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前言

這篇文章主要是分析cache_t流程。通過源碼探索下類的cache_t主要緩存了哪些信息，又是怎么緩存的。
分析環境：arm64 構架，iPhone 真機編譯環境下。

cache的存儲內容

我們先來看下cache_t的源碼

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED//macOS、模擬器 -- 主要是架構區分
    // explicit_atomic 顯示原子性，目的是為了能夠 保證 增刪改查時 線程的安全性
    //等價于 struct bucket_t * _buckets;
    //_buckets 中放的是 sel imp
    //_buckets的讀取 有提供相應名稱的方法 buckets()
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16 //64位真機
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;//寫在一起的目的是為了優化
    mask_t _mask_unused;
    
    //以下都是掩碼，即mask -- 類似于isa的掩碼，即位域
    // 掩碼省略....
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4 //非64位 真機
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;

    //以下都是掩碼，即mask -- 類似于isa的掩碼，即位域
    // 掩碼省略....
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;

public: //對外公開可以調用的方法
    static bucket_t *emptyBuckets(); // 清空buckets
    
    struct bucket_t *buckets(); //這個方法的實現很簡單就是_buckets對外的一個獲取函數
    mask_t mask();  //獲取緩存容量_mask
    mask_t occupied(); //獲取已經占用的緩存個數_occupied
    void incrementOccupied(); //增加緩存，_occupied自++
    void setBucketsAndMask(struct bucket_t *newBuckets, mask_t newMask); //這個函數是設置一個新的Buckets
    void initializeToEmpty();
    unsigned capacity();
    bool isConstantEmptyCache();
    bool canBeFreed();
}

我們再來看下bucket_t的源碼實現

struct bucket_t {
private:
#if __arm64__ //真機
    //explicit_atomic 是加了原子性的保護
    explicit_atomic<uintptr_t> _imp;
    explicit_atomic<SEL> _sel;
#else //非真機
    explicit_atomic<SEL> _sel;
    explicit_atomic<uintptr_t> _imp;
#endif
    //方法等其他部分省略
}

通過源碼分析可知，cache中緩存的是sel-imp，也就是方法索引和方法實現。

通過例子分析cache的緩存內容

準備工作，定義一個WJPerson類，然后添加一下方法和屬性

@interface WJPerson : NSObject
{
    NSString *habby;
}

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)sayHello;

- (void)sayHowAreYou;

- (void)sayIamFine;

- (void)sayThanksYou;

- (void)sayAndYou;

+ (void)sayGoodbye;

@end

@implementation WJPerson

- (void)sayHello{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

- (void)sayHowAreYou{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

- (void)sayIamFine{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

- (void)sayThanksYou{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

- (void)sayAndYou{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

+ (void)sayGoodbye{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

@end

然后在main.m中創建一個對象，并調用方法打好斷點，然后運行啟動。

main.m內的實現及斷點位置

lldb調試

哎，不對啊，我們還沒有調用自定義方法呢，這里怎么就有sel和imp了呢。有的同學會說是init，到底是不是呢，接下來我們驗證一下。

buckets中的第一個方法

可以看到這里確實是init方法。
接下來我們走的第二個斷點，看下接下來的數據。我們再執行下上面的步驟

第二個斷點lldb調試

居然沒有數據了，這是什么情況？？？剛才不還有一個init方法嗎。是不是不在第一個位置啊，我們再看一下buckets中的其他元素。

buckets其他元素

可以看到確實有的元素是有值的，為什么會這樣呢，但是通過lldb這樣找太麻煩了，有沒有一種更簡單的方式。接下來我們通過更簡單的方式來看一下。

typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits

struct wj_bucket_t {
    SEL _sel;
    IMP _imp;
};

struct wj_cache_t {
    struct wj_bucket_t * _buckets;
    mask_t _mask;
    uint16_t _flags;
    uint16_t _occupied;
};

struct wj_class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
};

struct wj_objc_class {
    Class ISA;
    Class superclass;
    struct wj_cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    struct wj_class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        
        WJPerson *person = [[WJPerson alloc] init];
        Class personClass = [person class];
        [person sayHello];
//        [person sayHowAreYou];
//        [person sayIamFine];
//        [person sayThanksYou];
//        [person sayAndYou];
        [personClass sayGoodbye];
        
        
        struct wj_objc_class *wj_pClass = (__bridge struct wj_objc_class *)(personClass);
        NSLog(@"%hu - %u",wj_pClass->cache._occupied,wj_pClass->cache._mask);
        for (mask_t i = 0; i<wj_pClass->cache._mask; i++) {
            // 打印獲取的 bucket
            struct wj_bucket_t bucket = wj_pClass->cache._buckets[i];
            NSLog(@"%@ - %p",NSStringFromSelector(bucket._sel),bucket._imp);
        }
        
        NSLog(@"%@", personClass);
        
    }
    return 0;
}

我們把cache_t相關的源碼拷貝過來，加工成我們自己的wj_cache_t，然后通過我們自己的wj_cache_t看一下緩存結果。
首先我們只調用其中一個方法，看下打印結果

打印結果1

然后我們調用兩個的方法，再看下打印結果

打印結果2

最后我們調用一下全部的方法，再看下打印結果

打印結果3

針對上面的打印結果，有以下幾點疑問

occupied 和 mask是什么，又是怎么變化的呢。
為什么會出現有的方法沒有打印的情況呢。
為什么buckets中方法的順序和我們的調用順序不一致呢。

接下來我們分析下cache_t的源碼

cache_t源碼分析

cache_t方法

查看cache_t結構，發現public方法處，有incrementOccupied函數和setBucketsAndMask函數。
進入incrementOccupied發現只是執行了_occupied++。

void cache_t::incrementOccupied() 
{
    _occupied++;
}

進入setBucketsAndMask發現每次都是重新設置_buckets和_mask，并且把_occupied設置為0

void cache_t::setBucketsAndMask(struct bucket_t *newBuckets, mask_t newMask)
{
    // objc_msgSend uses mask and buckets with no locks.
    // It is safe for objc_msgSend to see new buckets but old mask.
    // (It will get a cache miss but not overrun the buckets' bounds).
    // It is unsafe for objc_msgSend to see old buckets and new mask.
    // Therefore we write new buckets, wait a lot, then write new mask.
    // objc_msgSend reads mask first, then buckets.

#ifdef __arm__
    // ensure other threads see buckets contents before buckets pointer
    mega_barrier();

    _buckets.store(newBuckets, memory_order::memory_order_relaxed);
    
    // ensure other threads see new buckets before new mask
    mega_barrier();
    
    _mask.store(newMask, memory_order::memory_order_relaxed);
    _occupied = 0;
#elif __x86_64__ || i386
    // ensure other threads see buckets contents before buckets pointer
    // 存儲新的buckets
    _buckets.store(newBuckets, memory_order::memory_order_release);
    
    // ensure other threads see new buckets before new mask
    // 存儲新的mask
    _mask.store(newMask, memory_order::memory_order_release);
    // occupied占用z設為0
    _occupied = 0;
#else
#error Don't know how to do setBucketsAndMask on this architecture.
#endif
}

通過這兩個方法的實現，我們發現incrementOccupied是執行計數加一操作，那么我們判斷調用incrementOccupied方法的地方應該就是核心業務處理的過程，所以我們搜索incrementOccupied去看看哪里調用了它。發現只有cache_t::insert使用到了它。那我們再找下cache->insert又在哪里被使用了呢，發現只有一處cache_fill調用了cache->insert，然后我們再往上找，發現找不到調用cache_fill的地方，說明這里又是經過編譯器做了處理，所以我們今天就只討論cache_fill —>insert里的操作。
我們先來看下cache_fill的源碼

void cache_fill(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
    runtimeLock.assertLocked(); // runtime鎖  assert斷言
#if !DEBUG_TASK_THREADS 
    // Never cache before +initialize is done
    if (cls->isInitialized()) {
        cache_t *cache = getCache(cls);//獲取當前的cache緩存池
#if CONFIG_USE_CACHE_LOCK
        mutex_locker_t lock(cacheUpdateLock);
#endif
        cache->insert(cls, sel, imp, receiver);//向緩存池中插入信息
    }
#else
    _collecting_in_critical();
#endif
}

然后我們看下cache_t::insert的源碼

void cache_t::insert(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
#if CONFIG_USE_CACHE_LOCK
    cacheUpdateLock.assertLocked();
#else
    runtimeLock.assertLocked();
#endif

    ASSERT(sel != 0 && cls->isInitialized());

    // 原occupied計數+1
    mask_t newOccupied = occupied() + 1;

    // 進入查看： return mask() ? mask()+1 : 0;
    // 就是當前mask有值就+1，否則設置初始值0
    unsigned oldCapacity = capacity(), capacity = oldCapacity;
    
    // 當前緩存是否為空
    if (slowpath(isConstantEmptyCache())) {
        
        // Cache is read-only. Replace it.
        // 如果為空，就給空間設置初始值4
        // (進入INIT_CACHE_SIZE查看，可以發現就是1<<2，就是二進制100，十進制為4)
        if (!capacity) capacity = INIT_CACHE_SIZE;
        
        // 創建新空間（第三個入參為false，表示不需要釋放舊空間）
        reallocate(oldCapacity, capacity, /* freeOld */false);
    
    }
    
    // CACHE_END_MARKER 就是 1
    // 如果當前計數+1 < 空間的 3/4。 就不用處理
    // 表示空間夠用。 不需要空間擴容
    else if (fastpath(newOccupied + CACHE_END_MARKER <= capacity / 4 * 3)) {
        // Cache is less than 3/4 full. Use it as-is.
    }
    
    // 如果計數大于3/4， 就需要進行擴容操作
    else {
        // 如果空間存在，就2倍擴容。 如果不存在，就設為初始值4
        capacity = capacity ? capacity * 2 : INIT_CACHE_SIZE;
        
        // 防止超出最大空間值（2^16 - 1）
        if (capacity > MAX_CACHE_SIZE) {
            capacity = MAX_CACHE_SIZE;
        }
        
        // 創建新空間（第三個入參為true，表示需要釋放舊空間）
        reallocate(oldCapacity, capacity, true);
    }

    // 讀取現在的buckets數組
    bucket_t *b = buckets();
    
    // 新的mask值(當前空間最大存儲大小)
    mask_t m = capacity - 1;
    
    // 使用hash計算當前函數的位置(內部就是sel & m， 就是取余操作，保障begin值在m當前可用空間內)
    mask_t begin = cache_hash(sel, m);
    mask_t i = begin;

    do {
        // 如果當前位置為空（空間位置沒被占用）
        if (fastpath(b[i].sel() == 0)) {
            // Occupied計數+1
            incrementOccupied();
            // 將sle和imp與cls關聯起來并寫入內存中
            b[i].set<Atomic, Encoded>(sel, imp, cls);
            return;
        }
        
        // 如果當前位置有值(位置被占用)
        if (b[i].sel() == sel) {
            // The entry was added to the cache by some other thread
            // before we grabbed the cacheUpdateLock.
            // 直接返回
            return;
        }
        // 如果位置有值，再次使用哈希算法找下一個空位置去寫入
        // 需要注意的是，cache_next內部有分支： 
        // 如果是arm64真機環境： 從最大空間位置開始，依次-1往回找空位
        // 如果是arm舊版真機、x86_64電腦、i386模擬器： 從當前位置開始，依次+1往后找空位。不能超過最大空間。
        // 因為當前空間是沒超出mask最大空間的，所以一定有空位置可以放置的。
    } while (fastpath((i = cache_next(i, m)) != begin));

    // 各種錯誤處理
    cache_t::bad_cache(receiver, (SEL)sel, cls);
}

我們再看下reallocate方法的實現，看下他是怎么對內存空間進行操作的

bucket_t *allocateBuckets(mask_t newCapacity)
{
    // 創建1個bucket
    bucket_t *newBuckets = (bucket_t *)
        calloc(cache_t::bytesForCapacity(newCapacity), 1);
    // 將創建的bucket放到當前空間的最尾部，標記數組的結束
    bucket_t *end = cache_t::endMarker(newBuckets, newCapacity);

#if __arm__
    // End marker's sel is 1 and imp points BEFORE the first bucket.
    // This saves an instruction in objc_msgSend.
    end->set<NotAtomic, Raw>((SEL)(uintptr_t)1, (IMP)(newBuckets - 1), nil);
#else
    // 將結束標記為sel為1，imp為這個buckets
    end->set<NotAtomic, Raw>((SEL)(uintptr_t)1, (IMP)newBuckets, nil);
#endif
    
    // 只是打印記錄
    if (PrintCaches) recordNewCache(newCapacity);
    
    // 返回這個bucket
    return newBuckets;
}

我們看下allocateBuckets開辟新空間的操作

bucket_t *allocateBuckets(mask_t newCapacity)
{
    // 創建1個bucket
    bucket_t *newBuckets = (bucket_t *)
        calloc(cache_t::bytesForCapacity(newCapacity), 1);
    // 將創建的bucket放到當前空間的最尾部，標記數組的結束
    bucket_t *end = cache_t::endMarker(newBuckets, newCapacity);

#if __arm__
    // End marker's sel is 1 and imp points BEFORE the first bucket.
    // This saves an instruction in objc_msgSend.
    end->set<NotAtomic, Raw>((SEL)(uintptr_t)1, (IMP)(newBuckets - 1), nil);
#else
    // 將結束標記為sel為1，imp為這個buckets
    end->set<NotAtomic, Raw>((SEL)(uintptr_t)1, (IMP)newBuckets, nil);
#endif
    
    // 只是打印記錄
    if (PrintCaches) recordNewCache(newCapacity);
    
    // 返回這個bucket
    return newBuckets;
}

最后我們看下cache_collect_free是怎么釋放內存空間的

static void cache_collect_free(bucket_t *data, mask_t capacity)
{
#if CONFIG_USE_CACHE_LOCK
    cacheUpdateLock.assertLocked();
#else
    runtimeLock.assertLocked();
#endif

    if (PrintCaches) recordDeadCache(capacity);
    
    // 垃圾房： 開辟空間 （如果首次，就開辟初始空間，如果不是，就空間*2進行拓展）
    _garbage_make_room ();
    // 將當前擴容后的capacity加入垃圾房的尺寸中，便于后續釋放。
    garbage_byte_size += cache_t::bytesForCapacity(capacity);
    // 將當前新數據data存放到 garbage_count 后面 這樣可以釋放前面的，而保留后面的新值
    garbage_refs[garbage_count++] = data;
    // 不記錄之前的緩存 = 【清空之前的緩存】。
    cache_collect(false);
}

最后我們可以總結一個流程圖

cacht_t流程分析圖

經過我們的分析，相信你對前面的疑問已經有了答案。
1.occupied 和 mask是什么，又是怎么變化的呢。
函數寫入cache緩存時，occupied會加1，mask記錄當前cache最大可存儲空間。
當inset緩存的操作，觸發空間使用率超過3/4，空間2倍擴容時，mask記錄新空間的最大可存儲大小，因為舊空間被釋放，之前cache的所有內容都被垃圾房清空了，所以occupied重置為0。從新開始計數
2. 為什么會出現有的方法沒有打印的情況呢。
因為觸發空間擴容時，舊空間被釋放，所以cache中的舊值都被清空。新值插入新cache空間。
3. 為什么buckets中方法的順序和我們的調用順序不一致呢。
插入操作是使用的hash算法。插入位置是經過取余計算的。且如果插入位置已經有值，就會不停的后移1位，直到找到空位置完成插入位置。

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iOS底層之cache_t探索

iOS底層之cache_t探索

前言

cache的存儲內容

通過例子分析cache的緩存內容

cache_t源碼分析

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iOS底層之cache_t探索

前言

cache的存儲內容

通過例子分析cache的緩存內容

cache_t源碼分析

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