摘要

只要用到Objective-C，我們每天都會跟方法調用打交道。我們都知道Objective-C的方法決議是動態的，但是在底層一個方法究竟是怎么找到的，方法緩存又是怎么運作的卻鮮為人知。本文主要從源碼角度探究了Objective-C在runtime層的方法決議（Method resolving）過程和方法緩存（Method cache）的實現。

簡介

本文作者來自美團酒店旅游事業群iOS研發組。我們致力于創造價值、提升效率、追求卓越。歡迎大家加入我們（簡歷請發送到郵箱 majia03@meituan.com ）。

本文系學習Objective-C的runtime源碼時整理所成，主要剖析了Objective-C在runtime層的方法決議過程和方法緩存，內容包括：

• 從消息決議說起
• 緩存為誰而生
• 追本溯源，何為方法緩存
• 緩存和散列
• 十萬個為什么
• 緩存 - 性能優化的萬金油？
• 優化，永無止境

從消息決議說起

我們都知道，在Objective-C里調用一個方法是這樣的：

[object methodA];

這表示我們想去調用object的methodA。
但是在Objective-C里面調用一個方法到底意味著什么呢，是否和C++一樣，任何一個非虛方法都會被編譯成一個唯一的符號，在調用的時候去查找符號表，找到這個方法然后調用呢？
答案是否定的。在Objective-C里面調用一個方法的時候，runtime層會將這個調用翻譯成

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

而objc_msgSend具體又是如何分發的呢？ 我們來看下runtime層objc_msgSend的源碼。
在objc-msg-arm.s中，objc_msgSend的代碼如下：
（ps：Apple為了高度優化objc_msgSend的性能，這個文件是匯編寫成的，不過即使我們不懂匯編，詳盡的注釋也可以讓我們一窺其真面目）

ENTRY objc_msgSend # check whether receiver is nil teq a1, #0beq LMsgSendNilReceiver# save registers and load receiver's class for CacheLookup stmfd sp!, {a4,v1} ldr v1, [a1, #ISA]# receiver is non-nil: search the cache CacheLookup a2, v1, LMsgSendCacheMiss# cache hit (imp in ip) and CacheLookup returns with nonstret (eq) set, restore registers and call ldmfd sp!, {a4,v1} bx ip# cache miss: go search the method lists LMsgSendCacheMiss: ldmfd sp!, {a4,v1} b _objc_msgSend_uncachedLMsgSendNilReceiver:mov a2, #0bx lrLMsgSendExit: END_ENTRY objc_msgSendSTATIC_ENTRY objc_msgSend_uncached# Push stack frame stmfd sp!, {a1-a4,r7,lr} add r7, sp, #16# Load class and selector ldr a3, [a1, #ISA] /* class = receiver->isa */ /* selector already in a2 */ /* receiver already in a1 */# Do the lookup MI_CALL_EXTERNAL(__class_lookupMethodAndLoadCache3) MOVE ip, a1# Prep for forwarding, Pop stack frame and call imp teq v1, v1 /* set nonstret (eq) */ ldmfd sp!, {a1-a4,r7,lr} bx ip

從上述代碼中可以看到，objc_msgSend（就arm平臺而言）的消息分發分為以下幾個步驟：

• 判斷receiver是否為nil，也就是objc_msgSend的第一個參數self，也就是要調用的那個方法所屬對象

• 從緩存里尋找，找到了則分發，否則

• 利用objc-class.mm中_class_lookupMethodAndLoadCache3（為什么有個這么奇怪的方法。本文末尾會解釋）方法去尋找selector

  • 如果支持GC，忽略掉非GC環境的方法（retain等）
  • 從本class的method list尋找selector，如果找到，填充到緩存中，并返回selector，否則
  • 尋找父類的method list，并依次往上尋找，直到找到selector，填充到緩存中，并返回selector，否則
  • 調用_class_resolveMethod，如果可以動態resolve為一個selector，不緩存，方法返回，否則
  • 轉發這個selector，否則

• 報錯，拋出異常

緩存為誰而生

從上面的分析中我們可以看到，當一個方法在比較“上層”的類中，用比較“下層”（繼承關系上的上下層）對象去調用的時候，如果沒有緩存，那么整個查找鏈是相當長的。就算方法是在這個類里面，當方法比較多的時候，每次都查找也是費事費力的一件事情。
考慮下面的一個調用過程：

for ( int i = 0; i < 100000; ++i) {MyClass *myObject = myObjects[i];[myObject methodA]; }

當我們需要去調用一個方法數十萬次甚至更多地時候，查找方法的消耗會變的非常顯著。
就算我們平常的非大規模調用，除非一個方法只會調用一次，否則緩存都是有用的。在運行時，那么多對象，那么多方法調用，節省下來的時間也是非常可觀的。

追本溯源，何為方法緩存

本著源碼面前，了無秘密的原則，我們看下源碼中的方法緩存到底是什么，在objc-cache.mm中，objc_cache的定義如下：

struct objc_cache {uintptr_t mask; /* total = mask + 1 */uintptr_t occupied; cache_entry *buckets[1]; };

嗯，objc_cache的定義看起來很簡單，它包含了下面三個變量：
1)、mask：可以認為是當前能達到的最大index（從0開始的），所以緩存的size（total）是mask+1
2)、occupied：被占用的槽位，因為緩存是以散列表的形式存在的，所以會有空槽，而occupied表示當前被占用的數目
3)、buckets：用數組表示的hash表，cache_entry類型，每一個cache_entry代表一個方法緩存
(buckets定義在objc_cache的最后，說明這是一個可變長度的數組)

而cache_entry的定義如下：

typedef struct {SEL name; // same layout as struct old_methodvoid *unused;IMP imp; // same layout as struct old_method } cache_entry;

cache_entry定義也包含了三個字段，分別是：
1)、name，被緩存的方法名字
2)、unused，保留字段，還沒被使用。
3)、imp，方法實現

緩存和散列

緩存的存儲使用了散列表。
為什么要用散列表呢？因為散列表檢索起來更快，我們來看下是方法緩存如何散列和檢索的：

// Scan for the first unused slot and insert there. // There is guaranteed to be an empty slot because the // minimum size is 4 and we resized at 3/4 full. buckets = (cache_entry **)cache->buckets; for (index = CACHE_HASH(sel, cache->mask); buckets[index] != NULL; index = (index+1) & cache->mask) {// empty } buckets[index] = entry;

這是往方法緩存里存放一個方法的代碼片段，我們可以看到sel被散列后找到一個空槽放在buckets中，而CACHE_HASH的定義如下：

#define CACHE_HASH(sel, mask) (((uintptr_t)(sel)>>2) & (mask))

這段代碼就是利用了sel的指針地址和mask做了一下簡單計算得出的。
而從散列表取緩存則是利用匯編語言寫成的（是為了高度優化objc_msgSend而使用匯編的）。我們看objc-msg-arm.mm 里面的CacheLookup方法：

.macro CacheLookup /* selReg, classReg, missLabel */MOVE r9, $0, LSR #2 /* index = (sel >> 2) */ldr a4, [$1, #CACHE] /* cache = class->cache */add a4, a4, #BUCKETS /* buckets = &cache->buckets *//* search the cache */ /* a1=receiver, a2 or a3=sel, r9=index, a4=buckets, $1=method */ 1:ldr ip, [a4, #NEGMASK] /* mask = cache->mask */and r9, r9, ip /* index &= mask */ldr $1, [a4, r9, LSL #2] /* method = buckets[index] */teq $1, #0 /* if (method == NULL) */add r9, r9, #1 /* index++ */beq $2 /* goto cacheMissLabel */ldr ip, [$1, #METHOD_NAME] /* load method->method_name */teq $0, ip /* if (method->method_name != sel) */bne 1b /* retry *//* cache hit, $1 == method triplet address */ /* Return triplet in $1 and imp in ip */ldr ip, [$1, #METHOD_IMP] /* imp = method->method_imp */.endmacro

雖然是匯編，但是注釋太詳盡了，理解起來并不難，還是求hash，去buckets里找，找不到按照hash沖突的規則繼續向下，直到最后。

十萬個為什么

了解了方法緩存的定義之后，我們提出幾個問題并一一解答

• 方法緩存存在什么地方？
  讓我們去翻看類的定義，在Objective-C 2.0中，Class的定義大致是這樣的（見objc-runtime.mm）

  struct _class_t {struct _class_t *isa;struct _class_t *superclass;void *cache;void *vtable;struct _class_ro_t *ro;};

  我們看到在類的定義里就有cache字段，沒錯，類的所有緩存都存在metaclass上，所以每個類都只有一份方法緩存，而不是每一個類的object都保存一份。

• 父類方法的緩存只存在父類么，還是子類也會緩存父類的方法？
  在第一節對objc_msgSend的追溯中我們可以看到，即便是從父類取到的方法，也會存在類本身的方法緩存里。而當用一個父類對象去調用那個方法的時候，也會在父類的metaclass里緩存一份。

• 類的方法緩存大小有沒有限制？
  要回答這個問題，我們需要再看一下源碼，在objc-cache.mm有一個變量定義如下：

  /* When _class_slow_grow is non-zero, any given cache is actually grown* only on the odd-numbered times it becomes full; on the even-numbered* times, it is simply emptied and re-used. When this flag is zero,* caches are grown every time. */static const int _class_slow_grow = 1;

  其實不用再看進一步的代碼片段，僅從注釋我們就可以看到問題的答案。注釋中說明，當_class_slow_grow是非0值的時候，只有當方法緩存第奇數次滿（使用的槽位超過3/4）的時候，方法緩存的大小才會增長（會清空緩存，否則hash值就不對了）；當第偶數次滿的時候，方法緩存會被清空并重新利用。 如果_class_slow_grow值為0，那么每一次方法緩存滿的時候，其大小都會增長。
  所以單就問題而言，答案是沒有限制，雖然這個值被設置為1，方法緩存的大小增速會慢一點，但是確實是沒有上限的。

• 為什么類的方法列表不直接做成散列表呢，做成list，還要單獨緩存，多費事？
  這個問題么，我覺得有以下三個原因：

  • 散列表是沒有順序的，Objective-C的方法列表是一個list，是有順序的；Objective-C在查找方法的時候會順著list依次尋找，并且category的方法在原始方法list的前面，需要先被找到，如果直接用hash存方法，方法的順序就沒法保證。
  • list的方法還保存了除了selector和imp之外其他很多屬性
  • 散列表是有空槽的，會浪費空間

緩存 - 性能優化的萬金油？

非也，就算有了有了Objective-C本身的方法緩存，我們還是有很多調用方法的優化空間，對于這件事情，這篇文章講的非常詳細，大家可以自行移步觀摩http://www.mulle-kybernetik.com/artikel/Optimization/opti-3-imp-deluxe.html?（強烈推薦，雖然我們一般不會遇到需要這么強度優化的地方，但是這種精神和思想是值得我們學習的）

優化，永無止境

在文章末尾，我們再來回答一下第一節提出的問題：“為什么會有_class_lookupMethodAndLoadCache3這個方法？”
這個方法的實現如下所示：

/*********************************************************************** * _class_lookupMethodAndLoadCache. * Method lookup for dispatchers ONLY. OTHER CODE SHOULD USE lookUpImp(). * This lookup avoids optimistic cache scan because the dispatcher * already tried that. **********************************************************************/ IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls) {return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/); }

如果單純看方法名，這個方法應該會從緩存和方法列表中查找一個方法，但是如第一節所講，在調用這個方法之前，我們已經是從緩存無法找到這個方法了，所以這個方法避免了再去掃描緩存查找方法的過程，而是直接從方法列表找起。從Apple代碼的注釋，我們也完全可以了解這一點。不顧一切地追求完美和性能，是一種品質。

后記

本文是Objective-C runtime源碼研究的第二篇，主要對Objective-C的方法決議和方法緩存做了剖析。runtime的源代碼可以在?http://www.opensource.apple.com/tarballs/?下載。如有錯誤，敬請指正。

from:?http://tech.meituan.com/DiveIntoMethodCache.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解Objective-C：方法缓存的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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