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iOS開發RunTime之函數調用

編輯：IOS開發綜合

文章來自小笨狼的iOS博客，一直覺得csdn的博客UI不太好看，看博客不太爽，所以自己搭建了一個博客。歡迎各位去鏈接中看我的博客。也歡迎大家加QQ群討論iOS技術問題

經過兩個多月的面試，工作終於塵埃落定了。這兩個多月的面試過程中，我發現很多底層基礎的東西大公司非常看重。比如：RunLoop，RunTime，Block等。這篇文章主要是介紹RunTime中函數調用的機制，知識點有一定深度，也是面試過程中能力的體現。

1.Objective-C中的函數調用

對於C語言，函數調用是由編譯器直接轉化完成的，在編譯時程序就開始查找要執行的函數(C語言函數調用原理)。而在OC中，我們將函數調用稱為消息發送。在編譯時程序不查找要執行的函數，必須等到真正運行時，程序才查找要執行的函數。

例子：在C語言中，僅申明一個函數，不去實現。其他地方調用此函數。編譯時就會報錯(C語言編譯時查找要執行的函數，找不到所以報錯)。而同樣的情況在OC中並不會報錯，只有在運行時候才會報錯。(OC運行時才查找要執行的函數)

2.Objective-C函數調用的底層實現

Objective-C之所以能做到運行時才查找要執行的函數主要歸功於runTime的SDK。下面我們來看看Objective-C是怎麼讓程序擁有運行時特性的。
在runTime的SDK下有一個objc_msgSend()的方法

OBJC_EXPORT id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

當我們寫下一行代碼[obj doSth];，在編譯時，編譯器會將我們的代碼轉化為

    objc_msgSend(obj,@selector(doSth));

objc_msgSend()方法實現了函數查找和匹配，下面是它的原理：

根據對象obj找到對象類中存儲的函數列表methodLists。
再根據SEL@selector(doSth)在methodLists中查找對應的函數指針method_imp。
根據函數指針method_imp調用響應的函數。
3.objc_msgSend的實現細節

前面我們只是簡單的介紹了objc_msgSend()的原理，下面我們來詳細看看objc_msgSend是怎麼實現的。
首先對於任意一個NSObject對象下面都有一個isa的屬性，指向對象對應的Class類
```
@interface NSObject  {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
```
根據對象調用即可拿到對應的Class。下面我們來看看Class
```
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class isa; // 指向metaclass  

    Class superclass;  // 指向父類Class
    const char *name;  // 類名 
    uint32_t version;  // 類的版本信息
    uint32_t info;        // 一些標識信息，標明是普通的Class還是metaclass
    uint32_t instance_size;        // 該類的實例變量大小(包括從父類繼承下來的實例變量);
    struct old_ivar_list *ivars;    //類中成員變量的信息
    struct old_method_list **methodLists;    類中方法列表
    Cache cache;    查找方法的緩存，用於提升效率
    struct old_protocol_list *protocols;  // 存儲該類遵守的協議  
}
```
由上面的代碼我們能看到Class是一個結構體指針，指向objc_class結構體。在objc_class中存放著methodLists方法列表。所以根據Class我們可以直接找到methodLists
下面我們來看看怎麼從methodLists中找到對應的函數指針
```
struct old_method_list {
    void *obsolete;        //廢棄的屬性
    int method_count;    //方法的個數
    /* variable length structure */
    struct old_method method_list[1];    方法的首地址
};

struct old_method {
    SEL method_name;    //方法對應的SEL
    char *method_types;        //方法的類型
    IMP method_imp;        //方法對應的函數指針
};
```
對於old_method_list結構體，他存儲了old_method方法個數和方法首地址。我們可以把他當做一個可變長度的old_method數組。

開始我也不明白為什麼是method_list[1]，數組的大小怎麼會是1呢？後來才想通由於數組的大小是不定的，不同的類對應的不同的方法個數。所以定義時只存儲首地址，在實際使用過程中再擴展長度

對於old_method結構體，他由SEL，type，IMP三個成員組成。由此可知，我們只要在method_list中找到了old_method即可拿到函數指針IMP。下面是查找的代碼：
```
static inline old_method *_findMethodInList(old_method_list * mlist, SEL sel) {
    int i;
    if (!mlist) return nil;
    for (i = 0; i < mlist->method_count; i++) {
        old_method *m = &mlist->method_list[i];
        if (m->method_name == sel) {
            return m;
        }
    }
    return nil;
}
```
1. 查找函數是個內聯函數，傳入old_method_list和SEL，返回old_method
2. 首先對old_method_list數組判空，如果為空，返回nil
3. 遍歷old_method_list數組，根據SEL匹配，找到old_method
  4.函數調用的性能優化
  
  上面部分我們已經講完了函數調用的基本過程。在看完上面部分之後大家可能會有疑惑：Objective-C的函數調用是如此的復雜，會不會導致運行起來非常慢呢？畢竟每調用一個函數都要走這麼多過程。
  別急，其實在調用的過程中蘋果對其做了一些性能優化，使得其調用並不比C語言很多。下面我們來具體看看做了哪些性能優化：
  
  4.1 SEL的使用
  
  大家可能早就有疑惑了，前面一直在說SEL，SEL到底是個什麼東西？
```
/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;
```
  蘋果對SEL的官方解釋是：一種不透明的類型，它代表著一個方法選擇器。
  SEL本質其實是一個int類型的地址，指向存儲的方法名。對於每一個類，都會分配一塊特殊空空間，專門存儲類中的方法名，SEL就是指向對應方法名的地址。由於方法名字符串是唯一的，所以SEL也是唯一的。
  為什麼不直接使用方法名而使用SEL呢？這個問題沒有找到比較官方的資料，個人認為由於方法名是字符串，SEL是int類型，使用時int類型更方便，效率更高（特別是比較相等時，字符串的比較比int的比較效率低很多）
  
  4.2 cache的使用
  
  我們來仔細分析一下函數的調用過程：
```
obj->isa->methodLists
old_method->method_imp
```
  1. 由於isa是obj的成員變量，methodLists是isa的成員變量，所以用obj可以直接拿到methodLists
  2. 由於method_imp是old_method的成員變量，所以用old_method可以直接拿到method_imp
    所以函數調用過程的主要時間消耗在methodLists中查找old_method。
    cache就是用來優化這個查找過程的。
    我們可以把cache簡單當成一個哈希表，key是SEL，Value是old_method。由此可知，從cache中查找old_method相當簡單高效。
    從methodLists中查找old_method的真正過程分為如下兩步：
    1. 通過SEL在cache中查找old_method，若找到了直接返回，若未找到執行2
    2. 在methodLists中查找old_method，找到之後先將old_method插入cache中以方便下次查找，再返回old_method
      由此可知，在第一次調用某個函數時，會比較慢，因為cache中沒有這個函數，第二次調用時就會非常快了
      
      總結
      
      這篇文章主要是講Objective-C中函數調用的過程，其他不太相關的東西就被忽略了，例如objc_class結構體中其他成員變量作用，本類中查找不到函數怎麼去父類中查找，如果沒有找到函數怎麼辦？這些問題我可能後續還會有文章介紹，現在暫時先寫到這吧。如果有人想要了解可以在評論區提問或者加QQ群討論。大家有什麼異議的地方也可以和我說