iOS底层-类的三顾茅庐（三）

2023-05-16

前言

上文讲解完了类对象的结构体objc_class用来存储类信息的成员bits，整个结构还剩下方法的缓存cache，放在压轴来讲解。

// 简化版
struct objc_class : objc_object {
    // 类对象指针，Class大小是8字节
    Class ISA;
    // 父类对象指针，大小同上8字节
    Class superclass;
    // 方法缓存
    cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
    // 类存储的数据
    class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}

cache的探索

cache字面意思是缓存，接下来探索它的数据结构。

拿到类对象地址后，根据结构体可知，平移16字节得到cache：

查看源码的cache_t数据结构：

struct cache_t {
private:
    // 8字节
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask;
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask; // 4字节
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags; // 2字节
#endif
            uint16_t                   _occupied; // 2字节
        };
        // 8字节
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;
    };
}

explicit_atomic原子性，保证线程安全；_bucketsAndMaybeMask成员变量占8字节；

还有一个联合体，并且联合体里还有一个结构体；通过计算最大也是占8字节；

结构和LLDB输出对应上了。这些内容又是什么意思呢？先放着。既然是缓存，就需要插入数据。在结构体内找到insert方法，参数有SEL、IMP，这两者决定了一个方法。参数3是方法的接收者。

void insert(SEL sel, IMP imp, id receiver);

来到方法内部，下面的循环就是在操作bucket_t *b这个数据；

那就要看看数据结构bucket_t了。

方法缓存的结构体

查看bucket_t结构体，也有imp和sel。

struct bucket_t {
private:
    // IMP-first is better for arm64e ptrauth and no worse for arm64.
    // SEL-first is better for armv7* and i386 and x86_64.
#if __arm64__
    explicit_atomic<uintptr_t> _imp;
    explicit_atomic<SEL> _sel;
#else
    explicit_atomic<SEL> _sel;
    explicit_atomic<uintptr_t> _imp;
#endif
    ...
}

回到循环，查看set方法。这是一个函数模板:

// <原子操作，是否需要编码>
template<Atomicity atomicity, IMPEncoding impEncoding>

判断impEncoding:

查看encodeImp，通过注释可知这是方法签名用的。

回到set方法，这段是判断原子操作:

这个store就是往内存写入数据，load是读取。set方法就是把newIMP和newSel写入内存，简单概括就是保存方法。

当循环往*b插入数据的时候，插入开始位置通过cache_hash算出来。

cache_hash代码：

static inline mask_t cache_hash(SEL sel, mask_t mask) 
{
    uintptr_t value = (uintptr_t)sel;
#if CONFIG_USE_PREOPT_CACHES
    value ^= value >> 7;
#endif
    return (mask_t)(value & mask);
}

cache_hash(sel, m);入参sel是方法名，那和参数m相关的capacity是什么呢？

回到主方法，通过函数capacity()得到oldCapacity，意思是旧的buckets()容器长度（下文扩容部分会说明），并赋值给capacity。

而capacity()代码：从成员变量_maybeMask读取mask()，

capacity = mask()+1 等价于mask()= capacity - 1。

unsigned cache_t::capacity() const
{
    return mask() ? mask() + 1 : 0; 
}
// mask()
mask_t cache_t::mask() const
{
    return _maybeMask.load(memory_order_relaxed);
}

capacity() 函数的作用就是获取当前容器能够缓存方法的最大个数，也就是容器的⻓度。那么入参m就是长度 - 1。

回到hash算法，

sel被转换成uintptr_t，本质是数字。不过这个数字比较大。

#ifndef __has_attribute
typedef unsigned long           uintptr_t;
#else
typedef unsigned long           uintptr_t;
#endif /* __has_attribute */

当value & mask的时候，最大也就等于mask（主方法里的入参m），也就是 buckets()容器长度 - 1；

// 例如 mask = 6 = 0110
0110 & 11111111111 = 0110, // 与运算，0与上任何数都是0；

bucket_t是散列表，理解为往数组里插入数据。再好的hash算法都会有冲突，也就是2个不同的方法得到相同的内存地址；

所以系统用了两个判断：1.sel有没有值（0代表未使用），2.未使用，存进去之后是否相等；

解决哈希冲突

如果都不满足，就要解决哈希冲突：cache_next方法

// CACHE_END_MARKER：缓存结束标记，值跟随架构变化。
#if CACHE_END_MARKER
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
    return (i+1) & mask;
}
#elif __arm64__
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
    return i ? i-1 : mask;
}
#else
#error unexpected configuration
#endif

CACHE_END_MARKER = 1时，方法相当于把i增大，往之后的地址里存（开放地址法），且得到的i不等于begin；

while (fastpath((i = cache_next(i, m)) != begin))

综上所述，cache应该就是方法的缓存。

接着验证。将几个属性都打印一下；结果都不是…没有一个成员带有sel和imp信息；

不要慌，找cache_t提供的方法。这不就是返回刚才插入的那些bucket_t吗？

这就打印看看：

接着从bucket_t结构体里找到imp()方法：第一个入参base不知道啥，先传nil试试：

拿到imp之后；同理能找到sel。

既然bucket_t是数组，那么存放的可能不止一个方法。通过指针地址+1获得下一个元素地址：由于是哈希表，可能存在nil，于是地址+2得到了respondsToSelector方法地址。

越界的情景：sel已经是null了，value居然有值，这应该是用到其他地方的内存。

没调用过这些方法，为什么会有？

调用方法testInstancePrint之后，重新获取buckets，发现方法丢失了…

按理说testInstancePrint方法缓存进cache里了，首地址的方法怎么也不应该是空的。这就涉及到缓存扩容了。

cache的扩容

回到insert方法：

这两个if是判断初始化等。接着是occupied()

方法内部：

mask_t cache_t::occupied() const
{
    return _occupied;
}

返回成员变量_occupied，初始0；

那么newOccupied = 0 + 1 = 1;

接下来，第一次没有缓存，必定会进入if判断里。初始值就是INIT_CACHE_SIZE

这个初始值是1左移INIT_CACHE_SIZE_LOG2位数得到的。

CACHE_END_MARKER之前也见过。

接着执行reallocate(oldCapacity, capacity, /* freeOld */**false**);，方法内部：

ALWAYS_INLINE
void cache_t::reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity, bool freeOld)
{
    bucket_t *oldBuckets = buckets();
    bucket_t *newBuckets = allocateBuckets(newCapacity);

    // Cache's old contents are not propagated. 
    // This is thought to save cache memory at the cost of extra cache fills.
    // fixme re-measure this

    ASSERT(newCapacity > 0);
    ASSERT((uintptr_t)(mask_t)(newCapacity-1) == newCapacity-1);

    setBucketsAndMask(newBuckets, newCapacity - 1);
    
    if (freeOld) {
        collect_free(oldBuckets, oldCapacity);
    }
}

头2行就是获取老bucket_t，生成新bucket_t。

setBucketsAndMask方法：

arm是32位，arm64才是64位；也就是arm64下，啥也没干。方法本意是给成员变量赋值。第一次来由于没有旧bucket_t，所以freeold = false；不会释放旧bucket_t。

小结一下：

occupied() 函数的作用就是获取当前容器已经缓存的方法的个数。
INIT_CACHE_SIZE 在arm64架构下为2，在x86_64架构下为4。
那么当cache中缓存方法的容器为空时，在arm64架构下初始化容器的⻓度为2，在x84_64架构下初始化容器的⻓度为4。

那么下一步：

这个cache_fill_ratio方法又得回到前面的这张图：

函数在x86_64架构下为容器⻓度capacity的3/4，在arm64架构下为7/8。

那么这个分支的判断就是：在x86_64架构下，实际存储的方法的个数小于等于容器的总容量的3/4再减1时，啥也不干。在arm64架构下，实际存储的方法的个数小于等于容器的总容量的 7/8时，啥也不干。

由此可以猜测，fastpath代表大概率会执行到，slowpath代表小概率会执行到。

CACHE_ALLOW_FULL_UTILIZATION 在arm64架构下等于1，会多出以下分支：

FULL_UTILIZATION_CACHE_SIZE在arm64架构下等于8；

逻辑就是：在arm64架构下，当容器的⻓度小于或等于8时 && 实际存储的方法的个数小于或等于容器的⻓度的时候，又啥也不干。

最终else分支：

2倍扩容，且不超过MAX_CACHE_SIZE（容器的最大⻓度为 1<<16，见前一张图）。这里reallocate(oldCapacity, capacity, true);传了true，方法就会释放旧bucket_t。里面的内容就不存在了，这就解释了扩容后，之前缓存的方法不存在了。

综合上面的代码的出来的结论就是：

在arm64结构，也就是真机环境下，缓存方法的容器初始⻓度2，大于7/8扩容。注意，当容器的⻓度小于8时，只有满容量了才可能大于7/8，所以系统在容量小于8的情况下，是存满才扩容。
在x86_64架构下，缓存方法的容器初始⻓度4，大于等于3/4扩容。容器只能存储(容器⻓度 * 3/4 - 1)个方法。

接下来的部分代码就是插入数据。

缓存的插入

回到开始时testInstancePrint方法找不到的问题；testInstancePrint在responseToSelector和class方法之前调用；class来的时候，因为扩容，旧的bucket_t被释放了；前面的方法位置就变了。

验证：既然要往cache里插入数据，必然会调用insert方法；修改代码打印方法名：

void cache_t::insert(SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
    printf("%s\n", sel_getName(sel));
    ...
}

运行方法之后，打印一下此时的class，这时候才插入了2个方法；

既然cache占16字节，如果方法太多了呢？因为存放的只是首地址，具体内容在buckets()里。

通过掩码返回容器首地址：

struct bucket_t *cache_t::buckets() const
{
    uintptr_t addr = _bucketsAndMaybeMask.load(memory_order_relaxed);
    return (bucket_t *)(addr & bucketsMask);
}
// bucketsMask
static constexpr uintptr_t bucketsMask = ~0ul;

扩容测试

模仿类和cache的数据结构，方便写代码读取:


#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"
#import <objc/message.h>
#import "FFGoods.h"

typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient

// preopt_cache_entry_t
struct ff_preopt_cache_entry_t {
    uint32_t sel_offs;
    uint32_t imp_offs;
};

//preopt_cache_t
struct ff_preopt_cache_t {
    int32_t  fallback_class_offset;
    union {
        struct {
            uint16_t shift       :  5;
            uint16_t mask        : 11;
        };
        uint16_t hash_params;
    };
    uint16_t occupied    : 14;
    uint16_t has_inlines :  1;
    uint16_t bit_one     :  1;
    struct ff_preopt_cache_entry_t entries;
    
    inline int capacity() const {
        return mask + 1;
    }
};

// bucket_t
struct ff_bucket_t {
    IMP _imp;
    SEL _sel;
};

// cache_t
struct ff_cache_t {
    uintptr_t _bucketsAndMaybeMask; // 8
    struct ff_preopt_cache_t _originalPreoptCache; // 8
    
    // _bucketsAndMaybeMask is a buckets_t pointer in the low 48 bits
    // _maybeMask is unused, the mask is stored in the top 16 bits.

    // How much the mask is shifted by.
    static constexpr uintptr_t maskShift = 48;

    // Additional bits after the mask which must be zero. msgSend
    // takes advantage of these additional bits to construct the value
    // `mask << 4` from `_maskAndBuckets` in a single instruction.
    static constexpr uintptr_t maskZeroBits = 4;

    // The largest mask value we can store.
    static constexpr uintptr_t maxMask = ((uintptr_t)1 << (64 - maskShift)) - 1;
    
    // The mask applied to `_maskAndBuckets` to retrieve the buckets pointer.
    static constexpr uintptr_t bucketsMask = ((uintptr_t)1 << (maskShift - maskZeroBits)) - 1;
    
    static constexpr uintptr_t preoptBucketsMarker = 1ul;

    // 63..60: hash_mask_shift
    // 59..55: hash_shift
    // 54.. 1: buckets ptr + auth
    //      0: always 1
    static constexpr uintptr_t preoptBucketsMask = 0x007ffffffffffffe;
    
    ff_bucket_t *buckets() {
        return (ff_bucket_t *)(_bucketsAndMaybeMask & bucketsMask);
    }
    
    uint32_t mask() const {
        return _bucketsAndMaybeMask >> maskShift;
    }
    
};

// class_data_bits_t
struct ff_class_data_bits_t {
    uintptr_t objc_class;
};

// objc_class
struct ff_objc_class {
    Class isa;
    Class superclass;
    struct ff_cache_t cache;
    struct ff_class_data_bits_t bits;
};

测试思路：

给自定义的类生成30个方法，模拟调用；

扩容后第一次插入方法，数量只有1。打印此时的长度。

void test(Class cls) {
    
    // 将cls的类型转换成自定义的源码ff_objc_class类型，方便后续操作
    struct ff_objc_class *pClass = (__bridge struct ff_objc_class *)(cls);
    
    struct ff_cache_t cache = pClass->cache;
    struct ff_preopt_cache_t origin = cache._originalPreoptCache;
    uintptr_t mask = cache.mask();
    // 扩容后第一次插入方法数量只有1
    if (origin.occupied == 1) {
        NSLog(@"buckets已缓存方法的个数 = %u, buckets的长度 = %lu", origin.occupied, mask + 1);
    }
}

运行：

可以看到几次触发扩容的log。

总结

方法的缓存基于不同架构，缓存策略是不一样的。

bucket_t结构体存储方法必备的sel和imp，并用数组容器存储。在cache_t结构体中，通过bucket()方法返回元素首地址。容器初始长度在arm64架构下为2，在x84_64架构下为4。
扩容条件：在arm64架构下容量小于8，存满才扩容，大于8时，数量大于7/8扩容。在x86_64架构下，都是大于等于3/4。
扩容按照2倍原大小进行，最大⻓度为 1<<16 = 0x10000。扩容之后，之前的方法缓存被清空（内存被释放）。
为什么要释放旧的内存 ? 扩容是按照2倍进行的，如果不释放，随着扩容次数增加，遗留的无用内存也不少。

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