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本文探索的的主要是兩點

1、cache_t的結(jié)構(gòu)

2、cache_t里存儲的哪些

cache_t結(jié)構(gòu)分析

打開源碼，點進(jìn)cache_t中查看cache_t的底層代碼

便于分析，暫時剔除去里面的static等靜態(tài)變量

#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;

public:
//省略方法

首先搞清楚這里的用來做判斷條件的宏是什么意思

#if defined(__arm64__) && __LP64__//真機(jī)（64位）
#define CACHE_MASK_STORAGE CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
#elif defined(__arm64__) && !__LP64__//真機(jī)（非64位）
#define CACHE_MASK_STORAGE CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
#else
#define CACHE_MASK_STORAGE CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED//模擬器或者macOS
#endif

以上代碼大致可以cache_t所包含的內(nèi)容:
非真機(jī)端：_buckets 、_mask 、flags 、_occupied
真機(jī)端：_maskAndBuckets 、flags 、_occupied
注：真機(jī)端時，_maskAndBuckets ，編譯器為了優(yōu)化，將_buckets 、_mask 合并

-再看下_buckets包含哪些

struct bucket_t {
private:
#if __arm64__
    explicit_atomic<uintptr_t> _imp;
    explicit_atomic<SEL> _sel;
#else
    explicit_atomic<SEL> _sel;
    explicit_atomic<uintptr_t> _imp;
#endif

_buckets包含了_imp和_sel,真機(jī)和非真機(jī)只是imp和sel的順序不一樣
至此我們可以得出cache_t內(nèi)包含的的就是_buckets 、_mask 、flags 、_occupied

下面我們分析cache-t是怎么緩存imp-sel以及 flags和_occupied的含義

cache_t流程分析

1、源碼環(huán)境下分析

在person類里創(chuàng)建多個方法

@implementation LGPerson
- (void)sayHello{
    NSLog(@"LGPerson say : %s",__func__);
}

- (void)sayCode{
    NSLog(@"LGPerson say : %s",__func__);
}

- (void)sayMaster{
    NSLog(@"LGPerson say : %s",__func__);
}

- (void)sayNB{
    NSLog(@"LGPerson say : %s",__func__);
}

+ (void)sayHappy{
    NSLog(@"LGPerson say : %s",__func__);
}
@end

main文件里調(diào)用方法

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        LGPerson *p  = [LGPerson alloc];
        Class pClass = [LGPerson class];
        [p sayHello];
        [p sayCode];
        [p sayMaster];

在[p sayHello]處打斷點，打印結(jié)果如下

執(zhí)行到sayHello時

往下走，執(zhí)行完[p sayHello]后，發(fā)現(xiàn)

執(zhí)行完sayHello

我們發(fā)現(xiàn)_occupied 值發(fā)生變化，由0->1了，可以得出，_occupied是占用位置的意義,并且我門發(fā)現(xiàn)imp也有值了,

我們來看一下，sel-IMP內(nèi)容
我們知道sel-imp存在于bucket里，那我們就在bucket里找獲取 sel-imp的函數(shù)

讀取bucket

到bucket里

image.png

下面我們獲取sel和imp

image.png

buckets是一個數(shù)組，上面操作實際的獲取的buckets中的第一個元素，我們繼續(xù)往下走，看是否是打印出第二個的方法

image.png

可以看出，cahe_t中存儲了運(yùn)行完的方法

下面我們繼續(xù)走完所有的方法

首先看下cache_t的情況

image.png

mask、occpupied都發(fā)生了變化，

再打印看下imp、sel的情況

image.png

只存儲了最后一個方法

現(xiàn)在我們再添加一些方法，試試添加屬性。看是否被存儲

image.png

數(shù)組中只有1、2、3有值，且2、3順序并不是代碼中方法的執(zhí)行順序

至此可以得出一些奇怪的現(xiàn)象

1、occupied和mask在變化，且既不是遞增也不是遞減的變化，是按照什么規(guī)則變化？mask代表什么？
2、sel和imp丟失了，為什么？
3、方法的存儲順序和執(zhí)行順序不一致

下面我們就著重分析這三個疑問，為了便于打印，我們可以將源碼的數(shù)據(jù)類型復(fù)制進(jìn).m文件中

2、脫離源碼環(huán)境下分析

注意點:

只要保留好底層結(jié)構(gòu)、剔除無用的代碼
1、需要類。所有OC類都是以底層objc_class為模板創(chuàng)建的，所以我們可以直接將任何類強(qiáng)轉(zhuǎn)為wl_objc_class。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)讀取,因為沒有繼承來的objc_class,所以結(jié)構(gòu)中要加上ISA
2、需要cache_t，進(jìn)去cache_t源碼里精煉出結(jié)構(gòu)，其中 explicit_atomic(原子性，用于多線程操作時，數(shù)據(jù)的安全優(yōu)化)可以去除
3、需要buckets，包含imp和sel
4、需要mask，進(jìn)去查看，mask本質(zhì)是uint32_t
最終提煉出最終的需要的類型結(jié)構(gòu)

truct wl_bucket_t {
    SEL _sel;
    IMP _imp;
};

struct wl_cache_t {
    struct wl_bucket_t * _buckets;
    mask_t _mask;
    uint16_t _flags;
    uint16_t _occupied;
};

struct wl_class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
};

struct wl_objc_class {
    Class ISA;
    Class superclass;
    struct wl_cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    struct wl_class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
};

加入到代碼中使用

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

struct wl_bucket_t {
    SEL _sel;
    IMP _imp;
};

struct wl_cache_t {
    struct wl_bucket_t * _buckets;
    mask_t _mask;
    uint16_t _flags;
    uint16_t _occupied;
};

struct wl_class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
};

struct wl_objc_class {
    Class ISA;
    Class superclass;
    struct wl_cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    struct wl_class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LGPerson *p  = [LGPerson alloc];
        Class pClass = [LGPerson class];  // objc_clas
        [p say1];
        [p say2];
        [p say3];
        [p say4];
        struct wl_objc_class *wl_pClass = (__bridge struct wl_objc_class *)(pClass);
        NSLog(@"%hu - %u",wl_pClass->cache._occupied,wl_pClass->cache._mask);
        for (mask_t i = 0; i<wl_pClass->cache._mask; i++) {
            // 打印獲取的 bucket
            struct wl_bucket_t bucket = wl_pClass->cache._buckets[i];
            NSLog(@"%@ - %p",NSStringFromSelector(bucket._sel),bucket._imp);
        }

        
        NSLog(@"Hello, World!");

打印顯示

image.png

以上，可以更清晰感受出occupied和mask的意義、sel-imp打印順序和調(diào)用順序不匹配的問題以及相關(guān)bucket丟失的問題

1、occupied：當(dāng)前在緩存中的方法占有空間
2、mask：整個緩存所擁有總空間
3、丟失了一些緩存的方法以及方法插入的位置不是原順序

下面我們帶著這些疑問像cachet原理探索

cache_t原理分析

步驟：
一、尋找影響occupied 和mask值的函數(shù)
二、緩存空間是如何分配的

步驟一：

在cachet里，我們發(fā)現(xiàn)有以下關(guān)于occupied函數(shù)

image.png

字面意思是occupied的增加方法，查看該函數(shù)的實現(xiàn)

void cache_t::incrementOccupied() //occupied自增
{
    _occupied++;
}

繼續(xù)在源碼中搜索在哪里調(diào)用此函數(shù)

image.png

insert方法調(diào)用了occupied自增函數(shù),insert可以理解為緩存的插入，即 sel-imp插入緩存的函數(shù)

下面即insert全局搜索

image.png

發(fā)現(xiàn)關(guān)于cache中的insert函數(shù)在cache_fill中也被調(diào)用

全局搜索cache_fill

image.png

發(fā)現(xiàn)在插入cache前，先讀取了cache，即先sel-imp從緩存中讀取，然后再將sel-imp寫入緩存中。
這個在下面章節(jié)(消息發(fā)送）中探索，先查看插入函數(shù)是怎么操作的

回到insert函數(shù)里

image.png

以上分為三個步驟
【一】計算occupied:即當(dāng)前所占緩存大小，當(dāng)沒有調(diào)用屬性set方法時或者init方法時，occupied為0,那么newOccupied=1

mask_t newOccupied = occupied() + 1;

【二】計算緩存所要使用的總空間:
注：其中每一個判讀里都有一個reallocate函數(shù)
查看得知是一個釋放舊空間，獲取新空間的實現(xiàn)函數(shù)

image.png

分析具體分配空間的操作

首先,如果是第一次創(chuàng)建，空間初始值為4

//oldCapacity 和 capacity的初始值都為0
    unsigned oldCapacity = capacity(), capacity = oldCapacity;
    if (slowpath(isConstantEmptyCache())) {
        // Cache is read-only. Replace it.
        //初始空間為0時,capacity = INIT_CACHE_SIZE = 1 << 2 = 4
        if (!capacity) capacity = INIT_CACHE_SIZE;
        reallocate(oldCapacity, capacity, /* freeOld */false);
    }

如果緩存空間<= 3/4時,緩存還是4個不變。如:初始時，newOccupied為1，所開辟總空間還是為4

//初始時：1+1 <= 3
    else if (fastpath(newOccupied + CACHE_END_MARKER <= capacity / 4 * 3)) {
        // Cache is less than 3/4 full. Use it as-is.
    }

如果緩存大小 > 3/4時，如:newOccupied為3，所開辟總空間為4*2 = 8

else {
        //如果計數(shù)大于3/4， 就需要進(jìn)行擴(kuò)容操作
        // 如果空間存在，就2倍擴(kuò)容。 如果不存在，就設(shè)為初始值4
        capacity = capacity ? capacity * 2 : INIT_CACHE_SIZE;
        //最大擴(kuò)容空間為1<<16 = 2^15
        if (capacity > MAX_CACHE_SIZE) {
            capacity = MAX_CACHE_SIZE;
        }
        //釋放舊空間，創(chuàng)建新緩存空間（第三個入?yún)閠rue，表示需要釋放舊空間）
        reallocate(oldCapacity, capacity, true);
    }

【三】將sel-imp寫進(jìn)緩存

image.png

首先用cache_hash哈希算法設(shè)置方法首次要插入的位置

static inline mask_t cache_hash(SEL sel, mask_t mask) 
{
    //通過sel & mask（mask = cap -1）
    return (mask_t)(uintptr_t)sel & mask;
}

判斷要插入的位置是否已被占用，如果被占用，即使用哈希沖突算法cache_next重新計算位置

#if __arm__  ||  __x86_64__  ||  __i386__
#define CACHE_END_MARKER 1
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
    //非真機(jī)以及老的arm真機(jī)環(huán)境下，向后走一位。將當(dāng)前的下標(biāo) +1 & mask，重新進(jìn)行哈希計算，得到一個新的下標(biāo)
    return (i+1) & mask;
}

#elif __arm64__
#define CACHE_END_MARKER 0
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
    //如果i是空，則為mask，mask = cap -1，如果不為空，則 i-1，向前插入sel-imp
    return i ? i-1 : mask;
}

即有三種情況

如果哈希下標(biāo)的位置未存儲sel，即該下標(biāo)位置獲取sel等于0，此時將sel存儲進(jìn)去
當(dāng)前哈希下標(biāo)存儲的sel 等于即將插入的sel，說明已經(jīng)存儲進(jìn)去了，直接返回
如果當(dāng)前哈希下標(biāo)存儲的sel 不等于即將插入的sel，則經(jīng)過哈希沖突算法，重新進(jìn)行計算，得到新的下標(biāo)，再去對比進(jìn)行存儲

至此，cache_t原理分析完畢，針對于以上的疑問，我們可以得出答案了

1、 mask是掩碼，大小=緩存方法所開辟的總空間大小 - 1，作用是用來和需插入到緩存的sel進(jìn)行&操作，得出sel下標(biāo)
2、 occupied表示哈希表中 sel-imp 的占用大小 (即可以理解為分配的內(nèi)存中已經(jīng)存儲了sel-imp的的個數(shù))，其中init、屬性賦值、方法調(diào)用都會增加occupied的大小
3、隨著方法的調(diào)用，mask的大小比實際需要大小要大，是因為，當(dāng)目前使用使用的大小+1 > 3/4*總大小時，空間會擴(kuò)容到目前的2倍，假如如目前是2個方法調(diào)用，因為初始空間capacity是4，occupied = 2，那么newOccupied = 2+1 = 3，newOccupied + CACHE_END_MARKER >= capacity / 4 * 3（其中CACHE_END_MARKER = 1),此時capacity就會擴(kuò)容到8，所以我們只調(diào)用了2個方法時。打印出來的mask已經(jīng)為7了
4、方法存儲順序和調(diào)用順序不一致：是因為可能目前空間已經(jīng)>3/4了，需要釋放了舊的空間，重新分配了空間。方法的下標(biāo)使用哈希算法計算得出的，可能之前的下標(biāo)已經(jīng)被其他方法占用，產(chǎn)生了沖突，利用哈希沖突算法重新計算下標(biāo)，存儲方法，所以順序是隨機(jī)的。
5、丟失了一些方法：擴(kuò)容時，是將原有的內(nèi)存全部清除了，再重新申請了內(nèi)存導(dǎo)致的

最后，我們可以得出整個cache_t操作流程
后補(bǔ)

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objc_class中的cache_t分析

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cache_t流程分析

至此可以得出一些奇怪的現(xiàn)象

下面我們就著重分析這三個疑問，為了便于打印，我們可以將源碼的數(shù)據(jù)類型復(fù)制進(jìn).m文件中

cache_t原理分析

即有三種情況

至此，cache_t原理分析完畢，針對于以上的疑問，我們可以得出答案了

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即有三種情況

至此，cache_t原理分析完畢，針對于以上的疑問，我們可以得出答案了

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