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  • Method Swizzling的各种姿势

    因为Objective-C的runtime机制, Method Swizzling这个黑魔法解决了我们实际开发中诸多常规手段所无法解决的问题, 比如代码的插桩,Hook,Patch等等. 我们首先看看常规的Method Swizzling是怎样用的, NSHipster有一篇介绍基本用法的文章Method Swizzling, 我们就先以这篇文章中的示例开始说起吧:

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    #import <objc/runtime.h>

    @implementation UIViewController (Tracking)

    + (void)load {
        static dispatch_once_t onceToken;
        dispatch_once(&onceToken, ^{
            Class class = [self class];

            SEL originalSelector = @selector(viewWillAppear:);
            SEL swizzledSelector = @selector(xxx_viewWillAppear:);

            Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
            Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);

            BOOL didAddMethod =
                class_addMethod(class,
                    originalSelector,
                    method_getImplementation(swizzledMethod),
                    method_getTypeEncoding(swizzledMethod));

            if (didAddMethod) {
                class_replaceMethod(class,
                    swizzledSelector,
                    method_getImplementation(originalMethod),
                    method_getTypeEncoding(originalMethod));
            } else {
                method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
            }
        });
    }

    #pragma mark - Method Swizzling

    - (void)xxx_viewWillAppear:(BOOL)animated {
        [self xxx_viewWillAppear:animated];
        NSLog(@"viewWillAppear: %@", self);
    }

    @end

    简要说明一下以上代码的几个重点:

    • 通过在Category的+ (void)load方法中添加Method Swizzling的代码,在类初始加载时自动被调用,load方法按照父类到子类,类自身到Category的顺序被调用.
    • 在dispatch_once中执行Method Swizzling是一种防护措施,以保证代码块只会被执行一次并且线程安全,不过此处并不需要,因为当前Category中的load方法并不会被多次调用.
    • 尝试先调用class_addMethod方法,以保证即便originalSelector只在父类中实现,也能达到Method Swizzling的目的.
    • xxx_viewWillAppear:方法中[self xxx_viewWillAppear:animated];代码并不会造成死循环,因为Method Swizzling之后, 调用xxx_viewWillAppear:实际执行的代码已经是原来viewWillAppear中的代码了.

    其实以上的代码也可以简写为以下:

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    + (void)load {
        Class class = [self class];
        
        SEL originalSelector = @selector(viewWillAppear:);
        SEL swizzledSelector = @selector(xxx_viewWillAppear:);
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);
        if (!originalMethod || !swizzledMethod) {
            return;
        }
        
        IMP originalIMP = method_getImplementation(originalMethod);
        IMP swizzledIMP = method_getImplementation(swizzledMethod);
        const char *originalType = method_getTypeEncoding(originalMethod);
        const char *swizzledType = method_getTypeEncoding(swizzledMethod);
        
        class_replaceMethod(class,originalSelector,swizzledIMP,swizzledType);
        class_replaceMethod(class,swizzledSelector,originalIMP,originalType);
    }

    这是因为class_replaceMethod方法其实能够覆盖到class_addMethod和method_setImplementation两种场景, 对于第一个class_replaceMethod来说, 如果viewWillAppear:实现在父类, 则执行class_addMethod, 否则就执行method_setImplementation将原方法的IMP指定新的代码块; 而第二个class_replaceMethod完成的工作便只是将新方法的IMP指向原来的代码.

    除了以上的场景之外,其它场景下我们如何使用Method Swizzling呢?

    1.在不同类之间实现Method Swizzling

    上面示例是通过Category来新增一个方法然后实现Method Swizzling的, 但有一些场景可能并不适合使用Category(比如私有的类,未获取到该类的声明), 此时我们应该如何来做Method Swizzling呢?

    例如已知一个className为Car的类中有一个实例方法- (void)run:(double)speed, 目前需要Hook该方法对速度小于120才执行run的代码, 按照方法交换的流程, 代码应该是这样的:

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    #import <objc/runtime.h>

    @interface MyCar : NSObject
    @end

    @implementation MyCar

    + (void)load {
        Class originalClass = NSClassFromString(@"Car");
        Class swizzledClass = [self class];
        SEL originalSelector = NSSelectorFromString(@"run:");
        SEL swizzledSelector = @selector(xxx_run:);
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(originalClass, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(swizzledClass, swizzledSelector);
        
        // 向Car类中新添加一个xxx_run:的方法
        BOOL registerMethod = class_addMethod(originalClass,
                                              swizzledSelector,
                                              method_getImplementation(swizzledMethod),
                                              method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        if (!registerMethod) {
            return;
        }
        
        // 需要更新swizzledMethod变量,获取当前Car类中xxx_run:的Method指针
        swizzledMethod = class_getInstanceMethod(originalClass, swizzledSelector);
        if (!swizzledMethod) {
            return;
        }
        
        // 后续流程与之前的一致
        BOOL didAddMethod = class_addMethod(originalClass,
                                            originalSelector,
                                            method_getImplementation(swizzledMethod),
                                            method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(originalClass,
                                swizzledSelector,
                                method_getImplementation(originalMethod),
                                method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    }

    - (void)xxx_run:(double)speed {
        if (speed < 120) {
            [self xxx_run:speed];
        }
    }

    @end

    与之前的流程相比,在前面添加了两个逻辑:

    • 利用runtime向目标类Car动态添加了一个新的方法,此时Car类与MyCar类一样具备了xxx_run:这个方法,MyCar的利用价值便结束了;
    • 为了完成后续Car类中run:与xxx_run:的方法交换,此时需要更新swizzledMethod变量为Car中的xxx_run:方法所对应的Method.

    以上所有的逻辑也可以合并简化为以下:

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    + (void)load {
        Class originalClass = NSClassFromString(@"Car");
        Class swizzledClass = [self class];
        SEL originalSelector = NSSelectorFromString(@"run:");
        SEL swizzledSelector = @selector(xxx_run:);
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(originalClass, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(swizzledClass, swizzledSelector);
        
        IMP originalIMP = method_getImplementation(originalMethod);
        IMP swizzledIMP = method_getImplementation(swizzledMethod);
        const char *originalType = method_getTypeEncoding(originalMethod);
        const char *swizzledType = method_getTypeEncoding(swizzledMethod);
        
        class_replaceMethod(originalClass,swizzledSelector,originalIMP,originalType);
        class_replaceMethod(originalClass,originalSelector,swizzledIMP,swizzledType);
    }

    简化后的代码便与之前使用Category的方式并没有什么差异, 这样代码就很容易覆盖到这两种场景了, 但我们需要明确此时class_replaceMethod所完成的工作却是不一样的.

    • 第一个class_replaceMethod与之前的逻辑一致, 当run:方法是实现在Car类或Car的父类, 分别执行method_setImplementation或class_addMethod;
    • 第二个class_replaceMethod则直接在Car类中注册了xxx_run:方法, 并且指定的IMP为当前run:方法的IMP;

    2.如何实现类方法的Method Swizzling

    以上的代码都是实现的对实例方法的交换, 那如何来实现对类方法的交换呢, 依旧直接贴代码吧:

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    @interface NSDictionary (Test)
    @end

    @implementation NSDictionary (Test)

    + (void)load {
        Class cls = [self class];
        SEL originalSelector = @selector(dictionary);
        SEL swizzledSelector = @selector(xxx_dictionary);
        
        // 使用class_getClassMethod来获取类方法的Method
        Method originalMethod = class_getClassMethod(cls, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getClassMethod(cls, swizzledSelector);
        if (!originalMethod || !swizzledMethod) {
            return;
        }
        
        IMP originalIMP = method_getImplementation(originalMethod);
        IMP swizzledIMP = method_getImplementation(swizzledMethod);
        const char *originalType = method_getTypeEncoding(originalMethod);
        const char *swizzledType = method_getTypeEncoding(swizzledMethod);
        
        // 类方法添加,需要将方法添加到MetaClass中
        Class metaClass = objc_getMetaClass(class_getName(cls));
        class_replaceMethod(metaClass,originalSelector,swizzledIMP,swizzledType);
        class_replaceMethod(metaClass,swizzledSelector,originalIMP,originalType);
    }

    + (id)xxx_dictionary {
        id result = [self xxx_dictionary];
        return result;
    }

    @end

    相比实例方法的Method Swizzling,流程有两点差异:

    • 获取Method的方法变更为class_getClassMethod(Class cls, SEL name),从函数命名便直观体现了和class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)的差别;
    • 对于类方法的动态添加,需要将方法添加到MetaClass中,因为实例方法记录在class的method-list中, 类方法是记录在meta-class中的method-list中的.

    3.在类簇中如何实现Method Swizzling

    在上面的代码中我们实现了对NSDictionary中的+ (id)dictionary方法的交换,但如果我们用类似代码尝试对- (id)objectForKey:(id)key方法进行交换后, 你便会发现这似乎并没有什么用.

    这是为什么呢? 平常我们在Xcode调试时,在下方Debug区域左侧的Variables View中,常常会发现如__NSArrayI或是__NSCFConstantString这样的Class类型, 这便是在Foundation框架中被广泛使用的类簇, 详情请参看Apple文档class cluster的内容.

    所以针对类簇的Method Swizzling问题就转变为如何对这些类簇中的私有类做Method Swizzling, 在上面介绍的不同类之间做Method Swizzling便已经能解决该问题, 下面一个简单的示例通过交换NSMutableDictionary的setObject:forKey:方法,让调用这个方法时当参数object或key为空的不会抛出异常:

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    @interface MySafeDictionary : NSObject
    @end

    @implementation MySafeDictionary

    + (void)load {
        Class originalClass = NSClassFromString(@"__NSDictionaryM");
        Class swizzledClass = [self class];
        SEL originalSelector = @selector(setObject:forKey:);
        SEL swizzledSelector = @selector(safe_setObject:forKey:);
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(originalClass, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(swizzledClass, swizzledSelector);
        
        IMP originalIMP = method_getImplementation(originalMethod);
        IMP swizzledIMP = method_getImplementation(swizzledMethod);
        const char *originalType = method_getTypeEncoding(originalMethod);
        const char *swizzledType = method_getTypeEncoding(swizzledMethod);
        
        class_replaceMethod(originalClass,swizzledSelector,originalIMP,originalType);
        class_replaceMethod(originalClass,originalSelector,swizzledIMP,swizzledType);
    }

    - (void)safe_setObject:(id)anObject forKey:(id<NSCopying>)aKey {
        if (anObject && aKey) {
            [self safe_setObject:anObject forKey:aKey];
        }
        else if (aKey) {
            [(NSMutableDictionary *)self removeObjectForKey:aKey];
        }
    }

    @end

    4.在Method Swizzling之后如何恢复

    使用了Method Swizzling的各种姿势之后, 是否有考虑如何恢复到交换之前的现场呢? 

    一种方案就是通过一个开关标识符, 如果需要从逻辑上面恢复到交换之前, 就设置一下这个标识符, 在实现中判定如果设定了该标识符, 逻辑就直接调用原方法的实现, 其它什么事儿也不干, 这是目前大多数代码的实现方法, 当然也是非常安全的方式, 只不过当交换方法过多时, 每一个交换的方法体中都需要增加这样的逻辑, 并且也需要维护大量这些标识符变量, 只是会觉得不够优雅, 所以此处也就不展开详细讨论了.

    那下面来讨论一下有没有更好的方案, 以上描述的Method Swizzling各种场景和处理的技巧, 但综合总结之后最核心的其实也只做了两件事情:

    • class_addMethod 添加一个新的方法, 可能是把其它类中实现的方法添加到目标类中, 也可能是把父类实现的方法添加一份在子类中, 可能是添加的实例方法, 也可能是添加的类方法, 总之就是添加了方法.
    • 交换IMP 交换方法的实现IMP,完成这个步骤除了使用method_exchangeImplementations这个方法外, 也可以是调用了method_setImplementation方法来单独修改某个方法的IMP, 或者是采用在调用class_addMethod方法中设定了IMP而直接就完成了IMP的交换, 总之就是对IMP的交换.

    那我们来分别看一下这两件事情是否都还能恢复:

    • 对于class_addMethod, 我们首先想到的可能就是有没有对应的remove方法呢, 在Objective-C 1.0的时候有class_removeMethods这个方法, 不过在2.0的时候就已经被禁用了, 也就是苹果并不推荐我们这样做, 想想似乎也是挺有道理的, 本来runtime的接口看着就挺让人心惊胆战的, 又是添加又是删除总觉得会出岔子, 所以只能放弃remove的想法, 反正方法添加在那儿倒也没什么太大的影响.
    • 针对IMP的交换, 在Method Swizzling时做的交换动作, 如果需要恢复其实要做的动作还是交换回来罢了, 所以是可以做到的, 不过需要怎样做呢? 对于同一个类, 同一个方法, 可能会在不同的地方被多次做Method Swizzling, 所以要回退某一次的Method Swizzling, 我们就需要记录下来这一次交换的时候是哪两个IMP做了交换, 恢复的时候再换回来即可. 另一个问题是如果已经经过多次交换, 我们怎样找到这两个IMP所对应的Mehod呢, 还好runtime提供了一个class_copyMethodList方法, 可以直接取出Method列表, 然后我们就可以逐个遍历找到IMP所对应的Method了, 下面是对上一个示例添加恢复之后实现的代码逻辑: 
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    #import <objc/runtime.h>

    @interface MySafeDictionary : NSObject
    @end

    static NSLock *kMySafeLock = nil;
    static IMP kMySafeOriginalIMP = NULL;
    static IMP kMySafeSwizzledIMP = NULL;

    @implementation MySafeDictionary

    + (void)swizzlling {
        static dispatch_once_t onceToken;
        dispatch_once(&onceToken, ^{
            kMySafeLock = [[NSLock alloc] init];
        });
        
        [kMySafeLock lock];
        
        do {
            if (kMySafeOriginalIMP || kMySafeSwizzledIMP) break;
            
            Class originalClass = NSClassFromString(@"__NSDictionaryM");
            if (!originalClass) break;
            
            Class swizzledClass = [self class];
            SEL originalSelector = @selector(setObject:forKey:);
            SEL swizzledSelector = @selector(safe_setObject:forKey:);
            Method originalMethod = class_getInstanceMethod(originalClass, originalSelector);
            Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(swizzledClass, swizzledSelector);
            if (!originalMethod || !swizzledMethod) break;
            
            IMP originalIMP = method_getImplementation(originalMethod);
            IMP swizzledIMP = method_getImplementation(swizzledMethod);
            const char *originalType = method_getTypeEncoding(originalMethod);
            const char *swizzledType = method_getTypeEncoding(swizzledMethod);
            
            kMySafeOriginalIMP = originalIMP;
            kMySafeSwizzledIMP = swizzledIMP;
            
            class_replaceMethod(originalClass,swizzledSelector,originalIMP,originalType);
            class_replaceMethod(originalClass,originalSelector,swizzledIMP,swizzledType);
        } while (NO);
        
        [kMySafeLock unlock];
    }

    + (void)restore {
        [kMySafeLock lock];
        
        do {
            if (!kMySafeOriginalIMP || !kMySafeSwizzledIMP) break;
            
            Class originalClass = NSClassFromString(@"__NSDictionaryM");
            if (!originalClass) break;
            
            unsigned int outCount = 0;
            Method *methodList = class_copyMethodList(originalClass, &outCount);
            for (unsigned int idx=0; idx < outCount; idx++) {
                Method aMethod = methodList[idx];
                IMP aIMP = method_getImplementation(aMethod);
                if (aIMP == kMySafeSwizzledIMP) {
                    method_setImplementation(aMethod, kMySafeOriginalIMP);
                }
                else if (aIMP == kMySafeOriginalIMP) {
                    method_setImplementation(aMethod, kMySafeSwizzledIMP);
                }
            }
            kMySafeOriginalIMP = NULL;
            kMySafeSwizzledIMP = NULL;
        } while (NO);
        
        [kMySafeLock unlock];
    }

    - (void)safe_setObject:(id)anObject forKey:(id<NSCopying>)aKey {
        if (anObject && aKey) {
            [self safe_setObject:anObject forKey:aKey];
        }
        else if (aKey) {
            [(NSMutableDictionary *)self removeObjectForKey:aKey];
        }
    }

    @end

    注意 这段代码的Method Swizzling和恢复都需要主动调用, 并且相比上面其它的示例, 这段代码还添加如锁机制来加之保护. 这个示例是以不同的类来实现的Method Swizzling和恢复, 如果是Category或者是类方法, 根据之前的示例也需要做相应的调整.
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