Objective-C底层面试题

oc底层探索了很多了，今天主要总结一下一些相关的面试题。

load方法什么时候调用。

这个问题很多同学应该都知道，就是main函数之前，但是main之前的哪一步执行的，可能有些同学就疑惑了，，同时还有一个方法的调用时机也会被经常问到就是initialize,我们分别讨论。

load方法

• load方法是在应用程序加载过程中调用的，确实是在main函数之前调用。
• 具体是_dyld_objc_notify_register方法的第二个参数load_images回调的。
• 通过prepare_load_methods递归查找load方法添加到一个load方法的加载表loadable_classes里，注意父类会比子类先加入到表中，查找完类的load方法之后，查找分类的load也会添加到一个loadable_categories表中。
• 最后是call_load_methods调用load方法，先从loadable_classes表里循环调用类的load方法，然后从loadable_categories表里循环调用分类的load方法。
• 因为是顺序遍历表调用load方法的。所以load方法的调用次序是父类>本类>分类。
• 如果有多个分类都有load方法，其调用顺序会根据编译的顺序调用。编译顺序可以在Compiles Sources里调整。
• load方法过多会影响到应用的启动速度。

initialize方法。

• initialize方法是在第一次objc_msgSend的时候调用的，它的调用时机晚于load。
• 分类的方法是在类realize之后attachCategorys进去的，会在类的方法前面。如果分类实现了initialize方法，会优先调用分类的方法。

Runtime是什么

• runtime是由c、c++、汇编实现的一套API,为oc语言加入面向对象运行时功能。
• 运行时是指讲数据类型的确定有编译时推迟到了运行时。
• 我们写的oc代码，在程序运行过程中，最终都会转换成runtime的c语言代码。

⽅法的本质，sel是什么？IMP是什么？两者之间的关系是什么

⽅法的本质

⽅法的本质是消息发送，即objc_msgSend,它的流程是：

• 快速查找 （objc_msgSend）~ cache_t 缓存消息
• 慢速查找~ 递归⾃⼰或⽗类 ~ lookUpImpOrForward
• 查找不到消息: 动态⽅法解析 ~ resolveInstanceMethod
• 消息快速转发 ~ forwardingTargetForSelector
• 消息慢速转发 ~ methodSignatureForSelector 和 forwardInvocation

sel是什么

sel是⽅法编号，在read_images期间就加载进⼊了内存。它实际是objc_selector结构体。

IMP是什么

imp就是我们函数实现指针，找imp就是找函数实现的过程。

sel与IMP的关系

• sel就相当于书本的⽬录title
• imp就是书本的⻚码
• 方法调用的时候首先根据sel找到imp最后到具体函数的实现，完成调用。

能否向编译后的类中增加实例变量？能否向运⾏时创建的类中添加实例变量？

• 不能向编译后的得到的类中增加实例变量：

  • 我们编译好的实例变量存储的位置在ro（read only），⼀旦编译完成，内存结构就完全确定。
  • 我们可以通过分类向类中添加方法和属性(通过关联对象)。

• 可以向运行时创建的类中添加实例变量，只要类没有注册到内存还是可以添加。

  这里运行时创建的类指的是通过objc_allocateClassPair方法，创建的类,在调用objc_registerClassPair方法之前是可以添加实例变量的。

[self class]和[super class]区别

先定义两个类JSPerson和JSStudent,其中JSStudent继承于JSPerson。

@interface JSPerson : NSObject

@end
#import "JSPerson.h"

@implementation JSPerson

@end

@interface JSStudent : JSPerson

@end
@implementation JSStudent

- (instancetype)init{
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"%@ - %@",[self class],[super class]);
    }
    return self;
}
@end

在main函数里实例化一个JSStudent对象。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        JSStudent *student = [[JSStudent alloc] init];;
        NSLog(@"%@",student);
    }
    return 0;
}

发现打印结果为JSStudent - JSStudent。这是为什么呢，我们下面分析一下。

首先，JSPerson和JSStudent类都没有实现class方法，根据消息发送查找流程，会调用NSObject类的class方法，它的实现为

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}
//根据isa找到类
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

class方法的作用是返回当前的类，self是调用的对象也就是student实例。

• [self class]打印的是JSStudent很好理解，因为消息接受者就是JSStudent的实例对象，通过isa找到的就是JSStudent类。

• [super class]打印的也是JSStudent就让人困惑了，我们打开汇编调试看一下[super class]的底层调用了什么

  

  [super class]实际调用的是objc_msgSendSuper2方法，我们在源码看一下这个方法的定义：

  // objc_msgSendSuper2() takes the current search class, not its superclass.
  OBJC_EXPORT id _Nullable
  objc_msgSendSuper2(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)
      OBJC_AVAILABLE(10.6, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

  其实看objc_msgSendSuper2的注释就可以看出来，方法查找的是本类而不是它的父类。

  继续看，super是方法的第一个参数，也就是objc_super *它的结构是：

  struct objc_super {
      /// Specifies an instance of a class.
      __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
  
      /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
  #if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
      /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    	///old结构，我们可以忽略 !__OBJC2__使用
      __unsafe_unretained _Nonnull Class class;
  #else
      __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
  #endif
      /* super_class is the first class to search */
  };

  objc_super的成员变量有receiver它是当前的调用的实例也就是student,super_class是当前实例对象的类的父类。所以说[super class]的消息接受者self还是student,所以打印的是JSStudent，super是一个关键字。

  内存平移问题

  案例说明:JSPerson类中有一个saySomething方法，在ViewController类的viewDidLoad通过两种方式调用，详细看代码

  @implementation JSPerson
  - (void)saySomething{
  
      NSLog(@"%s",__func__);
  }
  @end
  @implementation ViewController
  
  - (void)viewDidLoad {
      [super viewDidLoad];
      // Do any additional setup after loading the view.
      JSPerson *person = [JSPerson alloc];
      [person saySomething];
      
      Class cls = [JSPerson class];
      void  *js = &cls;
      [(__bridge id)js saySomething];
  }
  @end

  问题是这两个调用saySomething的语句是否有问题。

  • [person saySomething]：这种方式没什么疑问，正常的方法调用。它的流程是通过person对象的isa指针找到类JSPerson,首先通过内存平移找到cache里查找，如果找不到，继续平移找到bits查找方法列表查找，最后找到imp调用。

  • [(__bridge id)js saySomething]:运行代码，我们这一行代码也正常执行了，原因是什么呢

    void *js = &cls;说明js是一个指向JSPerson类首地址的指针，它和对象的isa指向的是同一个地址，通过内存平移也可以找到对应的方法。

  拓展

  在saySomething方法里增加属性self.js_name 的打印,其他不变

  @interface JSPerson : NSObject
  
  @property (nonatomic, strong) NSString *js_name;
  
  - (void)saySomething;
  
  @end
  @implementation JSPerson
  - (void)saySomething{
  
      NSLog(@"%s - %@",__func__,self.js_name);
  }
  @end

  再次运行程序发现打印结果为：

  -[JSPerson saySomething] - (null)
  -[JSPerson saySomething] - <JSPerson: 0x600003a00380>

  • [person saySomething]：因为我们没有对js_name赋值，[person saySomething]打印(null)正常。

  • [(__bridge id)js saySomething]：这里打印了<JSPerson: 0x600003a00380>很困惑。

    我们首先要清楚self.js_name是怎么找到js_name并打印的，它是从person内存地址中平移8位(isa是8位)找到第一个属性js_name。

    类比js也需要平移8位找js_name,由于js是一个指针，存在栈上的，栈是一个先进后出的数据结构，每次参数传入就会压栈。

    • 其中隐藏参数会压入栈，且每个函数都会有两个隐藏参数(id self，sel _cmd)，这个我们前面探索过，可以通过clang将oc代码转成c++代码查看。

    • 隐藏参数压栈的过程，其地址是递减的，而栈是从高地址->低地址 分配的，即在栈中，参数会从前往后一直压

    • 前面还有一行[super viewDidLoad];,super调用的压栈我们也需要研究一下，其实上一题我们研究过它实际调用的是objc_msgSendSuper2,有两个参数_objc_super和sel。结构体的属性的压栈我们通过自定义一个结构体探索

      struct js_struct{
          NSNumber *num1;
          NSNumber *num2;
      } js_struct;
      - (void)viewDidLoad {
          [super viewDidLoad];
          // Do any additional setup after loading the view.
          JSPerson *person1 = [JSPerson alloc];
          struct js_struct jst = {@(1),@(3)};
          JSPerson *person = [JSPerson alloc];
          [person saySomething];
          
          Class cls = [JSPerson class];
          void  *js = &cls;
          [(__bridge id)js saySomething];
      }

      我们在图示位置添加断点调试

      

      使用lldb调试

      (lldb) p &person1
      (JSPerson **) $0 = 0x00007ffeed1d8118
      (lldb) p &jst
      (js_struct *) $1 = 0x00007ffeed1d8108
      (lldb) p &person
      (JSPerson **) $2 = 0x00007ffeed1d8100
      (lldb) p jst.num1
      (__NSCFNumber *) $3 = 0xbab63c269bab4904 (int)1
      (lldb) p &$3
      (NSNumber **) $4 = 0x00007ffeed1d8108
      (lldb) p jst.num2
      (__NSCFNumber *) $5 = 0xbab63c269bab4924 (int)3
      (lldb) p &$5
      (NSNumber **) $6 = 0x00007ffeed1d8110

      发现num1的地址<num2的地址，说明num2先入栈。也就是结构体是从后向前入栈的。

    • 总结来说题中压栈的顺序是self->_cmd->superClass->self->person->cls->js。地址空间是由高到低。所以这个地方js向高地址平移8字节找到的是person也就是打印是<JSPerson: 0x600003a00380>的原因。