iOS-底层原理 19：类扩展与关联对象底层原理探索

iOS 底层原理文章汇总

本文的主要目的是针对类的加载的一个扩展，主要讲讲类拓展和分类的底层实现原理

【面试题】类扩展与分类的区别

1、category 类别、分类

专门用来给类添加新的方法
不能给类添加成员属性 ，添加了成员属性，也无法取到
注意：其实 可以通过runtime 给分类添加属性 ，即属性关联，重写setter、getter方法
分类中用 @property 定义变量， 只会生成 变量的 setter、getter 方法的 声明 ， 不能生成方法实现和带下划线的成员变量

2、extension 类扩展

可以说成是 特殊的分类 ，也可称作 匿名分类
可以 给类添加成员属性 ，但 是是私有变量
可以 给类添加方法 ，也 是私有方法

类扩展底层原理探索

类的扩展有两种创建方式

直接在 类中书写 ：永远 在声明之后，在实现之前 （需要在 .m文件 中书写）
通过 command+N 新建 -> Objective-C File -> 选择 Extension

iOS-底层原理 19：类扩展与关联对象底层原理探索

类扩展的的本质

通过clang底层编译

写一个类扩展

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通过 clang -rewrite-objc main.mm -o main.cpp 命令生成cpp文件，打开cpp文件，搜索 ext_name 属性

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查看 LGTeacher 类拓展的方法，在 编译过程 中，方法就直接添加到了 methodlist 中，作为类的一部分，即 编译时期直接添加到本类 里面

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通过源码调试探索

创建 LGPerson+LGEXT.h 即类的扩展，并声明两个方法

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在 LGperon.m 中实现这两个方法

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运行 objc 源码程序，在 readClass 中断住，查看kc_ro

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

类的扩展在编译器会作为类的一部分，和类一起编译进来
类的扩展 只是 声明 ， 依赖于当前的主类 ，没有.m文件，可以理解为一个 ·h文件

分类关联对象底层原理探索

其底层原理的实现，主要分为两部分：

通过 objc_setAssociatedObject 设值流程
通过 objc_getAssociatedObject 取值流程

关联对象-设值流程

在 分类LG 中重写属性 cate_name 的 set、get 方法，通过 runtime 的属性关联方法实现

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运行程序，断点断在 main 中 cate_name 赋值处

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继续往下运行，断在分类的 setCate_name 方法中

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其中 objc_setAssociatedObject 方法有四个参数，分别表示：
- 参数1：要关联的对象，即给谁添加关联属性
- 参数2：标识符，方便下次查找
- 参数3：value
- 参数4：属性的 策略 ，即nonatomic、atomic、assign等，如下所示
  
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进入 objc_setAssociatedObject 源码实现
- 这种设计模式属于是 接口模式 ，对外的接口不变，内部的逻辑变化不影响外部的调用，类似于 set 方法的底层源码实现
  
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进入 get 方法实现，其中 ChainedHookFunction 是一个 函数指针

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- 进入 SetAssocHook ，其底层实现是 _base_objc_setAssociatedObject ，类型是 ChainedHookFunction
  
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  所以可以理解为 SetAssocHook.get() 等价于 _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，对外接口始终不变
}

👇等价于

void
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
{
    _base_objc_setAssociatedObject(object, key, value, policy);//接口模式，对外接口始终不变
}

进入 _base_objc_setAssociatedObject 源码实现： _base_objc_setAssociatedObject -> _object_set_associative_reference ，通过断点调试，确实会来到这里

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_object_set_associative_reference 方法

进入

_object_set_associative_reference

源码实现

关于关联对象底层原理的探索主要是看

value存

到了哪里，以及如何

取出value

，以下是源码

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封装成一个数组结构类型，类型为DisguisedPtr
    DisguisedPtr<objc_object> disguised{(objc_object *)object};//相当于包装了一下 对象object,便于使用
    // 包装一下 policy - value
    ObjcAssociation association{policy, value};

    // retain the new value (if any) outside the lock.
    association.acquireValue();//根据策略类型进行处理
    //局部作用域空间
    {
        //初始化manager变量，相当于自动调用AssociationsManager的析构函数进行初始化
        AssociationsManager manager;//并不是全场唯一，构造函数中加锁只是为了避免重复创建，在这里是可以初始化多个AssociationsManager变量的
    
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());//AssociationsHashMap 全场唯一

        if (value) {
            auto refs_result = associations.try_emplace(disguised, ObjectAssociationMap{});//返回的结果是一个类对
            if (refs_result.second) {//判断第二个存不存在，即bool值是否为true
                /* it's the first association we make 第一次建立关联*/
                object->setHasAssociatedObjects();//nonpointerIsa ，标记位true
            }

            /* establish or replace the association 建立或者替换关联*/
            auto &refs = refs_result.first->second; //得到一个空的桶子，找到引用对象类型,即第一个元素的second值
            auto result = refs.try_emplace(key, std::move(association));//查找当前的key是否有association关联对象
            if (!result.second) {//如果结果不存在
                association.swap(result.first->second);
            }
        } else {//如果传的是空值，则移除关联，相当于移除
            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();//释放
}

通过源码可知，主要分为以下几部分：

1：创建一个 AssociationsManager 管理类
2：获取 唯一 的全局静态哈希 Map：AssociationsHashMap
3：判断是否插入的 关联值value 是否存在
- 3.1：存在走第4步
- 3.2：不存在就走 : 关联对象-插入空流程
4：通过 try_emplace 方法，并创建一个空的 ObjectAssociationMap 去取查询的键值对：
5：如果发现 没有 这个 key 就 插入一个空的 BucketT 进去并返回true
6：通过 setHasAssociatedObjects 方法 标记对象存在关联对象 即置 isa指针 的 has_assoc 属性为 true
7：用当前 policy 和 value 组成了一个 ObjcAssociation 替换原来 BucketT 中的空
8：标记一下 ObjectAssociationMap 的 第一次 为 false

设置流程源码调试

定义 AssociationsManager 类型的变量，相当于自动调用 AssociationsManager 的析构函数进行初始化
- 加锁lock，并不代表唯一，只是为了避免多线程重复创建，其实在外面是可以定义多个 AssociationsManager manager; 的
定义 AssociationsHashMap 类型的哈希map，这个全场唯一的，从哪里可以体现呢？
- 通过 _mapStorage.get() 生成哈希map，其中 _mapStorage 是一个静态变量，所以 哈希map 永远是通过静态变量获取出来 的，所以是 全场唯一 的
  
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通过调试，可以查看目前的数据结构
- p disguised :其中的value是来自object 还原出来的
- p association
- p manager
- p associations :目前的 associations 为 0x0 ,表示还没有查找到相应的递归查找域中
  
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走到局部作用域的if判断，此时的 value 是有值的，为 KC

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- 如果传入的 value是空值 ，走到局部作用域的 else流程 ，通过源码可知，相当于 移除关联
  
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继续往下执行，查看 refs_result – p refs_result，其中的类型数据非常多，可以进行拆解查看
- associations 调用 try_emplace 方法，传入一个对象 disguised 和一个空的关联map ObjectAssociationMap{}
  
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//pair -- 表示有键值对
(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>)

//可以简写为

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

进入 try_emplace 方法的源码实现
- 有两个返回，都是通过 std::make_pair 生成相应的键值对
- 通过 LookupBucketFor 方法 查找桶子 ，如果map中已经 存在 ，则 直接返回 ，其中 make_pair 的第二个参数 bool值为false
- 如果没 有找到 ，则通过 InsertIntoBucket 插入map，其中 make_pair 的第二个参数 bool值为true
  
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进入 LookupBucketFor 源码，有两个同名方法，其中第二个方法属于重载函数，区别于第一个的是第二个参数没有const修饰，通过调试可知，外部的调用是调用的第二个重载函数，而第二个 LookupBucketFor 方法，内部的实现是调用第一个 LookupBucketFor 方法

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- 第一个 LookupBucketFor 方法源码实现
  
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- 第二个 LookupBucketFor 方法的源码实现
  
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断点运行至 try_emplace 方法中的获取bucket部分 TheBucket = InsertIntoBucket(TheBucket, Key, std::forward<Ts>(Args)...);
- p TheBucket
  
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  其中 TheBucket 的类型与 refs_result 中属性的类型是一致
  
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进入 if (refs_result.second) 的if流程，通过 setHasAssociatedObjects 将 nonpointerIsa 的 has_assoc 标记为 true

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继续往下执行，查看 refs
- p refs ,执行 try_emplace 前查看
- p refs ,执行 try_emplace 后查看
  
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  第一次执行 try_emplace 插入的是一个空桶，还没有值，第二次执行第一次执行 try_emplace 才插入值，即往空桶中插入 ObjectAssociationMap（value，policy） ，返回true，可以通过调试验证
  
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p result.second ,返回的true，到此就将属性与value关联上了

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所以，关联对象的设值图示如下，有点类似于cache_t中的insert方法插入sel-imp的逻辑，如下图所示

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属性关联涉及的哈希map结构

所以到目前为止，关联属性涉及的map结构如下

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AssociationsManager 可以有多个，通过 AssociationsManagerLock 锁可以得到一个 AssociationsHashMap 类型的map
map中有很多的关联对象map，类型是 ObjectAssociationMap ，其中key为 DisguisedPtr<objc_object> ，例如LGPerson会对应一个 ObjectAssociationMap ，LGTeacher也会对应一个 ObjectAssociationMap

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

ObjectAssociationMap 哈希表中有很多 key-value 键值对，其中 key 的类型为 const void * ， value 的类型为 ObjcAssociation

typedef DenseMap<const void *, ObjcAssociation> ObjectAssociationMap;

其中 ObjcAssociation 是用于包装policy和value的一个类

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对象插入空流程

根据源码可知，主要是局部作用域中的

else流程

，其实这个流程可以通俗的理解为

当传入的value为nil时，则移除关联

，主要分为以下几步：

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1、根据 DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap 中的 iterator 迭代查询器
2、清理迭代器
3、其实如果插入空置相当于清除

关联对象-取值流程

main中打印 person.cate_name 的值，断点来到分类中重写的属性 get 方法

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进入 objc_getAssociatedObject 源码实现

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_object_get_associative_reference方法

其源码实现如下：

id
_object_get_associative_reference(id object, const void *key)
{
    ObjcAssociation association{};//创建空的关联对象

    {
        AssociationsManager manager;//创建一个AssociationsManager管理类
        AssociationsHashMap &associations(manager.get());//获取全局唯一的静态哈希map
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find((objc_object *)object);//找到迭代器，即获取buckets
        if (i != associations.end()) {//如果这个迭代查询器不是最后一个 获取
            ObjectAssociationMap &refs = i->second; //找到ObjectAssociationMap的迭代查询器获取一个经过属性修饰符修饰的value
            ObjectAssociationMap::iterator j = refs.find(key);//根据key查找ObjectAssociationMap，即获取bucket
            if (j != refs.end()) {
                association = j->second;//获取ObjcAssociation
                association.retainReturnedValue();
            }
        }
    }

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

通过源码可知，主要分为以下几部分

1：创建一个 AssociationsManager 管理类
2：获取唯一的全局静态哈希Map： AssociationsHashMap
3：通过 find 方法根据 DisguisedPtr 找到 AssociationsHashMap 中的 iterator 迭代查询器
4：如果这个迭代查询器不是最后一个获取 : ObjectAssociationMap (policy和value)
5：通过 find 方法找到 ObjectAssociationMap 的迭代查询器获取一个经过属性修饰符修饰的 value
6：返回 value

调试取值流程

，接着上一步调试，进入 _object_get_associative_reference 源码实现
- 进入 find 方法：根据关联对象迭代查找 AssociationsHashMap ，即 buckets
  
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- p i
- p i->second
  
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再次通过 find 方法，在 buckets 中查找与key配对的 bucket
- find 方法执行之前， j 的打印，此时的 value为nil
  
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- find 方法查询之后， j 的打印，此时的 value 为KC
  
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总结

所以，综上所述，所以

关联对象的底层调用流程

如下图所示

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总的来说，

关联对象

主要就是

两层哈希map的处理

，即存取时都是两层处理，类似于二维数组

补充

AssociationsHashMap 唯一性验证

验证 AssociationsHashMap 的唯一性，而 AssociationsManager 不唯一
- 去掉 AssociationsManager 中的加锁
  
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- 在 _object_set_associative_reference 方法中再次定义一遍 manager 和 associations
  
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- 下面是调试运行的结果，从下图中可以看出两个 association 的地址是一样的，验证了其唯一性
  
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加锁的目的：保证 对象的安全性，防止冲突

AssociationsManager manager;

👇等价于

AssociationsManager();

lock();

...

unlock();//作用域之后unlock

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【面试题】类扩展与分类的区别

类扩展底层原理探索

类扩展的的本质

通过clang底层编译

通过源码调试探索

总结

分类关联对象底层原理探索

关联对象-设值流程

_object_set_associative_reference 方法

对象插入空流程

关联对象-取值流程

_object_get_associative_reference方法

总结

补充

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通过clang底层编译

通过源码调试探索

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分类关联对象 底层原理探索

关联对象-设值流程

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对象插入空流程

关联对象-取值流程

_object_get_associative_reference方法

总结

补充

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