对于 Objective-C 的一些实现，我们可以在 Apple 开源网站上下载 objc4 等源码一探究竟，之前也写了一篇如何 debug objc4 源码的文章。这篇文章是从汇编角度简单的去窥探一下 Objective-C 的一些实现，个人记录下。如 Class Metada、属性、对成员变量的访问、调用类方法、调用实例方法、block 这几个基础常用点。
前言
Objective-C 源文件(.m) 的编译器是 Clang + LLVM，Swift 源文件的编译器是 swift + LLVM。借助 clang 命令，可以查看 .m 文件的汇编结果。
xcrun --sdk iphoneos clang -arch arm64 -S XXXX.m
-arch <arm|arm64|x86_64|i386>: 生成的代码的架构体系
-S：源代码文件。-o：输出文件。
生成汇编代码后，可以比照 objc4 中的源码对应去理解。
Class Metadata
@interface
#import "THNormalClass.h"
@interface THNormalClass()
@end
复制代码 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version ios, 15, 2 sdk_version 15, 2
.section __DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip
L_OBJC_IMAGE_INFO:
.long 0
.long 64
.subsections_via_symbol
复制代码编译器对 @interface 并未产生啥汇编代码。
-
@implementation#import "THNormalClass.h" @interface THNormalClass() @end @implementation THNormalClass @end 复制代码.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .build_version ios, 15, 2 sdk_version 15, 2 .section __TEXT,__objc_classname,cstring_literals l_OBJC_CLASS_NAME_: ; @OBJC_CLASS_NAME_ .asciz "THNormalClass" .section __DATA,__objc_const .p2align 3 ; @"_OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass" __OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass: .long 1 ; 0x1 .long 40 ; 0x28 .long 40 ; 0x28 .space 4 .quad 0 .quad l_OBJC_CLASS_NAME_ .quad 0 .quad 0 .quad 0 .quad 0 .quad 0 .section __DATA,__objc_data .globl _OBJC_METACLASS_$_THNormalClass ; @"OBJC_METACLASS_$_THNormalClass" .p2align 3 _OBJC_METACLASS_$_THNormalClass: .quad _OBJC_METACLASS_$_NSObject .quad _OBJC_METACLASS_$_NSObject .quad __objc_empty_cache .quad 0 .quad __OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass .section __DATA,__objc_const .p2align 3 ; @"_OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass" __OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass: .long 0 ; 0x0 .long 8 ; 0x8 .long 8 ; 0x8 .space 4 .quad 0 .quad l_OBJC_CLASS_NAME_ .quad 0 .quad 0 .quad 0 .quad 0 .quad 0 .section __DATA,__objc_data .globl _OBJC_CLASS_$_THNormalClass ; @"OBJC_CLASS_$_THNormalClass" .p2align 3 _OBJC_CLASS_$_THNormalClass: .quad _OBJC_METACLASS_$_THNormalClass .quad _OBJC_CLASS_$_NSObject .quad __objc_empty_cache .quad 0 .quad __OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass .section __DATA,__objc_classlist,regular,no_dead_strip .p2align 3 ; @"OBJC_LABEL_CLASS_$" l_OBJC_LABEL_CLASS_$: .quad _OBJC_CLASS_$_THNormalClass .section __DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip L_OBJC_IMAGE_INFO: .long 0 .long 64 .subsections_via_symbols 复制代码-
__OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass和__OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass对应 objc-runtime-new.h 中struct class_ro_tstruct class_ro_t { uint32_t flags; uint32_t instanceStart; uint32_t instanceSize; // instance 对象占用的内存控件 const uint8_t * ivarLayout; const char * name; // 类名 method_list_t * baseMethodList; // 只读 protocol_list_t * baseProtocols; const ivar_list_t * ivars; // 成员变量列表 const uint8_t * weakIvarLayout; property_list_t *baseProperties; method_list_t *baseMethods() const { return baseMethodList; } }; 复制代码 -
_OBJC_CLASS_$_THNormalClass和_OBJC_METACLASS_$_THNormalClass对应 objc-runtime-new.h 中struct objc_classstruct objc_class : objc_object { // Class ISA; Class superclass; cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable 方法缓存 class_data_bits_t bits; // 用于获取具体的类信息 class_rw_t *data() { return bits.data(); // class_rw_t* data() { return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK); } } .... // 其他的都是方法 } 复制代码
-
属性
@interface THNormalClass()
@property(nonatomic, copy) NSString *str1;
@property(nonatomic, copy) NSString *str2;
@end
@implementation THNormalClass
@end
复制代码 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version ios, 15, 2 sdk_version 15, 2
.p2align 2 ; -- Begin function -[THNormalClass str1]
"-[THNormalClass str1]": ; @"\01-[THNormalClass str1]"
...
"-[THNormalClass setStr1:]": ; @"\01-[THNormalClass setStr1:]"
...
"-[THNormalClass str2]": ; @"\01-[THNormalClass str2]"
...
"-[THNormalClass setStr2:]": ; @"\01-[THNormalClass setStr2:]"
...
l_OBJC_CLASS_NAME_: ; @OBJC_CLASS_NAME_
...
__OBJC_METACLASS_RO_$_THNormalClass:
...
_OBJC_METACLASS_$_THNormalClass:
...
l_OBJC_METH_VAR_NAME_: ; @OBJC_METH_VAR_NAME_
.asciz "str1"
.section __TEXT,__objc_methtype,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_TYPE_: ; @OBJC_METH_VAR_TYPE_
.asciz "@16@0:8"
.section __TEXT,__objc_methname,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_NAME_.1: ; @OBJC_METH_VAR_NAME_.1
.asciz "setStr1:"
...
__OBJC_$_INSTANCE_METHODS_THNormalClass:
.long 24 ; 0x18
.long 4 ; 0x4
.quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_
.quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_
.quad "-[THNormalClass str1]"
.quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.1
.quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2
.quad "-[THNormalClass setStr1:]"
.quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.3
.quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_
.quad "-[THNormalClass str2]"
.quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.4
.quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2
.quad "-[THNormalClass setStr2:]"
.private_extern _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1 ; @"OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1"
.section __DATA,__objc_ivar
.globl _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1
.p2align 2
_OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1:
.long 8 ; 0x8
.section __TEXT,__objc_methname,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_NAME_.5: ; @OBJC_METH_VAR_NAME_.5
.asciz "_str1"
.section __TEXT,__objc_methtype,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6: ; @OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
.asciz "@\"NSString\""
.private_extern _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2 ; @"OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2"
.section __DATA,__objc_ivar
.globl _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2
.p2align 2
_OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2:
.long 16 ; 0x10
.section __TEXT,__objc_methname,cstring_literals
l_OBJC_METH_VAR_NAME_.7: ; @OBJC_METH_VAR_NAME_.7
.asciz "_str2"
.section __DATA,__objc_const
.p2align 3 ; @"_OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass"
__OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass:
.long 32 ; 0x20
.long 2 ; 0x2
.quad _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1
.quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.5
.quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
.long 3 ; 0x3
.long 8 ; 0x8
.quad _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2
.quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.7
.quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
.long 3 ; 0x3
.long 8 ; 0x8
.section __TEXT,__objc_methname,cstring_literals
l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_: ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_
.asciz "str1"
l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8: ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8
.asciz "T@\"NSString\",C,N,V_str1"
l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.9: ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_.9
.asciz "str2"
l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.10: ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_.10
.asciz "T@\"NSString\",C,N,V_str2"
.section __DATA,__objc_const
.p2align 3 ; @"_OBJC_$_PROP_LIST_THNormalClass"
__OBJC_$_PROP_LIST_THNormalClass:
.long 16 ; 0x10
.long 2 ; 0x2
.quad l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_
.quad l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8
.quad l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.9
.quad l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.10
.p2align 3 ; @"_OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass"
__OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass:
.long 0 ; 0x0
.long 8 ; 0x8
.long 24 ; 0x18
.space 4
.quad 0
.quad l_OBJC_CLASS_NAME_
.quad __OBJC_$_INSTANCE_METHODS_THNormalClass
.quad 0
.quad __OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass
.quad 0
.quad __OBJC_$_PROP_LIST_THNormalClass
.section __DATA,__objc_data
.globl _OBJC_CLASS_$_THNormalClass ; @"OBJC_CLASS_$_THNormalClass"
.p2align 3
_OBJC_CLASS_$_THNormalClass:
.quad _OBJC_METACLASS_$_THNormalClass
.quad _OBJC_CLASS_$_NSObject
.quad __objc_empty_cache
.quad 0
.quad __OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass
.section __DATA,__objc_classlist,regular,no_dead_strip
.p2align 3 ; @"OBJC_LABEL_CLASS_$"
l_OBJC_LABEL_CLASS_$:
.quad _OBJC_CLASS_$_THNormalClass
.section __DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip
L_OBJC_IMAGE_INFO:
.long 0
.long 64
.subsections_via_symbols
复制代码__OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass 对应 objc-runtime-new.h 中的 struct ivar_list_t 加上 2 个.long（4 bytes）的开销。
__OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass:
.long 32 ; 0x20
.long 2 ; 0x2
.quad _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1
.quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.5
.quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
.long 3 ; 0x3
.long 8 ; 0x8
.quad _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2
.quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.7
.quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6
.long 3 ; 0x3
.long 8 ; 0x8
复制代码对应 objc-runtime-new.h 中的 struct ivar_t。最后一段表明 struct class_ro_t 中的 ivars 指向上面提到的 ivar_list_t。
注意：这里保存 ivars 的是 class_ro_t 而不是 struct objc_class。
-
编译器首先会为 property 自动生成 getter 和 setter ，并放到
method_list_t中。__OBJC_$_INSTANCE_METHODS_THNormalClass: .long 24 ; 0x18 .long 4 ; 0x4 .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_ .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_ .quad "-[THNormalClass str1]" .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.1 .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2 .quad "-[THNormalClass setStr1:]" .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.3 .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_ .quad "-[THNormalClass str2]" .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.4 .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2 .quad "-[THNormalClass setStr2:]" 复制代码 -
由于 property 是成员变量的封装，
ivar_list_t中会对其保存对应的成员变量。__OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_THNormalClass: .long 32 ; 0x20 .long 2 ; 0x2 .quad _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str1 .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.5 .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6 .long 3 ; 0x3 .long 8 ; 0x8 .quad _OBJC_IVAR_$_THNormalClass._str2 .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.7 .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.6 .long 3 ; 0x3 .long 8 ; 0x8 复制代码 -
Objective-C 的每个类有一个
property_list_t，被保存在struct class_ro_t中。__OBJC_$_PROP_LIST_THNormalClass: .long 16 ; 0x10 .long 2 ; 0x2 .quad l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_ .quad l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8 .quad l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.9 .quad l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.10 复制代码 -
每个
property_list_t保存的是一个struct property_t的对象。struct property_t { const char *name; const char *attributes; }; 复制代码l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_: ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_ .asciz "str1" l_OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8: ; @OBJC_PROP_NAME_ATTR_.8 .asciz "T@\"NSString\",C,N,V_str1" 复制代码
对成员变量的访问
@interface THNormalClass() {
int a;
int b;
}
@end
@implementation THNormalClass
- (int)calAdd {
return a + b;
}
@end
复制代码FunctionalProgrammingLearn`-[THNormalClass calAdd]:
0x100b9a4e4 <+0>: sub sp, sp, #0x10 ; =0x10
0x100b9a4e8 <+4>: str x0, [sp, #0x8]
0x100b9a4ec <+8>: str x1, [sp]
0x100b9a4f0 <+12>: ldr x8, [sp, #0x8]
-> 0x100b9a4f4 <+16>: ldr w8, [x8, #0x8]
0x100b9a4f8 <+20>: ldr x9, [sp, #0x8]
0x100b9a4fc <+24>: ldr w9, [x9, #0xc]
0x100b9a500 <+28>: add w0, w8, w9
0x100b9a504 <+32>: add sp, sp, #0x10 ; =0x10
0x100b9a508 <+36>: ret
复制代码x8 保存的是 THNormalClass * 的地址。[x8, #0x8] offset 8 字节找到 a 在内存中的位置。ldr 在这里是内存访问指令。
调用方法
@interface THNormalClass() {
int a;
int b;
}
@end
@implementation THNormalClass
- (int)calAdd {
return [self calMethod];
}
- (int)calMethod {
a = 1;
b = 8;
return a + b;
}
@end
复制代码"-[THNormalClass calAdd]": ; @"\01-[THNormalClass calAdd]"
.cfi_startproc
; %bb.0:
sub sp, sp, #32 ; =32
stp x29, x30, [sp, #16] ; 16-byte Folded Spill
add x29, sp, #16 ; =16
.cfi_def_cfa w29, 16
.cfi_offset w30, -8
.cfi_offset w29, -16
str x0, [sp, #8]
str x1, [sp]
ldr x0, [sp, #8]
adrp x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGE
ldr x1, [x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGEOFF]
bl _objc_msgSend
ldp x29, x30, [sp, #16] ; 16-byte Folded Reload
add sp, sp, #32 ; =32
ret
复制代码adr：小范围的地址读取指令。将基于 PC 相对偏移的地址值读取到寄存器中。
adrp：以 page 为单位大范围的地址读取指令。
bl：跳转，还将 bl 的下一条指令的地址保存到寄存器中。
x1 保存了 selector 的地址。
调用类方法
@implementation THNormalClass
- (void)calMethod {
return [THNormalClass calClassMethod];
}
+ (void)calClassMethod {
}
@end
复制代码"-[THNormalClass calMethod]": ; @"\01-[THNormalClass calMethod]"
.cfi_startproc
; %bb.0:
sub sp, sp, #32 ; =32
stp x29, x30, [sp, #16] ; 16-byte Folded Spill
add x29, sp, #16 ; =16
.cfi_def_cfa w29, 16
.cfi_offset w30, -8
.cfi_offset w29, -16
str x0, [sp, #8]
str x1, [sp]
adrp x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@PAGE
ldr x0, [x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@PAGEOFF]
adrp x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGE
ldr x1, [x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGEOFF]
bl _objc_msgSend
ldp x29, x30, [sp, #16] ; 16-byte Folded Reload
add sp, sp, #32 ; =32
ret
复制代码在上边的汇编代码中，可以看到类方法的调用与成员方法差不多，都是 _objc_msgSend。 adrp x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@PAGE ldr x0, [x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@PAGEOFF]，类方法调用多了一步获取全局类指针。
adrp x8, 6
假定当前的 PC 寄存器为 0x10410e324
1.先将 6 的值左移 12 位二进制位则为 0x6000
2.将 PC 寄存器的低12位清零，即 0x10410e324 => 0x10410e000
3.最后将 0x10410e000 和 0x6000 相加给 x8 寄存器。x8 为 0x104114000
复制代码block
@implementation THNormalClass
void(^block)(void) = ^(void) {
NSLog(@"this is a block");
};
- (void)calMethod {
block();
}
@end
复制代码-
可以看到这是一个
__NSGlobalBlock__。 -
struct Block_layout { void * __ptrauth_objc_isa_pointer isa; volatile int32_t flags; // contains ref count int32_t reserved; BlockInvokeFunction invoke; struct Block_descriptor_1 *descriptor; // imported variables }; 复制代码invoke 在内存处于 17-24 字节处。
po 0x00000001028ac090得知 invoke ：0x1028aa304。通过 dis -s 来反汇编地址。如下图所示找到了源码中写的 NSLog。(lldb) dis -s 0x00000001028aa304 FunctionalProgrammingLearn`block_block_invoke: 0x1028aa304 <+0>: sub sp, sp, #0x20 ; =0x20 0x1028aa308 <+4>: stp x29, x30, [sp, #0x10] 0x1028aa30c <+8>: add x29, sp, #0x10 ; =0x10 0x1028aa310 <+12>: str x0, [sp, #0x8] 0x1028aa314 <+16>: str x0, [sp] 0x1028aa318 <+20>: adrp x0, 2 0x1028aa31c <+24>: add x0, x0, #0xb0 ; =0xb0 0x1028aa320 <+28>: bl 0x1028aa668 ; symbol stub for: NSLog (lldb) 复制代码 -
signature ："v8@?0"
后记
很简单的在汇编角度对于 OC 一些常用点，比照着 objc4 和 libclosure 的源码探索了下。觉得有必要自己整理个 arm 汇编学习笔记，不求完全记住理解，后边自查也好。