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Runtime系列文章

先上面試題

//***********????CLPerson.h????************

#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface CLPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
-(void)print;
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END


//***********????CLPerson.m????************ 

#import "CLPerson.h"

@implementation CLPerson

-(void)print {
    NSLog(@"My name's %@", self.name);
}

@end

//***********????ViewController.m????************ 

#import "ViewController.h"
#import "CLPerson.h"

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [CLPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print]；  
}

@end

問題1 [(__bridge id)obj print];中的print方法可以被正常調用嗎？
問題2 print方法最終的打印結果是什么？

運行結果

2019-08-13 17:10:58.075381+0800 iOS-Runtime[29076:3163099] My name's <ViewController: 0x7fce43e08aa0>

從運行結果，print方法可以被成功調用，打印結果是My name's <ViewController: 0x7fce43e08aa0>，從代碼到運行結果，似乎莫名其妙。如果我在毫無防備的情況下碰到這樣的面試題，我會選擇選擇直接起身，優雅離去，同時心里默念WHAT THE FUCK!!!

現在，我們就靜下心來，好好來搞一搞。

①`[(__bridge id)obj print];`中的`print`方法為什么可以被正常調用？

我們先回顧一下正常人是怎么調用方法的

CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
[person print];

相信對于上面的代碼沒有人會有疑問，我們通過一張圖來說明一下，這兩行代碼運行時，內存里面的情況

再看看我們面試題里面的代碼

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [CLPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print]；  
}

可以看出，cls指向CLPerson的Class對象，而obj指向cls，如下圖示

請看圖中的文字說明，因為從本質上說，
指針person-->指針isa-->[CLPerson class]
指針obj-->指針cls-->[CLPerson class]
因此[person print]效果 == [(__bridge id)obj print]效果，這里需要仔細體會一下。

回想一下消息發送的本質，[person print]是從person所指向的結構體(實例對象)取出第一個成員變量isa，然后根據isa找到對應Class對象的內存空間，最后在Class對象的方法列表里面進行方法查找，最后調用方法。

那么[(__bridge id)obj print]，同樣會遵從上面的流程，因為obj所指向的是一個cls指針變量地址，恰巧，這個cls指針指向的就是CLPerson的Class對象的內存空間，所以同樣可以進入到它的方法列表進行查找，最后找到print方法進行調用，到此問題①解釋完畢。

②打印結果為什么是`<ViewController: 0x7fce43e08aa0>`

這個問題有點小復雜，不過沒關系，我們一步一步來

print方法找到后的調用過程
我們知道任何OC方法的底層都是一個C函數，并且函數頭兩個參數是默認參數id self 和 SEL _cmd，那么self是誰呢？以上面代碼為例

CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
[person print];

**********
-(void)print {
    NSLog(@"My name's %@", self.name);
}

在print方法對應的C函數里面，self就是person，而print的內容是打印self.name，也就是必然要通過self，找到成員變量_name，如何找呢，這就需要我們來了解一下實例對象的內存布局，根據我們上面有關CLPerson類的定義，實例變量person的內存布局如下圖

self.name相當于self->_name，因為_name是isa后面緊接著的成員變量，而_name是一個指針，占8個字節大小，因此self->_name實際上得到的就是從self所指向的內存地址往高地址偏移8個字節（跨過isa的大小）后的內存地址，指向一段8字節大小的內存空間，從而獲得person對象的成員變量_name。

如果你還不太了解OC對象內存布局相關知識的，可以參考
OC對象的本質(上) —— OC對象的底層實現原理
 OC對象的本質（下）—— 詳解isa&superclass指針

我在其中進行了詳細闡述。如果對于上面的內容沒有疑問，那么下面接著看面試題中設置的場景，在分析print方法為何能被調用的過程中，我們可以看到實際上

obj指針相當于person指針（也就是print方法里面的self）
cls指針相當于person指針所指向的實例對象里面的isa指針
所以對于面試題的場景，實際上是這樣的

兩張圖本質是一樣的，只不過在面試題的場景里，print方法被調用的時候，其內部的self = obj，因此self.name作用就是從obj所指向的內存空間，往高地址偏移8個字節，而obj指向了cls的內存地址，cls也是是一個指針，所以占8個字節，因此self.name取到的實際上恰好是指針變量cls之后接下來的一段8字節內存空間，所以最終print打印出的就是這段內存里面存儲的內容。而結果我們已經看到了，打印的是<ViewController: 0x7fce43e08aa0>，接下來我們就要分析一下為啥cls下面存著的是ViewController對象。

因為obj，cls都是viewDidLoad方法（函數）里面的局部變量，我們知道函數的局部變量都是放在棧空間里面的。那么你了解函數的棧空間嗎？我們來簡單科普一下。

函數的棧空間簡介

棧空間的作用，是用來存放被調用函數其內部所定義的局部變量的。對于arm64架構來說，這么理解就夠了，如果你恰好了解過8086匯編，那么可能知道，棧空間里面還會存放函數的參數，但是對于arm64來說，函數的參數通常會放到寄存器里面，所以我們就先簡單的認為，函數的棧空間里面放的就是函數的局部變量。而且局部變量的存放順序，是根據定義的先后順序，從函數棧底開始，一個一個排列，最先定義的局部變量位于棧底（高地址），通過下圖來描繪一下

那么我們就來看一下viewDidLoad里面總共有哪些局部變量，再貼一下代碼

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [CLPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print]；  
}

我們看到，viewDidLoad內部只有兩個局部變量，分別是id cls和void *obj，其余的都是方法調用。那么棧里面的情況應該就是

可以看出如果按圖中的分析，print方法將會最終打印棧底之外8個字節里面的內容，但是我們知道一個函數內部是不能訪問其他函數的棧空間的，上圖中的這8個字節明顯超出了當前函數的棧空間，所以無法解釋我們上面看到的打印結果。

其實，這個面試題里面設計了一個很隱藏的貓膩。問題的出口其實是在[super viewDidLoad];這句代碼上，關于super問題，可以參考我在Runtime筆記（五）—— super的本質一文中的解析。這里就直接基于文章中的知識來解決我們當前的問題了。

[super viewDidLoad];展開成底層函數就是

objc_msgSendSuper((__rw_objc_super){
            (id)self,   
            (id)class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))
           },   
            @selector(viewDidLoad));

注意這個函數的第一個參數是一個結構體__rw_objc_super，那么這個結構體參數實際上是在當前viewDidLoad函數的作用域里面被定義賦值，然后再傳入objc_msgSendSuper作為參數的。說白了viewDidLoad還含有一個隱藏局部變量，其內部實際上等同于這么寫

//    [super viewDidLoad];
    struct __rw_objc_super arg = {
        (id)self,
        (id)class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))
    };
    
    objc_msgSendSuper(arg, @selector(viewDidLoad));
    
    id cls = [CLPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print];

所以，viewDidLoad內部第一個局部變量實際上是一個結構體類型struct __rw_objc_super的變量，該結構體內部有兩個id類型（也就是指針變量）的成員變量，并且注意，第一個成員變量是 self，而這個self正式當前方法的消息接受者，也就是ViewController實例對象。需要說明的是，這個self跟我們上面討論print方法里面用到的那個self是不同的兩個對象哦，請用心體會。好了，說多了太繞，直接上圖

綜上所述，print里面通過self.name所拿到的變量，就是圖中cls下面的那8個字節，也就是當前方法的消息接受者self（ViewController實例對象），因此打印的結果是<ViewController: 0x7fce43e08aa0>，好了，所有的問題就都得到解釋了。

接下來，我們通過匯編手段來驗證一下上面推斷，我們先將程序運行至下圖所示的斷點處

此時， viewDidLoad函數棧上所有的局部變量已經賦值完畢，匯編情況如下

從上面的分析可以看出，viewDidLoad函數棧空間大小為48個字節，存放了6個局部變量，每個局部變量8個字節，棧空間的地址范圍是[rbp-0x30] ~ [rbp]，因此想要查看當前棧空間里面內容，可以利用如下LLDB指令：
先讀出當前棧底位置，也就寄存器rbp的值

(lldb) register read rbp
     rbp = 0x00007ffeeaddd130

rbp - 0x30 = 0x7FFEEADDD100 這樣就得到了棧頂的的位置，然后打印出棧頂位置之后的48字節內容（也就是當前的函數棧空間）


(lldb) x/6xg 0x7FFEEADDD100
0x7ffeeaddd100: 0x00007ffeeaddd108 0x0000000104e245c8
0x7ffeeaddd110: 0x00007f9d01508f50 0x0000000104e24500
0x7ffeeaddd120: 0x00007fff527257c0 0x00007f9d01508f50

也就是下圖所示

我們可以挨個打印一下每一個局部變量

(lldb) po 0x00007ffeeaddd108
<CLPerson: 0x7ffeeaddd108>

(lldb) po 0x0000000104e245c8
CLPerson

(lldb) po 0x00007f9d01508f50   -->?????? 實際上 [(__bridge id)obj print]; 的本質就等同于這一句??????
<ViewController: 0x7f9d01508f50>

(lldb) po 0x0000000104e24500
ViewController

(lldb) po 0x00007fff527257c0
140734576613312

(lldb) po 0x00007f9d01508f50
<ViewController: 0x7f9d01508f50>

你或許會好奇為什么_cmd所指向的內容打出來的為什么是140734576613312(=0x00007fff527257c0,也就是它自己)，根據_cmd的地址0x00007fff527257c0，說明它也是棧空間的地址，因為_cmd其實是viewDidLoad上層函數傳過來的參數，因此這個棧空間應該是外層函數的局部變量，也就是說_cmd本質上說是一個指針。那我們看一下所指向的這段內存里面放了什么內容，因為不知道具體的大小，所以我們通過Xcode的內存查看器來看看

原來就是函數viewDidLoad所對應的函數名字符串而已，這樣所以的疑問就掃清了。。。??????

這道面試題確實有點扯，項目中也絕不會這么寫代碼，但從面試的角度，這里面涉及了對于函數棧空間的理解，對于super本質的理解，對于消息機制的理解，對于OC對象本質的理解，在高考里面，屬于最后一道大題的難度級別，本文之前，你可能祈禱千萬別碰到這種變態的面試題，但是本文過后，如果你能完全掌握里面的精髓，我相信大家肯定會祈禱面試碰到這道題，因為光是把里面涉及到的四個對于...的理解都展開講一遍，那一般的面試官估計就要被您給反虐了：）

好了，關于面試的話題，到此結束，希望對大家有幫助，文中如有解釋的不透徹或者不正確的地方，歡迎交流指正，程序員的世界沒有容易二字，加油，與諸君共勉??????。

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