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 : 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
.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
编译器对 @interface 并未产生啥汇编代码。
@implementation
#import "THNormalClass.h" @interface THNormalClass() @end @implementation THNormalClass @end
.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_$_THNormalClass .section __DATA,__objc_imageinfo,regular,no_dead_strip L_OBJC_IMAGE_INFO: .long 0 .long 64 .subsections_via_symbols
__OBJC_CLASS_RO_$_THNormalClass 和 __OBJC_metaCLASS_RO_$_THNormalClass 对应 objc-runtime-new.h 中 struct class_ro_t
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; // instance 对象占用的内存控件
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name; // 类名
method_list_t * baseMethodList; // 只读
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; // 成员变量列表
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};
_OBJC_CLASS_$_THNormalClass 和 _OBJC_metaCLASS_$_THNormalClass 对应 objc-runtime-new.h 中 struct objc_class
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable 方法缓存
class_data_bits_t bits; // 用于获取具体的类信息
class_rw_t *data() {
return bits.data(); // class_rw_t* data() { return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK); }
}
.... // 其他的都是方法
}
@interface THNormalClass() @property(nonatomic, copy) NSString *str1; @property(nonatomic, copy) NSString *str2; @end @implementation THNormalClass @end
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .build_version ios, 15, 2 sdk_version 15, 2 .p2align 2 ; -- Begin function -[THNormalClass str1] "-[THNormalClass str1]": ; @" 1-[THNormalClass str1]" ... "-[THNormalClass setStr1:]": ; @" 1-[THNormalClass setStr1:]" ... "-[THNormalClass str2]": ; @" 1-[THNormalClass str2]" ... "-[THNormalClass setStr2:]": ; @" 1-[THNormalClass setStr2:]" ... l_OBJC_CLASS_NAME_: ; @OBJC_CLASS_NAME_ ... __OBJC_metaCLASS_RO_$_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
__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
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_$_INSTANCE_METHODS_THNormalClass: .long 24 ; 0x18 .long 4 ; 0x4 .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_ .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_ .quad "-[THNormalClass str1]" .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.1 .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2 .quad "-[THNormalClass setStr1:]" .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.3 .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_ .quad "-[THNormalClass str2]" .quad l_OBJC_METH_VAR_NAME_.4 .quad l_OBJC_METH_VAR_TYPE_.2 .quad "-[THNormalClass setStr2:]"
由于 property 是成员变量的封装， ivar_list_t 中会对其保存对应的成员变量。
__OBJC_$_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
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
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;
};
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"
@interface THNormalClass() {
int a;
int b;
}
@end
@implementation THNormalClass
- (int)calAdd {
return a + b;
}
@end
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
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
"-[THNormalClass calAdd]": ; @" 1-[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
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
"-[THNormalClass calMethod]": ; @" 1-[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_$_@PAGEOFF] adrp x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGE ldr x1, [x8, _OBJC_SELECTOR_REFERENCES_@PAGEOFF] bl _objc_msgSend ldp x29, x30, [sp, #16] ; 16-byte Folded Reload add sp, sp, #32 ; =32 ret
在上边的汇编代码中，可以看到类方法的调用与成员方法差不多，都是 _objc_msgSend。adrp x8, _OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_@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 0x104114000block
@implementation THNormalClass
void(^block)(void) = ^(void) {
NSLog(@"this is a block");
};
- (void)calMethod {
block();
}
@end
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
};
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)
signature ："v8@?0"
Type Encodings
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。
