iOS-底層原理 19：類擴充與關聯對象底層原理探索

iOS 底層原理文章彙總

本文的主要目的是針對類的加載的一個擴充，主要講講類拓展和分類的底層實作原理

【面試題】類擴充與分類的差別

1、category 類别、分類

專門用來給類添加新的方法
不能給類添加成員屬性 ，添加了成員屬性，也無法取到
注意：其實 可以通過runtime 給分類添加屬性 ，即屬性關聯，重寫setter、getter方法
分類中用 @property 定義變量， 隻會生成 變量的 setter、getter 方法的 聲明 ， 不能生成方法實作和帶下劃線的成員變量

2、extension 類擴充

可以說成是 特殊的分類 ，也可稱作 匿名分類
可以 給類添加成員屬性 ，但 是是私有變量
可以 給類添加方法 ，也 是私有方法

類擴充底層原理探索

類的擴充有兩種建立方式

直接在 類中書寫 ：永遠 在聲明之後，在實作之前 （需要在 .m檔案 中書寫）
通過 command+N 建立 -> Objective-C File -> 選擇 Extension

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類擴充的的本質

通過clang底層編譯

寫一個類擴充

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通過 clang -rewrite-objc main.mm -o main.cpp 指令生成cpp檔案，打開cpp檔案，搜尋 ext_name 屬性

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檢視 LGTeacher 類拓展的方法，在 編譯過程 中，方法就直接添加到了 methodlist 中，作為類的一部分，即 編譯時期直接添加到本類 裡面

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通過源碼調試探索

建立 LGPerson+LGEXT.h 即類的擴充，并聲明兩個方法

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在 LGperon.m 中實作這兩個方法

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運作 objc 源碼程式，在 readClass 中斷住，檢視kc_ro

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- p kc_ro->baseMethodList
- p $0->get(0) ~ p $0->get(10)
  
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總結

類的擴充在編譯器會作為類的一部分，和類一起編譯進來
類的擴充 隻是 聲明 ， 依賴于目前的主類 ，沒有.m檔案，可以了解為一個 ·h檔案

分類關聯對象底層原理探索

其底層原理的實作，主要分為兩部分：

通過 objc_setAssociatedObject 設值流程
通過 objc_getAssociatedObject 取值流程

關聯對象-設值流程

在 分類LG 中重寫屬性 cate_name 的 set、get 方法，通過 runtime 的屬性關聯方法實作

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運作程式，斷點斷在 main 中 cate_name 指派處

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繼續往下運作，斷在分類的 setCate_name 方法中

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其中 objc_setAssociatedObject 方法有四個參數，分别表示：
- 參數1：要關聯的對象，即給誰添加關聯屬性
- 參數2：辨別符，友善下次查找
- 參數3：value
- 參數4：屬性的 政策 ，即nonatomic、atomic、assign等，如下所示
  
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進入 objc_setAssociatedObject 源碼實作
- 這種設計模式屬于是 接口模式 ，對外的接口不變，内部的邏輯變化不影響外部的調用，類似于 set 方法的底層源碼實作
  
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進入 get 方法實作，其中 ChainedHookFunction 是一個 函數指針

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- 進入 SetAssocHook ，其底層實作是 _base_objc_setAssociatedObject ，類型是 ChainedHookFunction
  
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  是以可以了解為 SetAssocHook.get() 等價于 _base_objc_setAssociatedObject

void
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
{
    SetAssocHook.get()(object, key, value, policy);//接口模式，對外接口始終不變
}

👇等價于

void
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
{
    _base_objc_setAssociatedObject(object, key, value, policy);//接口模式，對外接口始終不變
}

進入 _base_objc_setAssociatedObject 源碼實作： _base_objc_setAssociatedObject -> _object_set_associative_reference ，通過斷點調試，确實會來到這裡

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_object_set_associative_reference 方法

進入

_object_set_associative_reference

源碼實作

關于關聯對象底層原理的探索主要是看

value存

到了哪裡，以及如何

取出value

，以下是源碼

void
_object_set_associative_reference(id object, const void *key, id value, uintptr_t policy)
{
    // This code used to work when nil was passed for object and key. Some code
    // probably relies on that to not crash. Check and handle it explicitly.
    // rdar://problem/44094390
    if (!object && !value) return;

    if (object->getIsa()->forbidsAssociatedObjects())
        _objc_fatal("objc_setAssociatedObject called on instance (%p) of class %s which does not allow associated objects", object, object_getClassName(object));
    //object封裝成一個數組結構類型，類型為DisguisedPtr
    DisguisedPtr<objc_object> disguised{(objc_object *)object};//相當于包裝了一下 對象object,便于使用
    // 包裝一下 policy - value
    ObjcAssociation association{policy, value};

    // retain the new value (if any) outside the lock.
    association.acquireValue();//根據政策類型進行處理
    //局部作用域空間
    {
        //初始化manager變量，相當于自動調用AssociationsManager的析構函數進行初始化
        AssociationsManager manager;//并不是全場唯一，構造函數中加鎖隻是為了避免重複建立，在這裡是可以初始化多個AssociationsManager變量的
    
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());//AssociationsHashMap 全場唯一

        if (value) {
            auto refs_result = associations.try_emplace(disguised, ObjectAssociationMap{});//傳回的結果是一個類對
            if (refs_result.second) {//判斷第二個存不存在，即bool值是否為true
                /* it's the first association we make 第一次建立關聯*/
                object->setHasAssociatedObjects();//nonpointerIsa ，标記位true
            }

            /* establish or replace the association 建立或者替換關聯*/
            auto &refs = refs_result.first->second; //得到一個空的桶子，找到引用對象類型,即第一個元素的second值
            auto result = refs.try_emplace(key, std::move(association));//查找目前的key是否有association關聯對象
            if (!result.second) {//如果結果不存在
                association.swap(result.first->second);
            }
        } else {//如果傳的是空值，則移除關聯，相當于移除
            auto refs_it = associations.find(disguised);
            if (refs_it != associations.end()) {
                auto &refs = refs_it->second;
                auto it = refs.find(key);
                if (it != refs.end()) {
                    association.swap(it->second);
                    refs.erase(it);
                    if (refs.size() == 0) {
                        associations.erase(refs_it);

                    }
                }
            }
        }
    }

    // release the old value (outside of the lock).
    association.releaseHeldValue();//釋放
}

通過源碼可知，主要分為以下幾部分：

1：建立一個 AssociationsManager 管理類
2：擷取 唯一 的全局靜态哈希 Map：AssociationsHashMap
3：判斷是否插入的 關聯值value 是否存在
- 3.1：存在走第4步
- 3.2：不存在就走 : 關聯對象-插入空流程
4：通過 try_emplace 方法，并建立一個空的 ObjectAssociationMap 去取查詢的鍵值對：
5：如果發現 沒有 這個 key 就 插入一個空的 BucketT 進去并傳回true
6：通過 setHasAssociatedObjects 方法 标記對象存在關聯對象 即置 isa指針 的 has_assoc 屬性為 true
7：用目前 policy 和 value 組成了一個 ObjcAssociation 替換原來 BucketT 中的空
8：标記一下 ObjectAssociationMap 的 第一次 為 false

設定流程源碼調試

定義 AssociationsManager 類型的變量，相當于自動調用 AssociationsManager 的析構函數進行初始化
- 加鎖lock，并不代表唯一，隻是為了避免多線程重複建立，其實在外面是可以定義多個 AssociationsManager manager; 的
定義 AssociationsHashMap 類型的哈希map，這個全場唯一的，從哪裡可以展現呢？
- 通過 _mapStorage.get() 生成哈希map，其中 _mapStorage 是一個靜态變量，是以 哈希map 永遠是通過靜态變量擷取出來 的，是以是 全場唯一 的
  
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通過調試，可以檢視目前的資料結構
- p disguised :其中的value是來自object 還原出來的
- p association
- p manager
- p associations :目前的 associations 為 0x0 ,表示還沒有查找到相應的遞歸查找域中
  
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走到局部作用域的if判斷，此時的 value 是有值的，為 KC

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- 如果傳入的 value是空值 ，走到局部作用域的 else流程 ，通過源碼可知，相當于 移除關聯
  
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繼續往下執行，檢視 refs_result – p refs_result，其中的類型資料非常多，可以進行拆解檢視
- associations 調用 try_emplace 方法，傳入一個對象 disguised 和一個空的關聯map ObjectAssociationMap{}
  
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//pair -- 表示有鍵值對
(std::__1::pair<
 objc::DenseMapIterator<DisguisedPtr<objc_object>,
 
 objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> >,
 
 objc::DenseMapValueInfo<objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> > >,
 
 objc::DenseMapInfo<DisguisedPtr<objc_object> >,
 
 objc::detail::DenseMapPair<DisguisedPtr<objc_object>, objc::DenseMap<const void *, objc::ObjcAssociation, objc::DenseMapValueInfo<objc::ObjcAssociation>, objc::DenseMapInfo<const void *>, objc::detail::DenseMapPair<const void *, objc::ObjcAssociation> > >,
 
 false>,
 
 bool>)

//可以簡寫為

(std::__1::pair<
 
 objc
 
bool>)

進入 try_emplace 方法的源碼實作
- 有兩個傳回，都是通過 std::make_pair 生成相應的鍵值對
- 通過 LookupBucketFor 方法 查找桶子 ，如果map中已經 存在 ，則 直接傳回 ，其中 make_pair 的第二個參數 bool值為false
- 如果沒 有找到 ，則通過 InsertIntoBucket 插入map，其中 make_pair 的第二個參數 bool值為true
  
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進入 LookupBucketFor 源碼，有兩個同名方法，其中第二個方法屬于重載函數，差別于第一個的是第二個參數沒有const修飾，通過調試可知，外部的調用是調用的第二個重載函數，而第二個 LookupBucketFor 方法，内部的實作是調用第一個 LookupBucketFor 方法

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- 第一個 LookupBucketFor 方法源碼實作
  
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- 第二個 LookupBucketFor 方法的源碼實作
  
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斷點運作至 try_emplace 方法中的擷取bucket部分 TheBucket = InsertIntoBucket(TheBucket, Key, std::forward<Ts>(Args)...);
- p TheBucket
  
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  其中 TheBucket 的類型與 refs_result 中屬性的類型是一緻
  
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進入 if (refs_result.second) 的if流程，通過 setHasAssociatedObjects 将 nonpointerIsa 的 has_assoc 标記為 true

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繼續往下執行，檢視 refs
- p refs ,執行 try_emplace 前檢視
- p refs ,執行 try_emplace 後檢視
  
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  第一次執行 try_emplace 插入的是一個空桶，還沒有值，第二次執行第一次執行 try_emplace 才插入值，即往空桶中插入 ObjectAssociationMap（value，policy） ，傳回true，可以通過調試驗證
  
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p result.second ,傳回的true，到此就将屬性與value關聯上了

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是以，關聯對象的設值圖示如下，有點類似于cache_t中的insert方法插入sel-imp的邏輯，如下圖所示

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屬性關聯涉及的哈希map結構

是以到目前為止，關聯屬性涉及的map結構如下

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AssociationsManager 可以有多個，通過 AssociationsManagerLock 鎖可以得到一個 AssociationsHashMap 類型的map
map中有很多的關聯對象map，類型是 ObjectAssociationMap ，其中key為 DisguisedPtr<objc_object> ，例如LGPerson會對應一個 ObjectAssociationMap ，LGTeacher也會對應一個 ObjectAssociationMap

typedef DenseMap<DisguisedPtr<objc_object>, ObjectAssociationMap> AssociationsHashMap;

ObjectAssociationMap 哈希表中有很多 key-value 鍵值對，其中 key 的類型為 const void * ， value 的類型為 ObjcAssociation

typedef DenseMap<const void *, ObjcAssociation> ObjectAssociationMap;

其中 ObjcAssociation 是用于包裝policy和value的一個類

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對象插入空流程

根據源碼可知，主要是局部作用域中的

else流程

，其實這個流程可以通俗的了解為

當傳入的value為nil時，則移除關聯

，主要分為以下幾步：

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1、根據 DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap 中的 iterator 疊代查詢器
2、清理疊代器
3、其實如果插入空置相當于清除

關聯對象-取值流程

main中列印 person.cate_name 的值，斷點來到分類中重寫的屬性 get 方法

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進入 objc_getAssociatedObject 源碼實作

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_object_get_associative_reference方法

其源碼實作如下：

id
_object_get_associative_reference(id object, const void *key)
{
    ObjcAssociation association{};//建立空的關聯對象

    {
        AssociationsManager manager;//建立一個AssociationsManager管理類
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());//擷取全局唯一的靜态哈希map
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find((objc_object *)object);//找到疊代器，即擷取buckets
        if (i != associations.end()) {//如果這個疊代查詢器不是最後一個 擷取
            ObjectAssociationMap &refs = i->second; //找到ObjectAssociationMap的疊代查詢器擷取一個經過屬性修飾符修飾的value
            ObjectAssociationMap::iterator j = refs.find(key);//根據key查找ObjectAssociationMap，即擷取bucket
            if (j != refs.end()) {
                association = j->second;//擷取ObjcAssociation
                association.retainReturnedValue();
            }
        }
    }

    return association.autoreleaseReturnedValue();//傳回value
}

通過源碼可知，主要分為以下幾部分

1：建立一個 AssociationsManager 管理類
2：擷取唯一的全局靜态哈希Map： AssociationsHashMap
3：通過 find 方法根據 DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap 中的 iterator 疊代查詢器
4：如果這個疊代查詢器不是最後一個擷取 : ObjectAssociationMap (policy和value)
5：通過 find 方法找到 ObjectAssociationMap 的疊代查詢器擷取一個經過屬性修飾符修飾的 value
6：傳回 value

調試取值流程

，接着上一步調試，進入 _object_get_associative_reference 源碼實作
- 進入 find 方法：根據關聯對象疊代查找 AssociationsHashMap ，即 buckets
  
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- p i
- p i->second
  
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再次通過 find 方法，在 buckets 中查找與key配對的 bucket
- find 方法執行之前， j 的列印，此時的 value為nil
  
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- find 方法查詢之後， j 的列印，此時的 value 為KC
  
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總結

是以，綜上所述，是以

關聯對象的底層調用流程

如下圖所示

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總的來說，

關聯對象

主要就是

兩層哈希map的處理

，即存取時都是兩層處理，類似于二維數組

補充

AssociationsHashMap 唯一性驗證

驗證 AssociationsHashMap 的唯一性，而 AssociationsManager 不唯一
- 去掉 AssociationsManager 中的加鎖
  
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- 在 _object_set_associative_reference 方法中再次定義一遍 manager 和 associations
  
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- 下面是調試運作的結果，從下圖中可以看出兩個 association 的位址是一樣的，驗證了其唯一性
  
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加鎖的目的：保證 對象的安全性，防止沖突

AssociationsManager manager;

👇等價于

AssociationsManager();

lock();

...

unlock();//作用域之後unlock

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【面試題】類擴充與分類的差別

類擴充底層原理探索

類擴充的的本質

通過clang底層編譯

通過源碼調試探索

總結

分類關聯對象底層原理探索

關聯對象-設值流程

_object_set_associative_reference 方法

對象插入空流程

關聯對象-取值流程

_object_get_associative_reference方法

總結

補充

AssociationsHashMap 唯一性驗證

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【面試題】類擴充 與 分類 的差別

類擴充 底層原理探索

類擴充的的本質

通過clang底層編譯

通過源碼調試探索

總結

分類關聯對象 底層原理探索

關聯對象-設值流程

_object_set_associative_reference 方法

對象插入空流程

關聯對象-取值流程

_object_get_associative_reference方法

總結

補充

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