吴品诚的技术博客

objc_class 中对 cache 属性的初探

2021-07-08

今天我们来探索下类的 cache 属性，cache 顾名思义就是 缓存，那么它到底缓存的是什么数据呢？

cache 存的是什么？

源码在手，天下我有！

那我们就直接从 objc 源码下手，跟着源码一直溯源，看看有没有什么蛛丝马迹。

  • 先来看下类的定义：objc_class
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits; 
    ...
};

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
    ...
};

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    uintptr_t bits;

private:
    // Accessing the class requires custom ptrauth operations, so
    // force clients to go through setClass/getClass by making this
    // private.
    Class cls;
    
    ...
};
  • cache_t
struct cache_t {
private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask;
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;
#endif
            uint16_t                   _occupied;
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;
    };

public:
    struct bucket_t *buckets() const;
    void insert(SEL sel, IMP imp, id receiver);
    ...
};

通过查看 cache_t 的源码，发现基本在围绕着 bucket_t 这个数据做一些不可描述的事情。

  • bucket_t
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
    ...
};

顺着 objc_class –> cache_t –> bucket_t 这条线索，我们发现了两个关键的东西 _sel 和 _imp，那是不是就如我们看到的那样，cache 中缓存的就是方法呢？？？

验证猜测

老规矩，上测试代码：

@interface MYObject : NSObject
- (void)sayHello;
+ (void)say666;
@end

@implementation MYObject
- (void)sayHello {
    NSLog(@"hello");
}
+ (void)say666 {
    NSLog(@"666");
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MYObject *obj = [[MYObject alloc] init];
        [obj sayHello];
        NSLog(@"---"); // 此处下断点
    }
    return 0;
}

为了验证 cache 是否存储了成员方法，那我们就需要先拿到 bucket_t 这个数据。

  • 获取 cache_t

  • 获取 bucket_t 并打印 _sel 和 _imp 所对应的数据

以下为详细的调试Log：

(lldb) p/x MYObject.class
(Class) $0 = 0x0000000100008130 MYObject
(lldb) p/x (cache_t *)(0x0000000100008130 + 0x10)
(cache_t *) $1 = 0x0000000100008140
(lldb) p *$1
(cache_t) $2 = {
  _bucketsAndMaybeMask = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = {
      Value = 4316096928
    }
  }
   = {
     = {
      _maybeMask = {
        std::__1::atomic<unsigned int> = {
          Value = 3
        }
      }
      _flags = 32784
      _occupied = 2
    }
    _originalPreoptCache = {
      std::__1::atomic<preopt_cache_t *> = {
        Value = 0x0002801000000003
      }
    }
  }
}
(lldb) p $2.buckets()
(bucket_t *) $3 = 0x00000001014269a0
(lldb) p $3[1]
(bucket_t) $4 = {
  _sel = {
    std::__1::atomic<objc_selector *> = "" {
      Value = ""
    }
  }
  _imp = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = {
      Value = 3510592
    }
  }
}
(lldb) p $4.sel()
(SEL) $5 = "init"
(lldb) p $4.imp(nil, MYObject.class)
(IMP) $6 = 0x0000000100351070 (libobjc.A.dylib`-[NSObject init] at NSObject.mm:2557)
(lldb) p $3[2]
(bucket_t) $7 = {
  _sel = {
    std::__1::atomic<objc_selector *> = "" {
      Value = ""
    }
  }
  _imp = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = {
      Value = 49072
    }
  }
}
(lldb) p $7.sel()
(SEL) $8 = "sayHello"
(lldb) p $7.imp(nil, MYObject.class)
(IMP) $9 = 0x0000000100003e80 (MYTest`-[MYObject sayHello] at main.m:21)
(lldb)

结论：通过上面的验证，可以确定 cache 中缓存的就是 成员方法

补充说明

  • 为什么通过内存平移 0x10 后就能直接拿到 cache

如果你仔细看前面关于 objc_class 的定义的话，那么你应该就会发现了，objc_class 从 objc_object 中继承了一个 isa 属性，然后 cache 前面还有一个 superclass 属性，而 isa 和 superclass 都各占 8 字节，加起来就刚好是 16 字节也就是 0x10

  • 成员方法在缓存中都是懒加载的

你可以把 [obj sayHello] 这行代码注释掉，再来走一遍调试流程，你会发现根本就找不到这个 sayHello 方法，只有一个 init 方法，感兴趣的你可以自己研究研究

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