OC类设计原理和缓存cache的流程

类设计原理

类的本质和基本结构

• 在开发过程中，很多类都要去继承NSObject。而类的本质是一个含有isa成员的objc_object结构体。isa是一个指向objc_class的指针。所以，objc_class的设计就很重要。

struct objc_class : objc_object {

    //Class ISA;               //指向元类的指针
    Class superclass;          //超类
    cache_t cache;             //缓存使用过的方法等信息，在下次使用时可以快速查找到，节约查找成本
    class_data_bits_t bits;    //用来查找存储在内存中的方法、属性等  
          ...
    }
复制代码

结构体中各成员的存在意义

• isa：指向类或者元类的指针。一个类型的类或元类在内存中只存在一个。一个类对应多个实例对象，对象执行某个方法，需要根据该isa去类和元类中查询。
• superclass：用来获取父类的信息。在需要的时候会去这里查询方法地址，属性地址等。
• cache：存储一些使用过的方法等信息（比如父类的方法）。避免多次查询消耗资源。
• bits：本类的方法，属性等存储的地址。

cache在类中扮演的角色

• 对象方法的执行，都是以信号进行传递的（objc_msgSend），执行过程中会去内存中找该对象的方法实现内存地址。然后才可以执行。
• cache的存在意义就是把使用过的方法地址缓存起来。减少查找内存的长度以及复杂度。

cache的源码探究

cache_t的结构

cache是一个cache_t类型的结构体，查看源码如下所示。

struct cache_t {
     
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask; // 8个内存
    union {
        struct {
            //当前的缓存区count，第一次开辟是3
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask; // 4  
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;  // 2
#endif
            uint16_t                   _occupied; // 2 
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache; // 8 
    };
 ...
 struct bucket_t *buckets() const; //查
 void insert(SEL sel, IMP imp, id receiver); //插入缓存的方法
 ...

复制代码

• _bucketsAndMaybeMask：当前存放的是buckets和maybeMask
• _maybeMask：当前cache的可存储的buckets数量，默认是0
• _originalPreoptCache：执行_occupied++，_occupied默认是0，每次有方法的插入都会被执行，本质上就是占位+1
• buckets()：可以获取到缓存中的方法列表
• insert：插入新的方法到缓存中

cache_t 实现缓存的过程

insert方法的实现

• 首次走类的方法时没有旧的缓存。默认创建4个容量的存储空间。

• 缓存时会判断缓存的容量是否达到了3/4。如果达到了会新创建一个扩容后的内存地址去存储新的方法。并且清除旧的缓存。（为什么要清空oldBuckets，而不是空间扩容，然后在后面附加新的缓存呢？因为已经创建的内存无法更改，即使把旧的缓存取出来，有涉及到了遍历等操作，不如直接新创建一个内存空间，删除旧的缓存。）

• 如果bucket为空的，就把sel和imp写入到该bucket中

LLDB输出验证

需要验证的代码

@interface HTPerson : NSObject

- (void)playGame_wangZhe;
- (void)playGame_chiJi;
- (void)playGame_CF;
- (void)playGame_CC;
- (void)playGame_Sleep;

@end

@implementation HTPerson

- (void)playGame_wangZhe{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (void)playGame_chiJi{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (void)playGame_CF{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (void)playGame_CC{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (void)playGame_Sleep{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
@end
复制代码

LLDB输出结果

在方法执行前，缓存里没有内容。

执行了2个方法后，缓存里生成了4个方法的缓存(2个系统方法)

输出方法名称如下所示

防源代码查看方法缓存

模仿源代码，进行强制转换，来输出bucket。

typedef uint32_t mask_t;
//bucketsMask：掩码，用来通过_bucketsAndMaybeMask解析初buckets
static uintptr_t bucketsMask = ~0ul;

//bucket_t源码模仿
struct HTBucket_t {
    SEL _sel;
    IMP _imp;
};
struct HTCache_t {
    uintptr_t       _bucketsAndMaybeMask; // 8
    mask_t          _maybeMask; // 4
    uint16_t        _flags;  // 2
    uint16_t        _occupied; // 2
};
struct HTClass_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
};
struct HTObjc_object {
    Class isa;
};
struct HTObjc_Class: HTObjc_object{
    Class superclass;
    HTCache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    HTClass_data_bits_t bits;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTPerson *p  = [HTPerson alloc];
        
        [p playGame_CC];
        
        [p playGame_Sleep];
//
//        [p playGame_wangZhe];
//
//        [p playGame_chiJi];
//
//        [p playGame_CF];
        
        struct HTObjc_Class *pClass = (HTObjc_Class *)HTPerson.class;
        
        //打印当前有多少个方法缓存与最大缓存数量
        NSLog(@"%u-%u",pClass->cache._occupied,pClass->cache._maybeMask);
        
        //通过_bucketsAndMaybeMask解析初buckets
        uintptr_t bucketAndM = pClass->cache._bucketsAndMaybeMask;
        HTBucket_t *bucket =  (HTBucket_t *)(bucketAndM & bucketsMask);
        
        //循环遍历打印缓存的sel与imp
        for (int i = 0; i < pClass->cache._maybeMask ; i++) {
            struct HTBucket_t b = *(bucket + i);
            NSLog(@"第%d位==%@-%p",i,NSStringFromSelector(b._sel),b._imp);
        }
        
    }
    return 0;
}
复制代码

输出结果如下

_occupied==2个方法-最大缓存数_maybeMask==3
第0位==playGame_CC-0x7f38
第1位==playGame_Sleep-0x7ee8
第2位==(null)-0x0
复制代码

执行3个方法的话，会删除旧的缓存然后创建一个可以存放7个方法的内存

_occupied==1个方法-最大缓存数_maybeMask==7
第0位==(null)-0x0
第1位==(null)-0x0
第2位==(null)-0x0
第3位==playGame_wangZhe-0x7fb0
第4位==(null)-0x0
第5位==(null)-0x0
第6位==(null)-0x0
复制代码