = protolist;
        }
    }
    
    //得到类里面的数据
    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    // 将所有分类的对象方法，附加到类（对象）对象的方法列表中
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);

    // 将所有分类的属性，附加到类（对象）对象的属性列表中
    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);

    //将所有分类的协议，附加到类（对象）对象的协议列表中
    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);
}

对于方法attachCategories的参数cls：在本次例子中代表的是[ZXYPerson class]; cats代表的是分类列表[ZXYPerson+Eat,ZXYPerson+Test]

然后紧接着分配了三个数组空间，三个二维数组mlists，proplists以及protolists分别放着方法、属性和协议列表，然后看一个附加加载过程的原理attachLists()方法

    /**方法列表 **mlists  二维数组
    *[
    * [method_t,method_t],协议ZXYPerson+Test的方法test
    * [method_t,method_t] 协议ZXYPerson+Eat的方法Eat
    * ]
    *  addedCount = 2
    */
    void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
        if (addedCount == 0) return;

        if (hasArray()) {
            // many lists -> many lists
            uint32_t oldCount = array()->count;
            //因为ZXYPerson有一个方法run，所以oldCount为1 ，addCount两个分类共有两个方法，所以newCount = 3
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            
            //通过realloc方法重新分配内存，并分配newCount的空间大小
            setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            
            //array()->lists：返回原来的方法列表
            //void    *memmove(void *__dst, const void *__src, size_t __len);将src的array()->lists移到array()->lists + addedCount，因为addedCount = 2，相当于将array()->lists向后移动2位
            memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                    oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
            
            //addedLists:所有分类的方法列表
            //void    *memcpy(void *__dst, const void *__src, size_t __n); 将src的addedLists拷贝到dst的array()->lists（原来方法的列表）
            //相当于分类的方法列表拷贝到了原来的方法列表位置，而原来的方法列表位于前面
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            List* oldList = list;
            uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
    }

上面源码对应方法内容也做了比较详细的解释，大家可以细细体会看下！下面memcpy（拷贝）和memmove（移动）函数

现在就来回答第一个问题：Category的实现原理？

1. 通过Runtime加载某个类的所有Category数据

2. 把所有Category的方法、属性、协议数据，合并到一个大数组中，后面参与编译的Category数据，会放在数组的前面

3. 将合并后的分类数据（方法、属性、协议）插入到类原来数据的前面

写到上面了,大家可能有人有疑问,那Category和Objective-C 的class Extension有什么关系区别嘛?

1. Objective-C 的class Extension 是在编译的时候,它的数据已经包含在类信息中
2. Category在运行时才会将数据合并到类信息中

二、Category中有load方法嘛？load方法什么时候调用？

 创建ZXYPerson以及ZXYPerson的分类ZXYPerson+Test和ZXYPerson+Eat，在代码中加入load代码，下面是源代码

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

    }
    return 0;
}


#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface ZXYPerson : NSObject

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END



#import "ZXYPerson.h"

@implementation ZXYPerson
 
+(void)load {
    NSLog(@"ZXYPerson的load方法");
}

@end



#import <Foundation/Foundation.h>

#import "ZXYPerson.h"

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface ZXYPerson (Test)

@end



#import "ZXYPerson+Test.h"
#import <Foundation/Foundation.h>

@implementation ZXYPerson (Test)

+(void)load {
    NSLog(@"ZXYPerson (Test)的load方法");
}

@end



#import <Foundation/Foundation.h>

#import "ZXYPerson.h"

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface ZXYPerson (Eat)

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END



#import "ZXYPerson+Eat.h"

@implementation ZXYPerson (Eat)

+(void)load {
    NSLog(@"ZXYPerson (Test)的load方法");
}

@end

 刚刚代码的编译顺序如下：

 下面通过源码分析一下load的调用顺序! objc4源码解读过程：objc-os.mm

1.  _objc_init,点击load_images

 

2. 进入load_images，看到prepare_load_methods和call_load_methods，首先看call_load_methods

 3. 查看call_load_methods

 上面就验证了一个观点：先调用类的+load，然后再调用分类的+load

紧接着分别查看call_class_loads方法和call_category_loads方法

4. call_class_loads 加载类的load方法

假如项目中有100个类， 到底先调用哪一个类呢？

回到上面2中的load_images中，发现调用call_classes_loads之前也做了调用prepare_load_methods,再次进入了prepare_load_method中，看看有没有做一些准备工作：

5. prepare_load_method的实现

prepare_load_method 实现分为以下步骤：

1. 获取所有类，调用schedule_class_load
2. 关于classlist和categorylist两个数组顺序是根据类、分类被编译的顺序放到了对应的数组中去

6. 类load的调用顺序

确定类load的调用顺序，依赖于schedule_class_load，它的实现如下：

上面源码表明首先调用父类，然后子类！

对于重写了+load的类，load方法调用顺序是先编译的类的父类>先编译的类>后编译类的父类>后编译的类

总结：load调用顺序（+load）方法是根据方法地址直接调用，并不是经过objc_msgSend函数调用

　　1.   先调用类的+load

• 按照编译先后顺序调用（先编译先调用）
• 调用子类的+load之前会先调用父类的+load

　　2.  再调用分类的+load方法

• 按照编译先后顺序调用（先编译先调用）

三、initialize讲解

+initialize的方法在类第一次接受消息时会被调用

1.   例子

首先给ZXYStudent类和Person类覆盖+initialize，主要代码如下

//ZXYPerson
+ (void)initialize{
    
    NSLog(@"Person + initialize");
}

//ZXYPerson +Test
+ (void)initialize{
    
    NSLog(@"Person (Test1) + initialize");
}

//ZXYPerson+Eat
+ (void)initialize{
    
    NSLog(@"Person (Eat) + initialize");
}

//ZXYStudent
+ (void)initialize{
    
    NSLog(@"Student + initialize");
}

//ZXYStudent (Test)
+ (void)initialize{
    
    NSLog(@"Student (Test) + initialize");
}

//ZXYStudent (Eat)
+ (void)initialize{
    
    NSLog(@"Student (Eat) + initialize");
}

此时运行程序，并没有发现打印，说明运行没有调用initialize

假如给ZXYPerson类发送消息，如下，打印出ZXYPerson+Test的initialize方法

 因为initialize是走runtime那套，通过msgSend()方式，所以先打印出ZXYPerson的分类方法，至于先打印出哪一个分类的initialize，看编译顺序（先编译后执行）

 当使用ZXYPerson的子类ZXYStudent发送消息

发现先调用ZXYPerson的分类，然后再调用子类的分类！也可以多写几行[ZXYStudent alloc]，发现还是一样的打印，说明initialize仅仅在该类第一次收到消息才会调用，下面通过查看源码讲解其调用顺序！

2.  源码讲解

使用objc4查看initialize的源码解读过程主要在 objc-runtime-new.mm中

1. class_getInstanceMethod
2. lookUpImpOrNil
3. lookUpImpOrForward
4. _class_initialize
5. callInitialize
6. objc_msgSend(cls, SEL initialize)

 1）. 上面[ZXYStudent alloc]相当于objc_msgSend([ZXYStudent class], @selector(alloc))

 2）. 然后进行点击红色内容

 3）. 点进去，然后继续寻找lookUpImpOrForward，源码主要内容

 这样的源代码说明了每个类的+initialize方法只会调用一次

4）. _class_initialize源代码如下

 上面的源代码说明首先调用父类的+initialize，然后再调用子类的+initialize，就像上面先调用ZXYPerson的+initialize，然后再调用ZXYStudent的+initialize

5）. 最后查看callInitialize

说明+initialize方法是通过msgSend()的方式进行调用 

3.  总结

initialize调用顺序

首先调用父类的+initialize方法，然后再调用子类的+initialize

（先初始化父类，然后初始化子类，每个类只会被初始化1次）

通过上面总结下+initialize和+load区别

　　1.  调用方式

• load是根据函数地址直接调用
• initialize是通过objc_msgSend()调用

　　2.  调用时刻

• load是runtime加载类、分类的时候调用（只会被调用1次）
• initialize是类第一次接收到消息的时候调用，每一个类只会initialize一次（父类的initialize可能会调用多次-子类和分类都没有实现+initialize可能存在）

　　3.  调用顺序

　　load方法

• load方法先调用类的load（先编译的类优先调用load，调用子类的load之前，会优先调用父类）
• 然后调用分类的load，先编译的分类，会优先调用load方法

　　initialize

• 先初始化父类
• 再初始化子类

四.  category能添加成员变量（实例变量）嘛？

默认情况下： 不能

因为类的内存布局在编译时候就已经确定了，Category是在运行时才加载的，无法更改早已确定的内存布局。

由于分类底层结构的限制，不能添加成员变量到分类中，但是可以通过关联（Associate）方式进行间接实现！

上面就是Category、load和initialize的讲解，希望对大家有所帮助！！！如果觉得写得还不错，给个赞吧！！！