Runtime面试题与栈区参数

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面试题

朋友发给我一到面试题，问：

下面代码执行 ⌘+R 后会 Compile Error 、Runtime Crash 或者 NSLog 输出？
如果 [(__bridge id)obj speak]; 能调用成功，输出什么？

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

@implementation Speaker
- (void)speak {
    NSLog(@"Speaker's name: %@", self.name);
}
@end

@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [Speaker class]; // 1
    void *obj = &cls; // 2
    [(__bridge id)obj speak]; // 3
}
@end

当然，本着反正不是真面试的态度，直接跑一下不就行了，嘿嘿。

//输出
Speaker's name: <ViewController: 0x7fcc84e09e90>

可以看到运行时成功的，但输出的结果让我有点懵逼？？？原因有2点：

为什么 [(__bridge id)obj speak] 不会崩溃，而且感觉看着像给类对象发消息，这应该解析不了啊？
为什么 self.name 是ViewController对象？

下面我们仔细分析一下。

分析

2.1 为什么可以发消息？

第一步

id cls = [Speaker class]; // 1

这一步获取到了Speaker的类对象，id表示将其转换为一个对象指针，实际类型为struct objc_object *。

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

typedef struct objc_object *id;

而 [Speaker class] 的返回类型为Class，其实类型为struct objc_class *。

typedef struct objc_class *Class;

虽然，我们写的类型为struct objc_object *，但其本质还是 struct objc_class *。

id cls = [Speaker class];
if (object_isClass(cls)) {
    NSLog(@"object_isClass");
}
// 输出
object_isClass
复制代码也就是说这一步拿到的 本质还是类对象。
id cls = [Speaker class];
[cls speak];
// 直接发送消息，是会崩溃的
+[Speaker speak]: unrecognized selector sent to class 0x106824f08

第二步、第三步

void *obj = &cls; // 2

这一步才是关键。

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

可以看到struct objc_object这个结构体的首字段是 isa 指向一个Class。

也就是说，我们如果有一个指向Class的地址的指针，相当于这个对象就已经可以使用了。

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

@implementation Speaker
- (void)speak {
    NSLog(@"speak");
}
@end

struct my_object {
    Class isa;
};

struct my_object *getObject() {
    // id cls = [Speaker class]; id类型的实质是一个指针，所以cls是一个指针
    // void *obj = &cls; 这里取cls的地址，相当于[Speaker class]现在被一个 指针 的 指针 所指向
    // 下面 struct my_object * 是一个指针，isa 是一个也是一个指针
    // 所以也等效于[Speaker class]现在被一个 指针 的 指针 所指向
    struct my_object *obj = (struct my_object *)malloc(sizeof(struct my_object));
    obj->isa = [Speaker class];
    return obj;
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    struct my_object *obj = getObject();
    id obj1 = (__bridge id)obj;
    [obj1 speak]; // 3
    free(obj);
}

我们可以看到，通过id类型转换obj1也被Xcode识别为了Speaker实例对象，而且我们调用 [obj1 speak] 也顺利输出了。

相当于消息 objc_msgSend 执行过程中通过 obj1 顺利访问到了 isa 对象，在Speaker类中找到了speak实例方法，并成功调用。

2.2 为什么输出的name是ViewController实例对象？

2.2.1 等价代码

#import <UIKit/UIKit.h>
#import <objc/runtime.h>

@interface Speaker : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)speak;
@end
@implementation Speaker
- (void)speak {
    NSLog(@"my name's %@", self.name);
}
@end

@interface ViewController : UIViewController
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [Speaker class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj speak];
}
@end

我们将这个 ViewController.m 文件编译为 ViewController.cpp 来看一下。

在终端中切换到 ViewController.m 所在目录，并输入以下命令：

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -w -rewrite-objc -fobjc-arc -mios-version-min=8.0.0 -fobjc-runtime=ios-8.0.0 ViewController.m

执行完毕后我们可以在同一个目录下找到 ViewController.cpp 文件。

打开 ViewController.cpp ，并搜索 ViewController_viewDidLoad 即可找到下面的方法：

static void _I_ViewController_viewDidLoad(ViewController * self, SEL _cmd) {
    ((void (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))}, sel_registerName("viewDidLoad"));
    id cls = ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Speaker"), sel_registerName("class"));
    void *obj = &cls;
    ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)(__bridgeid)obj, sel_registerName("speak"));
}

看起来有点复杂，我们把非必要的格式转换去掉：

static void _I_ViewController_viewDidLoad(ViewController * self, SEL _cmd) {
    objc_msgSendSuper((__rw_objc_super){self, class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))}, sel_registerName("viewDidLoad")); // 1
    id cls = objc_msgSend(objc_getClass("Speaker"), sel_registerName("class")); // 2
    void *obj = &cls; // 3
    objc_msgSend(obj, sel_registerName("speak")); // 4
}

可以看到：

对应 [super viewDidLoad]
对应 id cls = [Speaker class];
对应 void *obj = &cls;
对应 [(__bridge id)obj speak];

objc_msgSend 会传入两个隐式参数self和_cmd，想必大家已经很熟悉了。

objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

而 objc_msgSendSuper 需要传入另一个结构体 struct objc_super *。

/// Specifies the superclass of an instance.
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message.
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained _Nonnull Class class;
#else
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};

{self, class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))} 实际上就是在初始化一个struct objc_super结构体。

知道这些之后，再阅读上面的代码就没有什么难度了。

2.2.2 参数顺序

void sum(NSNumber *a, NSNumber *b) {
    NSLog(@"a地址 = %p", &a);
    NSLog(@"b地址 = %p", &b);
    printf("%d", a.intValue + b.intValue);
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    sum(@(1), @(2));
    NSNumber *c = @(4);
    NSLog(@"c地址 = %p", &c);
}

我们在给函数传入参数时，参数会作为自动变量入栈：

而且我们可以看到入栈的顺序是a先入栈，b后入栈，因为栈从高地址到低地址分配内存。

但是在初始化一个结构体的时候，这个顺序是相反的：

我们看到 two_number tn = {@(1), @(2)}; 先传入的是1后传入的2，但实际情况是2先入栈，1后入栈。

按照上面2条规则，下面代码第5步之前的变量入栈的顺序应该是：

static void _I_ViewController_viewDidLoad(ViewController * self, SEL _cmd) { // 1
    objc_msgSendSuper((__rw_objc_super){self, class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))}, sel_registerName("viewDidLoad")); // 2
    id cls = objc_msgSend(objc_getClass("Speaker"), sel_registerName("class")); // 3
    void *obj = &cls; // 4
    objc_msgSend(obj, sel_registerName("speak")); // 5
}

self、_cmd为函数的隐式参数，依次先入栈。
objc_msgSendSuper 初始化了一个结构体，这个结构体的参数会入栈。

又因为参数入栈是从右到左的顺序入栈：
class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))
self后入栈
cls本地变量赋值为Speaker类，最后入栈

那么入栈的顺序为self、_cmd、class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))、self、Speaker类。下面我们验证一下：

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

@implementation Speaker
- (void)speak {
    NSLog(@"Speaker self: %p, _name: %p", self, &_name);
    NSLog(@"Speaker's name: %@", self.name);
}
@end

@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [Speaker class]; // 1
    void *obj = &cls; // 2
    NSLog(@"栈区变量");
    void *start = (void *)&self;
    void *end = (void *)&obj;
    long count = (start - end) / 0x8;
    for (long i = 0; i < count; i++) {
        void *address = start - 0x8 * i;
        if (i == 1) {
            NSLog(@"%p: %s", address, *(char **)(address));
        } else {
            NSLog(@"%p: %@", address, *(void **)address);
        }
    }
    NSLog(@"obj speak");
    [(__bridge id)obj speak]; // 3
}
@end
// 打印
Demo[32768:1105890] 栈区变量
Demo[32768:1105890] 0x7ffeec17c648: <ViewController: 0x7fb445607ee0>
Demo[32768:1105890] 0x7ffeec17c640: viewDidLoad
Demo[32768:1105890] 0x7ffeec17c638: ViewController //这里比较怪
Demo[32768:1105890] 0x7ffeec17c630: <ViewController: 0x7fb445607ee0>
Demo[32768:1105890] 0x7ffeec17c628: Speaker
Demo[32768:1105890] obj speak
Demo[32768:1105890] Speaker self: 0x7ffeec17c628, _name: 0x7ffeec17c630
Demo[32768:1105890] Speaker's name: <ViewController: 0x7fb445607ee0>

从输出可以看到，栈区的打印顺序和我们的分析基本吻合。下面我们看一下为什么Speaker实例对象的 self.name 访问到的是ViewController实例对象。

Speaker实例对象，如果我们通过 [[Speaker alloc] init] 初始化的话，会在堆区分配内存。但现在，我们是使用栈区指针指向了Speaker类对象地址，"伪装"成了一个Speaker实例对象，所以传入的self值为栈区的地址：0x7ffeec17c628 。
从上面的输出我们可以看到，name属性的实例变量_name在Speaker实例对象 self + 0x8 的地址，即 0x7ffeec17c630 。
根据输出_name实例变量访问的地址 0x7ffeec17c630 ，找到栈区对应的数据 0x7ffeec17c630: <ViewController: 0x7fb445607ee0> ，所以输出为 Speaker's name: <ViewController: 0x7fb445607ee0> 。

总结

通过这个面试题我们得出了一下结论：

Objective-C中的对象是一个指向class_object地址的变量，即 id obj = &class_object
对象的实例变量 void *ivar = &obj + offset(N)

但这里还有一个疑问：

我们看到直接调用 [super viewDidLoad]; ，栈区的第3个变量为ViewController类。

但根据我们用Clang重写的代码 [super viewDidLoad]; 实现做替换：

- (void)viewDidLoad {
    ((void (*)(struct objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)(&((struct objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))}), sel_registerName("viewDidLoad"));

    id cls = [Speaker class]; // 1
    void *obj = &cls; // 2
    NSLog(@"栈区变量");
    void *start = (void *)&self;
    void *end = (void *)&obj;
    long count = (start - end) / 0x8;
    for (long i = 0; i < count; i++) {
        void *address = start - 0x8 * i;
        if (i == 1) {
            NSLog(@"%p: %s", address, *(char **)(address));
        } else {
            NSLog(@"%p: %@", address, *(void **)address);
        }
    }
    NSLog(@"obj speak");
    [(__bridge id)obj speak]; // 3
}
// 输出
Demo[33008:1114325] 栈区变量
Demo[33008:1114325] 0x7ffee4983648: <ViewController: 0x7f9e0bf07fd0>
Demo[33008:1114325] 0x7ffee4983640: viewDidLoad
Demo[33008:1114325] 0x7ffee4983638: UIViewController // 这里符合预期
Demo[33008:1114325] 0x7ffee4983630: <ViewController: 0x7f9e0bf07fd0>
Demo[33008:1114325] 0x7ffee4983628: Speaker
Demo[33008:1114325] obj speak
Demo[33008:1114325] Speaker self: 0x7ffee4983628, _name: 0x7ffee4983630
Demo[33008:1114325] Speaker's name: <ViewController: 0x7f9e0bf07fd0>

我们看到栈区的第3个变量为UIViewController类，这个输出是符合预期的，因为class_getSuperclass(objc_getClass("ViewController"))我们获取的就是父类。

但为什么直接调用 [super viewDidLoad]; ，栈区的第3个变量为ViewController类，这个问题难道是Xcode的Bug？？？

面试题

分析

2.1 为什么可以发消息？

2.2 为什么输出的name是ViewController实例对象？

2.2.1 等价代码

2.2.2 参数顺序

总结