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objc_msgSend消息传递学习笔记 – 消息转发
该文是 objc_msgSend消息传递学习笔记 – 对象方法消息传递流程 的基础上继续探究源码，请先阅读上文。
消息转发机制(message forwarding)
Objective-C 在调用对象方法的时候，是通过消息传递机制来查询且执行方法。如果想令该类能够理解并执行方法，必须以程序代码实现出对应方法。但是，在编译期间向类发送了无法解读的消息并不会报错，因为在 runtime 时期可以继续向类添加方法，所以编译器在编译时还无法确认类中是否已经实现了消息方法。
当对象接受到无法解读的消息后，就会启动消息转发机制，并且我们可以由此过程告诉对象应该如何处理位置消息。
本文的研究目标：当 Class 对象的 .h 文件中声明了成员方法，但是没有对其进行实现，来跟踪一下 runtime 的消息转发过程。于是创造一下实验场景：
同上一篇文章一样，定义一个自定义 Class
DGObject，并且声明改 Class 中拥有方法- (void)test_no_exist，而在.m文件中不给予实现。在main.m入口中直接调用该类对象的- (void)test_no_exist方法。
动态方法解析
依旧在 lookUpImpOrForward 方法中下断点，并单步调试，观察代码走向。由于方法在方法列表中无法找到，所以立即进入 method resolve 过程。
// 进入method resolve过程
if (resolver && !triedResolver) {
// 释放读入锁
runtimeLock.unlockRead();
// 调用_class_resolveMethod，解析没有实现的方法
_class_resolveMethod(cls, sel, inst);
// 进行二次尝试
triedResolver = YES;
goto retry;
}
runtimeLock.unlockRead() 是释放读入锁操作，这里是指缓存读入，即缓存机制不工作从而不会有缓存结果。随后进入 _class_resolveMethod(cls, sel, inst) 方法。
void _class_resolveMethod(Class cls, SEL sel, id inst) {
// 用 isa 查看是否指向元类 Meta Class
if (! cls->isMetaClass()) {
// try [cls resolveInstanceMethod:sel]
_class_resolveInstanceMethod(cls, sel, inst);
}
else {
// try [nonMetaClass resolveClassMethod:sel]
// and [cls resolveInstanceMethod:sel]
_class_resolveClassMethod(cls, sel, inst);
if (!lookUpImpOrNil(cls, sel, inst,
NO/*initialize*/, YES/*cache*/, NO/*resolver*/))
{
_class_resolveInstanceMethod(cls, sel, inst);
}
}
}
此方法是动态方法解析的入口，会间接地发送 +resolveInstanceMethod 或 +resolveClassMethod 消息。通过对 isa 指向的判断，从而分辨出如果是对象方法，则进入 +resolveInstanceMethod 方法，如果是类方法，则进入 +resolveClassMethod 方法。
而上述代码中的 _class_resolveInstanceMethod 方法，我们从源码中看到是如此定义的：
static void _class_resolveInstanceMethod(Class cls, SEL sel, id inst) {
// 首先查找是否有 resolveInstanceMethod 方法
if (! lookUpImpOrNil(cls->ISA(), SEL_resolveInstanceMethod, cls,
NO/*initialize*/, YES/*cache*/, NO/*resolver*/))
{
// Resolver not implemented.
return;
}
// 构造布尔类型变量表达式，动态绑定函数
BOOL (*msg)(Class, SEL, SEL) = (__typeof__(msg))objc_msgSend;
// 获得是否重新传递消息标记
bool resolved = msg(cls, SEL_resolveInstanceMethod, sel);
// Cache the result (good or bad) so the resolver doesn‘t fire next time.
// +resolveInstanceMethod adds to self a.k.a. cls
// 调用 lookUpImpOrNil 并重新启动缓存，查看是否已经添加上了选择子对应的 IMP
指针
IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel, inst,
NO/*initialize*/, YES/*cache*/, NO/*resolver*/);
// 对查询到的 IMP 进行 log 输出
if (resolved && PrintResolving) {
if (imp) {
_objc_inform("RESOLVE: method %c[%s %s] "
"dynamically resolved to %p",
cls->isMetaClass() ? ‘+‘ : ‘-‘,
cls->nameForLogging(), sel_getName(sel), imp);
}
else {
// Method resolver didn‘t add anything?
_objc_inform("RESOLVE: +[%s resolveInstanceMethod:%s] returned YES"
", but no new implementation of %c[%s %s] was found",
cls->nameForLogging(), sel_getName(sel),
cls->isMetaClass() ? ‘+‘ : ‘-‘,
cls->nameForLogging(), sel_getName(sel));
}
}
}
通过 _class_resolveInstanceMethod 可以了解到，这只是通过 +resolveInstanceMethod 来查询是否开发者已经在运行时将其动态插入类中的实现函数。并且重新触发 objc_msgSend 方法。这里有一个 C 的语法值得我们去延伸学习一下，就是关于关键字 __typeof__ 的。__typeof__(var) 是 GCC 对 C 的一个扩展保留字(官方文档)，这里是用来描述一个指针的类型。
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Typeof.html
我们发现，最终都会返回到 objc_msgSend 中。反观一下上一篇文章写的 objc_msgSend 函数，是通过汇编语言实现的。在 Let’s build objc_msgsend 这篇资料中，记录了一个关于 objc_msgSend 的伪代码。
http://t.cn/RchZ9w1
id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...) {
Class c = object_getClass(self);
IMP imp = cache_lookup(c, _cmd);
if(!imp)
imp = class_getMethodImplementation(c, _cmd);
return imp(self, _cmd, ...);
}
在缓存中无法直接击中 IMP 时，会调用 class_getMethodImplementation 方法。在 runtime 中，查看一下 class_getMethodImplementation 方法。
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel)
{
IMP imp;
if (!cls || !sel) return nil;
// 上一篇文章的搜索入口
imp = lookUpImpOrNil(cls, sel, nil,
YES/*initialize*/, YES/*cache*/, YES/*resolver*/);
// Translate forwarding function to C-callable external version
if (!imp) {
return _objc_msgForward;
}
return imp;
}
在上一篇文中，详细介绍过了 lookUpImpOrNil 函数成功搜索的流程。而本例中与前相反，我们我发现该函数返回了一个 _objc_msgForward 的 IMP。此时，我们击中的函数是 _objc_msgForward 这个 IMP ，于是消息转发机制进入了备援接收流程。
Forwarding 备援接收
_objc_msgForward 居然可以返回，说同 IMP 一样是一个指针。在 objc-msg-x86_64.s 中发现了其汇编实现。
ENTRY __objc_msgForward
// Non-stret version
// 调用 __objc_forward_handler
movq __objc_forward_handler(%rip), %r11
jmp *%r11
END_ENTRY __objc_msgForward
发现在接收到 _objc_msgForward 指针后，会立即进入 __objc_forward_handler 方法。其源码在 objc-runtime.mm 中。
#if !__OBJC2__
// Default forward handler (nil) goes to forward:: dispatch.
void *_objc_forward_handler = nil;
void *_objc_forward_stret_handler = nil;
#else
// Default forward handler halts the process.
__attribute__((noreturn)) void
objc_defaultForwardHandler(id self, SEL sel) {
_objc_fatal("%c[%s %s]: unrecognized selector sent to instance %p "
"(no message forward handler is installed)",
class_isMetaClass(object_getClass(self)) ? ‘+‘ : ‘-‘,
object_getClassName(self), sel_getName(sel), self);
}
void *_objc_forward_handler = (void*)objc_defaultForwardHandler;
在 ObjC 2.0 以前，_objc_forward_handler 是 nil ，而在最新的 runtime 中，其实现由 objc_defaultForwardHandler 完成。其源码仅仅是在 log 中记录一些相关信息，这也是 handler 的主要功能。
而抛开 runtime ，看见了关键字 __attribute__((noreturn)) 。这里简单介绍一下 GCC 中的又一扩展 attribute机制 。它用于与编译器直接交互，这是一个编译器指令(Compiler Directive)，用来在函数或数据声明中设置属性，从而进一步进行优化(继续了解可以阅读 NShipster _attribute_)。而这里的 __attribute__((noreturn)) 是告诉编译器此函数不会返回给调用者，以便编译器在优化时去掉不必要的函数返回代码。
http://nshipster.com/__attribute__/
Handler 的全部工作是记录日志、触发 crash 机制。如果开发者想实现消息转发，则需要重写 _objc_forward_handler 中的实现。这时引入 objc_setForwardHandler 方法：
void objc_setForwardHandler(void *fwd, void *fwd_stret) {
_objc_forward_handler = fwd;
#if SUPPORT_STRET
_objc_forward_stret_handler = fwd_stret;
#endif
}
这是一个十分简单的动态绑定过程，让方法指针指向传入参数指针得以实现。
Core Foundation 衔接
引入 objc_setForwardHandler 方法后，会有一个疑问：如何调用它？先来看一段异常信息：
2016-08-27 08:26:08.264 debug-objc[7013:29381250] -[DGObject test_no_exist]: unrecognized selector sent to instance 0x101200310
2016-08-27 10:09:16.495 debug-objc[7013:29381250] *** Terminating app due to uncaught exception ‘NSInvalidArgumentException‘, reason: ‘-[DGObject test_no_exist]: unrecognized selector sent to instance 0x101200310‘
*** First throw call stack:
(
0 CoreFoundation 0x00007fff842c64f2 __exceptionPreprocess + 178
1 libobjc.A.dylib 0x000000010002989f objc_exception_throw + 47
2 CoreFoundation 0x00007fff843301ad -[NSObject(NSObject) doesNotRecognizeSelector:] + 205
3 CoreFoundation 0x00007fff84236571 ___forwarding___ + 1009
4 CoreFoundation 0x00007fff842360f8 _CF_forwarding_prep_0 + 120
5 debug-objc 0x0000000100000e9e main + 94
6 libdyld.dylib 0x00007fff852a95ad start + 1
7 ??? 0x0000000000000001 0x0 + 1
)
libc++abi.dylib: terminating with uncaught exception of type NSException
这个日志场景都接触过。从调用栈上，发现了最终是通过 Core Foundation 抛出异常。在 Core Foundation 的 CFRuntime.c 无法找到 objc_setForwardHandler 方法的调用入口。综合参看 Objective-C 消息发送与转发机制原理 和 Hmmm, What’s that Selector? 两篇文章，我们发现了在 CFRuntime.c 的 __CFInitialize() 方法中，实际上是调用了 objc_setForwardHandler ，这段代码被苹果公司隐藏。
在上述调用栈中，发现了在 Core Foundation 中会调用 ___forwarding___ 。根据资料也可以了解到，在 objc_setForwardHandler 时会传入 __CF_forwarding_prep_0 和 ___forwarding_prep_1___ 两个参数，而这两个指针都会调用 ____forwarding___ 。这个函数中，也交代了消息转发的逻辑。在 Hmmm, What’s that Selector? 文章中，复原了 ____forwarding___ 的实现。
// 两个参数：前者为被转发消息的栈指针 IMP ，后者为是否返回结构体
int __forwarding__(void *frameStackPointer, int isStret) {
id receiver = *(id *)frameStackPointer;
SEL sel = *(SEL *)(frameStackPointer + 8);
const char *selName = sel_getName(sel);
Class receiverClass = object_getClass(receiver);
// 调用 forwardingTargetForSelector:
// 进入 备援接收 主要步骤
if (class_respondsToSelector(receiverClass, @selector(forwardingTargetForSelector:))) {
// 获得方法签名
id forwardingTarget = [receiver forwardingTargetForSelector:sel];
// 判断返回类型是否正确
if (forwardingTarget && forwarding != receiver) {
// 判断类型，是否返回值为结构体，选用不同的转发方法
if (isStret == 1) {
int ret;
objc_msgSend_stret(&ret,forwardingTarget, sel, ...);
return ret;
}
return objc_msgSend(forwardingTarget, sel, ...);
}
}
// 僵尸对象
const char *className = class_getName(receiverClass);
const char *zombiePrefix = "_NSZombie_";
size_t prefixLen = strlen(zombiePrefix); // 0xa
if (strncmp(className, zombiePrefix, prefixLen) == 0) {
CFLog(kCFLogLevelError,
@"*** -[%s %s]: message sent to deallocated instance %p",
className + prefixLen,
selName,
receiver);
}
// 调用 methodSignatureForSelector 获取方法签名后再调用 forwardInvocation
// 进入消息转发系统
if (class_respondsToSelector(receiverClass, @selector(methodSignatureForSelector:))) {
NSMethodSignature *methodSignature = [receiver methodSignatureForSelector:sel];
// 判断返回类型是否正确
if (methodSignature) {
BOOL signatureIsStret = [methodSignature _frameDescriptor]->returnArgInfo.flags.isStruct;
if (signatureIsStret != isStret) {
CFLog(kCFLogLevelWarning ,
@"*** NSForwarding: warning: method signature and compiler disagree on struct-return-edness of ‘%s‘. Signature thinks it does%s return a struct, and compiler thinks it does%s.",
selName,
signatureIsStret ? "" : not,
isStret ? "" : not);
}
if (class_respondsToSelector(receiverClass, @selector(forwardInvocation:))) {
// 传入消息的全部细节信息
NSInvocation *invocation = [NSInvocation _invocationWithMethodSignature:methodSignature frame:frameStackPointer];
[receiver forwardInvocation:invocation];
void *returnValue = NULL;
[invocation getReturnValue:&value];
return returnValue;
} else {
CFLog(kCFLogLevelWarning ,
@"*** NSForwarding: warning: object %p of class ‘%s‘ does not implement forwardInvocation: -- dropping message",
receiver,
className);
return 0;
}
}
}
SEL *registeredSel = sel_getUid(selName);
// selector 是否已经在 Runtime 注册过
if (sel != registeredSel) {
CFLog(kCFLogLevelWarning ,
@"*** NSForwarding: warning: selector (%p) for message ‘%s‘ does not match selector known to Objective C runtime (%p)-- abort",
sel,
selName,
registeredSel);
}
// doesNotRecognizeSelector，主动抛出异常
// 也就是前文我们看到的
// 表明选择子未能得到处理
else if (class_respondsToSelector(receiverClass,@selector(doesNotRecognizeSelector:))) {
[receiver doesNotRecognizeSelector:sel];
}
else {
CFLog(kCFLogLevelWarning ,
@"*** NSForwarding: warning: object %p of class ‘%s‘ does not implement doesNotRecognizeSelector: -- abort",
receiver,
className);
}
// The point of no return.
kill(getpid(), 9);
}
Message-Dispatch System 消息派发系统
在大概了解过 Message-Dispatch System 的源码后，来简单的说明一下。由于在前两步中，我们无法找到那条消息的实现。则创建一个 NSInvocation 对象，并将消息全部属性记录下来。 NSInvocation 对象包括了选择子、target 以及其他参数。
随后，调用 forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation 方法，其中的实现仅仅是改变了 target 指向，使消息保证能够调用。倘若发现本类无法处理，则继续想父类进行查找。直至 NSObject ，如果找到根类仍旧无法找到，则会调用 doesNotRecognizeSelector: ，以抛出异常。此异常表明选择子最终未能得到处理。
而对于 doesNotRecognizeSelector: 内部是如何实现，如何捕获异常。或者说 override 改方法后做自定义处理，等笔者实践后继续记录学习笔记。
对于消息转发的总结梳理
在 Core Foundation 的消息派发流程中，由于源码被隐藏，所以笔者无法亲自测试代码。倘若以后学习了逆向，可以再去探讨一下这里面发生的过程。
对于这篇文章记录的消息转发流程，大致如下图所示：
objc_msgSend消息传递学习笔记 – 消息转发