Effective Objective-C 2.0 读书笔记—— objc_msgSend

Effective Objective-C 2.0 读书笔记—— objc_msgSend

引入——静态绑定和动态绑定

我们知道OC实际上是在C的基础上引入面向对象的内容，我们先来理解在C语言之中函数调用的方式——静态绑定（static binding）也就是编译器在编译的时候就能够知道运行时所调用的函数，以书中的代码为例：

#include <stdio.h>void printHello() {printf("Hello, world!\n");
}void printGoodbye() {printf("Goodbye, world!\n");
}void doTheThing(int type) {if (type == 0) {printHello();} else {printGoodbye();}
}

在这段代码中，函数 printHello 和 printGoodbye 的调用是直接的，编译器在编译时就能确定这些函数的调用路径。在这个过程中，函数名直接指向特定的地址，编译器无需做任何动态决策。所有的函数调用都在编译时已经解析好了，这就是静态绑定。

再来看下一个例子，如果我们将代码改写为以下的内容

void printHello() {printf("Hello, world!\n");
}void printGoodbye() {printf("Goodbye, world!\n");
}void doTheThing(int type) {void (*fnc)();  // 定义一个函数指针if (type == 0) {fnc = printHello;  // 如果type为0，指向printHello函数} else {fnc = printGoodbye;  // 否则，指向printGoodbye函数}fnc();  // 调用通过指针指定的函数
}

这种方法就是动态绑定(dynamic binding)。在编译时，编译器并不知道 fnc 最终会指向哪个函数，它只能知道 fnc 是一个指向 void() 类型的函数指针，但不能确定它指向的函数直到程序运行时。也就是说，函数的调用和方法的选择是在程序运行时才决定的，因为编译器无法在编译时确定到底调用哪个函数。

OC之中动态绑定的实现

在Objective- C中，如果向某对象传递消息，那就会使用动态绑定机制来决定需要调用的方法。在底层，所有方法都是普通的C语言函数，然而对象收到消息之后，究竟该调用哪个方法则完全于运行期决定，甚至可以在程序运行时改变，这些特性使得Objective- C成为 一门真正的动态语言。

我们模拟给对象发送通知：

id returnValue = [someObject messageName:parameter];

编译器看到这条命令之后，就会自动的将其转化一条标准的C语言函数调用objc_msgSend ，objc_msgSend 是 Objective-C 的一个底层函数，它是 Objective-C 动态消息传递机制的核心。通过它，消息被发送给对象，进而调用对象的某个方法。

方法签名

objc_msgSend 的函数签名如下（简化版）：

id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...);

• self：消息的接收者，即对象。
• _cmd：选择子
• 后面的 ...：是方法参数，消息的实际内容。

所以刚刚上面的代码，就可以转化为以下函数

id returnValue = objc_msgSend (someObject, @selector (messageName:), parameter) ;

接下来就是objc_msgSend根据接受者类型以及选择子来调用对应的方法，借用书中的原话：

方法需要在接收者所属的类中搜寻其“方法列表”（list of methods）。如果能找到与选择子名称相符的方法，就跳至其实现代码。若是找不到，那就沿着继承体系继续向上查找，等找到合适的方法之后再跳转。如果最终还是找不到相符的方法，那就执行 “消息转发”（message forwarding）操作。

方法列表

这里说到了方法列表，就顺带讲一下：

在 Objective-C 中，每个类都有一套方法列表，用于存储该类的所有实例方法、类方法及它们的相关信息。这些方法列表（Method List）用数组的形式存储了与类相关的所有方法，并且可以通过运行时（Runtime）机制进行动态查找和调用。

我们知道方法有两种，类方法和实例方法，那么方法列表也可以分成两种：

实例方法（Instance Methods）：这些方法是类的实例（对象）调用的。

类方法（Class Methods）：这些方法是类本身（而非类的实例）调用的。

获取实例方法列表

使用 class_copyMethodList 函数可以获取某个类的实例方法列表。返回的是一个 Method 数组，数组中包含了该类的所有实例方法。

unsigned int methodCount = 0;
Method *methods = class_copyMethodList([MyClass class], &methodCount);
for (unsigned int i = 0; i < methodCount; i++) {Method method = methods[i];SEL methodSelector = method_getName(method); // 获取方法的选择子const char *methodTypeEncoding = method_getTypeEncoding(method); // 获取方法类型编码NSLog(@"Method name: %s", sel_getName(methodSelector));
}
free(methods); 

• class_copyMethodList：返回类的实例方法列表。
• method_getName：获取方法的选择子。
• method_getTypeEncoding：获取方法的类型编码。
• sel_getName：将选择器转换为字符串。

获取类方法列表

获取类方法列表的过程和获取实例方法列表类似，只不过你需要使用 class_copyMethodList 获取的是类本身（而不是类的实例）的方法列表。

unsigned int methodCount = 0;
Method *methods = class_copyMethodList(object_getClass([MyClass class]), &methodCount);
for (unsigned int i = 0; i < methodCount; i++) {Method method = methods[i];SEL methodSelector = method_getName(method);const char *methodTypeEncoding = method_getTypeEncoding(method);NSLog(@"Class method name: %s", sel_getName(methodSelector));
}
free(methods);

• object_getClass：获取类的元类（meta-class），元类包含了类方法。

其他方法

在使用objc_msgSend的时候，我们注意到我们的返回值是OC对象，但如果我们这个函数返回的是其他内容，例如：结构体，浮点数和超类的极端情况出现时，objc_msgSend可能就有局限性了。那么自然有其他的方法来解决这些问题

objc_msgSend_stret

当待发送的消息返回结构体时，可交由此函数处理。
前提条件：只有当 CPU 的寄存器能够容纳返回类型时，此函数才能处理该消息。
如果返回的结构体太大，无法完全容纳于 CPU 寄存器中，那么将会由另一个函数执行消息派发。此时，那个函数会在栈上分配一个变量来处理返回的结构体。

objc_msgSend_fpret

当消息返回的是浮点数时，可交由此函数处理。
原因：在某些 CPU 架构中，调用函数时需要特别处理浮点数寄存器（Floating-point register），即浮点数的处理方式与普通寄存器不同。因此，通常的 objc_msgSend 在这种情况下并不合适。此函数主要用于处理像 x86 架构等需要特殊处理的 CPU 环境。

objc_msgSendSuper

如果要给超类发送消息（例如 [super message:parameter]），则交由此函数处理。
此外，还有两个与 objc_msgSend_stret 和 objc_msgSend_fpret 等效的函数，用于处理发给超类的相应消息。

尾调用优化

尾调用优化（TCO）是一种编译器优化技术。它的核心思想是 如果一个函数的最后一个操作是调用另一个函数，并且这个函数的返回值不会被进一步使用，那么编译器可以避免为这个函数创建新的栈帧。

尾调用的条件是：

1. 最后一个操作是直接调用另一个函数。
2. 返回值没有进一步的操作（比如乘法、加法等）。

具体是否使用尾调用优化的情景，可以看这篇文章

正常我们调用一个递归的函数，CPU会不断向调用堆栈之中推入栈帧，如下图

每次我们通过 objc_msgSend 调用一个方法时，都会为这次调用创建一个新的栈帧。栈帧包含了当前方法调用的信息，如参数、返回地址等。由于 OC 的动态特性，objc_msgSend 需要在调用之前处理很多工作，比如查找方法的实现、解析参数等，这些都需要在栈中存储信息。

书中的原话：

只有当某个函数的最后一个操作仅仅是调用另一个函数，并且不使用该函数的返回值时，才可以执行“尾调用优化”（Tail Call Optimization）。
在 Objective-C 中，objc_msgSend 的尾调用优化非常关键。如果没有进行尾调用优化，每次调用 Objective-C 方法时，都需要为调用 objc_msgSend 函数准备一个新的“栈帧”。这些栈帧会在 “栈踪迹”（stack trace）中可见。

如果不进行尾调用优化，调用栈会不断增长，可能会导致“栈溢出”（stack overflow）现象。栈溢出通常发生在递归调用或大量函数调用没有得到优化时，导致栈空间耗尽。

以下是使用尾调用优化时，函数栈帧的变化，都是共用同一个栈帧

总结

消息其实就是由接受者，选择子和方法参数所构成，给对象发送消息其实就是相当于在该对象之中调用方法。通过 objc_msgSend，方法的调用变得非常灵活，可以在运行时根据对象和方法选择器找到并执行相应的方法。这个机制为我们后面学习的动态方法解析、消息转发、方法交换等强大的特性做了铺垫。

参考文章

iOS objc_msgSend尾调用优化机制