iOS底层探究—–消息动态决议-一一网

前言

在开发过程中，有这么一个现象，如果在类里面调用了不存在的方法，或者是调用了未实现的方法，就会报错，如：...unrecognized selector sent to instance...。作为一名开发者，总是对不知道的东西充满神秘感和保持好奇心。就是，为什么调用不存在的方法会报这样的错误了？接下来，就以这个点为突破口，进行探究，会让童鞋们发现不一样的精彩。

资源准备

objc源码：多个版本的objc源码
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当类调用到未找到的方法，就报未找到该方法的错误，既然是方法查找，再根据上篇文章方法慢速查找流程，那么就是直接定位到objc底层lookUpImpOrForward()方法上了。当本类以及本类的所有父类里面，都找不到对应方法的时候，就会返回一个forward_imp，那么故事就从这里开始了。

方法找不到报错的底层原理

方法找不到时，返回的`imp`是`forward_imp`

因为在上一篇文章里面，详细的分析了这块源码，所以这里就不再把源码全部贴出来。只把在这篇文章分析所需要的源码给贴出来。根据源码中的注释，方法慢速查找流程的四个步骤：①、②、③、④查看源码

IMP lookUpImpOrForward(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    const IMP forward_imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
    IMP imp = nil;
   
//-------------------代码省略..............
    
    for (unsigned attempts = unreasonableClassCount();;) {
//---- ①、先在缓存中查找一次，因为是为了防止所查找的方法，在类初始化的时候，就已经加入缓存中了，所以先找一遍以防万一
        if (curClass->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true)) {
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
            imp = cache_getImp(curClass, sel);
            if (imp) goto done_unlock;
            curClass = curClass->cache.preoptFallbackClass();
#endif
        } else {
            Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);//---- ②、通过二分法查找，获取当前方法
            if (meth) {//找到了方法
                imp = meth->imp(false);
                goto done;//写入缓存
            }
             //---- ④、如果所有的父类都找完了，还是没有的话，会返回一个外传的imp
            if (slowpath((curClass = curClass->getSuperclass()) == nil)) {
                imp = forward_imp;
                break;
            }
        }
        if (slowpath(--attempts == 0)) {
            _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
        }
//----③、如果当前子类找不到，就直接到父类里面找，父类里面查找也分为快速和慢速两个流程.
        // Superclass cache.
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (slowpath(imp == forward_imp)) {
            break;
        }
        if (fastpath(imp)) {
            goto done;//缓存填充
        }
    }
//-------------------------- 代码省略...............
    return imp;
}
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由于在本类以及本类的所有父类里面，都找不到对应方法，所以imp返回了一个forward_imp，而根据源码，forward_imp的定义就是_objc_msgForward_impcache。

由`forward_imp`的定义进行跟踪

那么全文索引_objc_msgForward_impcache，查看他的实现，继续找线索 (经验提示：一般带下划线的，大概率找汇编)。真机环境—arm64：

此时，我们通过源码看到，在_objc_msgForward_impcache里面只执行跳转__objc_msgForward的方法，那么再看这个跳转的方法。

在__objc_msgForward的方法中，汇编指令adrp表示，将以页为单位__objc_forward_handler的地址取到 x17寄存器里面，而ldr指令是将__objc_forward_handler地址所指向的值赋给x17寄存器，最后再执行TailCallFunctionPointer x17。

而我们再TailCallFunctionPointer的宏定义：

.macro TailCallFunctionPointer
	// $0 = function pointer value
	braaz	$0
.endmacro
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发现，只是跳转到$0，带到源码里面执行，就是要跳转到x17寄存器，而x17的地址就是__objc_forward_handler，也就是接下来的线索。

`forward_imp`最终指向`objc_defaultForwardHandler()`

当全文索引__objc_forward_handler时，没有找到他的实现，那么证明此方法不再是汇编方法，而是C++方法，去掉头部下划线，直接搜索objc_forward_handler。最终在objc-runtime.mm文件里面找到

objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel)
{
    _objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
                "(no message forward handler is installed)", 
                class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? '+' : '-', 
                object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;
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把objc_defaultForwardHandler作为值，传递给*_objc_forward_handler，当看到值objc_defaultForwardHandler的实现时，是不是有种熟悉的感觉了，我们调用不存在的方法的错，是不是就是这样的格式。class_isMetaClass(object_getClass(self))判断是类方法还是实例方法，打印了类名object_getClassName(self)，还打印了方法名sel_getName(sel)，以及类地址打印self。

报错底层原理小结

当方法在本类以及本类的所有父类里面，都找不到的时候，imp返回的是forward_imp，而forward_imp的定义是_objc_msgForward_impcache；
_objc_msgForward_impcache跳转到__objc_msgForward，而__objc_msgForward返回到C++方法objc_forward_handler();
objc_forward_handler()由objc_defaultForwardHandler传值，在objc_defaultForwardHandler里面，就是报错打印的全部信息。

到了这里，我们就很清晰的知道这个报错的底层原理，我们知道当前的方法发生了错误，当错误找到之后，就不能进行其他的处理了吗？

既然提出来了，显然是有处理的方式方法的，而处理的方式方法，就涉及到一个重要的点—-消息的处理流程。

方法动态决议—对象方法动态决议

先做些基础建设，在objc源码中，创建一个LGPerson类，再创建一个LGTeacher类继承于LGPerson，如下面源码展示：

//创建一个LGPerson类
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface LGPerson : NSObject
- (void)say666;
@end

#import "LGPerson.h"
@implementation LGPerson
@end

//创建一个LGTeacher类
#import "LGPerson.h"
@interface LGTeacher : LGPerson
@end

#import "LGPerson.h"
@implementation LGPerson
@end
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然后在main.m中初始化LGTeacher类，并调用父类LGPerson的say666方法。

当执行到断点处时，再到底层方法查找函数lookUpImpOrForward()中再打上断点。再跳过main.m里面的那个断点，就会执行到lookUpImpOrForward()中的断点处，然后再进行lldb调试，确认当前的类是不是LGTeacher：

确定了是LGTeacher类后，再在下图处进行断点，查看下imp的内容：

通过lldb调试，发现imp中是空的。断点这块代码是一个单利(详情去看：补充1)，只能执行一次。

`imp`为`nil`时，给了一次修正机会

执行到这个单利里面后，进入resolveMethod_locked()方法里面：

resolveMethod_locked(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    runtimeLock.assertLocked();
    ASSERT(cls->isRealized());

    runtimeLock.unlock();
    
 // ---- ① ---- 拯救机会
 
    if (! cls->isMetaClass()) {//判断当前的类，是不是元类
        // try [cls resolveInstanceMethod:sel]
        resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
    } 
    else {
        // try [nonMetaClass resolveClassMethod:sel]
        // and [cls resolveInstanceMethod:sel]
        resolveClassMethod(inst, sel, cls);
        if (!lookUpImpOrNilTryCache(inst, sel, cls)) {
            resolveInstanceMethod(inst, sel, cls);
        }
    }
 
 // ---- ①
 
    return lookUpImpOrForwardTryCache(inst, sel, cls, behavior);
}
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因为此时，imp是为nil的，那么按照常规流程走下去，程序就直接奔溃了。然而，苹果系统开发设计者，认为这样直接奔溃不太友善，对用户的体验也不怎么好。所以，就给iOS开发者一次拯救自己代码的机会(在①注释之间)。也就意味着，在接下来能够对imp进行处理，能给到一个不为空的imp返回出去，这样就能保证程序不再奔溃。

当有了一个不为空的imp时，通过lookUpImpOrForwardTryCache()方法返回出去。继续跟踪去查看是如何返回的：进入lookUpImpOrForwardTryCache() –>_lookUpImpTryCache()，_lookUpImpTryCache()源码实现：

static IMP _lookUpImpTryCache(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
    runtimeLock.assertUnlocked();
//---- 判断时候初始化
    if (slowpath(!cls->isInitialized())) {
        // see comment in lookUpImpOrForward
        return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior);
    }
//---- 查找父类有没有
    IMP imp = cache_getImp(cls, sel);
    if (imp != NULL) goto done;
//---- 查找共享缓存有没有
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
    if (fastpath(cls->cache.isConstantOptimizedCache(/* strict */true))) {
        imp = cache_getImp(cls->cache.preoptFallbackClass(), sel);
    }
#endif
//---- 当imp为NULL时，再次查找一次
    if (slowpath(imp == NULL)) {
        return lookUpImpOrForward(inst, sel, cls, behavior);
    }

done:
    if ((behavior & LOOKUP_NIL) && imp == (IMP)_objc_msgForward_impcache) {
        return nil;
    }
    return imp;
}
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也就是说，当imp为nil时，只要我们把imp进行处理了，那么系统会再次帮我们进行查找一次。虽然说是会消耗一些性能。

查找不到实例方法，动态处理`imp`

根据上文中，处理imp的代码块(在①注释之间)，当前我们是在LGTeacher类中，并不是元类，所以进入if判断里面，进入resolveInstanceMethod()方法。查看其实现：

static void resolveInstanceMethod(id inst, SEL sel, Class cls)
{
    runtimeLock.assertUnlocked();
    ASSERT(cls->isRealized());
//----- resolve_sel消息里，需要实现的方法
    SEL resolve_sel = @selector(resolveInstanceMethod:);

    if (!lookUpImpOrNilTryCache(cls, resolve_sel, cls->ISA(/*authenticated*/true))) {
        // Resolver not implemented.
        return;
    }
//---- 系统自动发送resolve_sel消息给开发者，指明了类和方法名，只要实现了resolve_sel消息里的方法，就不会再报错
    BOOL (*msg)(Class, SEL, SEL) = (typeof(msg))objc_msgSend;
//---- 判断resolveInstanceMethod是否执行成功    
    bool resolved = msg(cls, resolve_sel, sel);

    // Cache the result (good or bad) so the resolver doesn't fire next time.
    // +resolveInstanceMethod adds to self a.k.a. cls
    
//---- 成功之后，然后就到当前的表里面，继续去查找一遍
    IMP imp = lookUpImpOrNilTryCache(inst, sel, cls);

    //。。。。。。。。
}
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也就是说，当系统检测到查找的imp为nil时，系统自动发送resolve_sel消息给开发者，只要实现了resolve_sel消息里的方法，就不会再报错，而实现的方法就是resolveInstanceMethod：。
当判断成功执行resolveInstanceMethod：方法之后，就执行lookUpImpOrNilTryCache方法，继续去再次查找一遍。

当然，就算不实现resolveInstanceMethod：方法，也不会执行if (!lookUpImpOrNilTryCache(cls, resolve_sel, cls->ISA(/*authenticated*/true)))这个判断，因为，既要系统去查找resolveInstanceMethod方法，如果不是实现，系统自己又要去报错，那么会造成系统的更加不稳定。所以系统对resolveInstanceMethod方法默认的设置：

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return NO;
}
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知道需要实现resolveInstanceMethod方法后，那么此时，就可以在LGTeacher类里面，创建一个sayNB的方法，调用resolveInstanceMethod：方法。动态添加一个imp

#import "LGPerson.h"
@interface LGTeacher : LGPerson
- (void)sayNB;
@end

#import "LGTeacher.h"
#import <objc/message.h>

@implementation LGTeacher

- (void)sayNB{
    NSLog(@"%@ - %s",self , __func__);
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    // 处理 sel -> imp
    if (sel == @selector(say666)) {
        IMP sayNBImp     = class_getMethodImplementation(self, @selector(sayNB));
        Method method    = class_getInstanceMethod(self, @selector(sayNB));
        const char *type = method_getTypeEncoding(method);
        return class_addMethod(self, sel, sayNBImp, type);
    }
    
    NSLog(@"resolveInstanceMethod :%@-%@",self,NSStringFromSelector(sel));

    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
@end
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调用resolveInstanceMethod方法，既然没有say666的方法，那么就有创建实现好的sayNB的方法替换上去。运行后，没有再次报错。那么就处理成功了。

注：在调用resolveInstanceMethod方法时， NSLog(@"resolveInstanceMethod :%@-%@",self,NSStringFromSelector(sel));会执行两次，为什么会这样，可以直接去看：补充2的详情。

对象方法动态决议小结

当查找不到某对象方法时，lookUpImpOrForward()返回imp为nil，然后就进入到一个单利的判断里面，执行resolveMethod_locked();
在resolveMethod_locked()里面，可以知道系统给了处理imp的机会，只要对imp进行动态处理，能给到一个不为空的imp返回出去，那么系统会再次帮我们进行查找一次，这样就能保证程序不再奔溃。
动态处理imp的流程是，在类里面调用resolveInstanceMethod方法，把空的imp传一个已经存在的方法的imp，使之不在为空，相当于用这个已存在的方法进行替换。这样就完成了imp的动态处理。
当判断完resolveInstanceMethod正确执行后，bool resolved，当执行成功之后，返回到lookUpImpOrNilTryCache()里面，再次查找，有了imp，就能找到并返回对应方法。

方法动态决议—类方法的动态决议

在resolveMethod_locked()方法里面，当不是在元类的时候，处理imp是进入if的判断执行的，那么当在元类的时候了，处理imp应该是进入else判断了。接下来，在LGPerson类里面再创建类方法：

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface LGPerson : NSObject
- (void)say666;
+ (void)sayHappy;
@end

//在main.m里面调用
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [LGTeacher sayHappy];
    }
    return 0;
}
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最后还是来到else的判断里面；

查找不到类方法，动态处理`imp`

接着就进入到resolveClassMethod()方法里面，查看其实现，可以发现，和我们刚刚分析的实例方法动态决议很相似：

static void resolveClassMethod(id inst, SEL sel, Class cls)
{
    runtimeLock.assertUnlocked();
    ASSERT(cls->isRealized());
    ASSERT(cls->isMetaClass());
//---- 判断在执行lookUpImpOrNilTryCache，有没有实现resolveClassMethod方法
    if (!lookUpImpOrNilTryCache(inst, @selector(resolveClassMethod:), cls)) {
        // Resolver not implemented.
        return;
    }
//---- 对元类进行局部操作，防止其未实现
    Class nonmeta;
    {
        mutex_locker_t lock(runtimeLock);
        nonmeta = getMaybeUnrealizedNonMetaClass(cls, inst);
        // +initialize path should have realized nonmeta already
        if (!nonmeta->isRealized()) {
            _objc_fatal("nonmeta class %s (%p) unexpectedly not realized",
                        nonmeta->nameForLogging(), nonmeta);
        }
    }
//---- 是否已经发送消息    
    BOOL (*msg)(Class, SEL, SEL) = (typeof(msg))objc_msgSend;
//---- 是否已经执行resolveClassMethod，但是resolveClassMethod是执行在类里面的，因为在类里面执行类方法，就等同于在元类里面执行实例方法
    bool resolved = msg(nonmeta, @selector(resolveClassMethod:), sel);

    // Cache the result (good or bad) so the resolver doesn't fire next time.
    // +resolveClassMethod adds to self->ISA() a.k.a. cls
//---- 成功之后，然后就到当前的表里面，继续去查找一遍
    IMP imp = lookUpImpOrNilTryCache(inst, sel, cls);

    //。。。。。。。。。。。。
}
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那么resolveClassMethod()方法，也就是多了对元类进行局部操作，防止其未实现，剩下的，也是当系统检测到查找的imp为nil时，系统自动发送resolve_sel消息给开发者，然后就需要实现resolveInstanceMethod：方法。
当判断成功执行resolveInstanceMethod：方法之后，就执行lookUpImpOrNilTryCache方法，继续去再次查找一遍。
这里resolveClassMethod是执行在类里面的，因为在类里面执行类方法，就等同于在元类里面执行实例方法。

那么接下来，就是在LGTeacher类里面实现resolveClassMethod方法了。

#import "LGTeacher.h"
#import <objc/message.h>

@implementation LGTeacher

+ (void)sayScott{
    NSLog(@"%@ - %s",self , __func__);
}

//元类的以对象方法的方法
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel{
   
    NSLog(@"resolveClassMethod :%@-%@",self,NSStringFromSelector(sel));
    
    if (sel == @selector(sayHappy)) {
        IMP sayNBImp     = class_getMethodImplementation(objc_getMetaClass("LGTeacher"), @selector(sayScott));
        Method method    = class_getInstanceMethod(objc_getMetaClass("LGTeacher"), @selector(sayScott));
        const char *type = method_getTypeEncoding(method);
        return class_addMethod(objc_getMetaClass("LGTeacher"), sel, sayNBImp, type);
    }

    return [super resolveClassMethod:sel];
}
@end
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和类方法的处理方式最大的不同是，不是从self里面获取，而是从objc_getMetaClass("LGTeacher")元类里面获取。运行结果：

执行了sayScott方法，也就是imp处理成功。

再次执行`resolveInstanceMethod`的原因

在else判断里面，执行了resolveClassMethod方法后，接下来还得执行一个关于inst是否存在的判断if (!lookUpImpOrNilTryCache(inst, sel, cls))，最后再执行了一次实例方法动态处理imp的方法resolveInstanceMethod，这是为什么了？

因为，这是为了判断当前的类里面，是否存在resolveInstanceMethod方法。

根据isa的走位图(详情见：补充2)，可以知道，类里面的类方法，在元类里面是以实例方法存储的。那么在类里面是以类方法通过resolveClassMethod方法动态处理imp，同时还可以在元类里面，以实例方法通过resolveInstanceMethod方法动态处理imp。这就是为什么要再次执行resolveInstanceMethod方法的原因。

类方法动态决议小结

当查找不到某类方法时，lookUpImpOrForward()返回imp为nil，然后就进入到一个单利的判断里面，执行resolveMethod_locked();
在resolveMethod_locked()里面，执行else判断部分，进行动态处理imp，处理的操作，首先是对类里面的类方法进行查询，执行resolveClassMethod方法，当完成imp的动态处理之后，还要进行元类的查询处理。
因为类里面执行类方法，就等同于在元类里面执行实例方法，所以判断inst是否存在，如果存在，就要再次调用resolveInstanceMethod方法，在元类里面再处理一次。
当判断完resolveInstanceMethod正确执行后，bool resolved，当执行成功之后，返回到lookUpImpOrNilTryCache()里面，再次查找，有了imp，就能找到并返回对应方法。

用`NSObject分类`囊括`实例方法`和`类方法`的动态处理`imp`

既然在处理实例方法和类方法，都是要用到这个，而NSObject类是跟父类，那么直接就可以用NSObject的分类来实现：

#import "NSObject+LG.h"
#import <objc/message.h>

@implementation NSObject (LG)

- (void)sayNB{
    NSLog(@"%@ - %s",self , __func__);
}

+ (void)sayScott{
    NSLog(@"%@ - %s",self , __func__);
}

#pragma clang diagnostic push
// 让编译器忽略错误
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"


+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{

    NSLog(@"resolveInstanceMethod :%@-%@",self,NSStringFromSelector(sel));

    if (sel == @selector(say666)) {
        IMP sayNBImp     = class_getMethodImplementation(self, @selector(sayNB));
        Method method    = class_getInstanceMethod(self, @selector(sayNB));
        const char *type = method_getTypeEncoding(method);
        return class_addMethod(self, sel, sayNBImp, type);
    }else  if (sel == @selector(sayHappy)) {
        IMP sayNBImp     = class_getMethodImplementation(objc_getMetaClass("LGTeacher"), @selector(sayScott));
        Method method    = class_getInstanceMethod(objc_getMetaClass("LGTeacher"), @selector(sayScott));
        const char *type = method_getTypeEncoding(method);
        return class_addMethod(objc_getMetaClass("LGTeacher"), sel, sayNBImp, type);
    }
    return NO;
}
@end
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这样就能一步到位了。

补充

`补充1`、位运算`单利`的计算过程

为什么说一个单利了？

behavior是由lookUpImpOrForward()传入的，根据其底层汇编，知道，behavior = 3；

再来看LOOKUP_RESOLVER，是个枚举值，LOOKUP_RESOLVER = 2：

带入到if判断里面去运算，behavior = behavior & LOOKUP_RESOLVER = 3 & 2 = 2，接着再进入判断里面运算，behavior ^= LOOKUP_RESOLVER 转化下就behavior = behavior ^ LOOKUP_RESOLVER = 2 ^ 2 = 0。当behavior = 0之后，下次再执行这个判断时，behavior & 任何数，都是为0的，所以，就再也进入不了判断里面，也就是只执行了一次。behavior标记当前的行为是LOOKUP_RESOLVER。

以behavior的传值为线索，进入resolveMethod_locked()，再进入lookUpImpOrForwardTryCache()，会看到

IMP lookUpImpOrNilTryCache(id inst, SEL sel, Class cls, int behavior)
{
//---- 此处可以看到，behavior | LOOKUP_NIL是再次动态默认赋值，意味着当前是一个新的操作，behavior的行为被标记为LOOKUP_NIL
    return _lookUpImpTryCache(inst, sel, cls, behavior | LOOKUP_NIL);
}
复制代码

这个位运算的判断，就是一个标记的过程。

`补充2`、执行`两次`的原因

在调用say666方法时，找不到该实例方法，动态处理imp时，执行resolveInstanceMethod方法时，打印了两次。

在objc底层中，不存在类方法，只有实例方法，类方法是在OC层才有的，所以，在OC层中，类方法是以实例方法的形式存储在元类当中。根据苹果官网给的isa走位图可以看出：
isa流程图.png
类调用实例方法，查找的方式可以是从本类，再到父类这样进行一次查找，还能在元类到父元类这样一次查找，最后，都是到达NSObject，所以执行了两次。