懒惰的 initialize 方法

2019 年 12 月 10 日

懒惰的 initialize 方法

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因为 ObjC 的 runtime 只能在 Mac OS 下才能编译,所以文章中的代码都是在 Mac OS,也就是 x86_64 架构下运行的,对于在 arm64 中运行的代码会特别说明。


写在前面


这篇文章可能是对 Objective-C 源代码解析系列文章中最短的一篇了,在 Objective-C 中,我们总是会同时想到 loadinitialize 这两个类方法。而这两个方法也经常在一起比较:


在上一篇介绍 load 方法的文章中,已经对 load 方法的调用时机、调用顺序进行了详细地分析,所以对于 load 方法,这里就不在赘述了。


这篇文章会~~假设你知道:~~假设你是 iOS 开发者。


本文会主要介绍:


  1. initialize 方法的调用为什么是惰性的

  2. 这货能干啥


initialize 的调用栈


在分析其调用栈之前,首先来解释一下,什么是惰性的。


这是 main.m 文件中的代码:


Objective-C


#import <Foundation/Foundation.h>
@interface XXObject : NSObject @end
@implementation XXObject
+ (void)initialize { NSLog(@"XXObject initialize");}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { } return 0;}
复制代码


主函数中的代码为空,如果我们运行这个程序:



你会发现与 load 方法不同的是,虽然我们在 initialize 方法中调用了 NSLog。但是程序运行之后没有任何输出。


如果,我们在自动释放池中加入以下代码:


Objective-C


int main(int argc, const char * argv[]) {    @autoreleasepool {        __unused XXObject *object = [[XXObject alloc] init];    }    return 0;}
复制代码


再运行程序:



你会发现,虽然我们没有直接调用 initialize 方法。但是,这里也打印出了 XXObject initialize 字符串。


initialize 只会在对应类的方法第一次被调用时,才会调用


我们在 initialize 方法中打一个断点,来查看这个方法的调用栈:



Objective-C


0 +[XXObject initialize]1 _class_initialize2 lookUpImpOrForward3 _class_lookupMethodAndLoadCache34 objc_msgSend5 main6 start
复制代码


直接来看调用栈中的 lookUpImpOrForward 方法,lookUpImpOrForward 方法只会在向对象发送消息,并且在类的缓存中没有找到消息的选择子时才会调用,具体可以看这篇文章,从源代码看 ObjC 中消息的发送


在这里,我们知道 lookUpImpOrForward 方法是 objc_msgSend 触发的就够了。



在 lldb 中输入 p sel 打印选择子,会发现当前调用的方法是 alloc 方法,也就是说,initialize 方法是在 alloc 方法之前调用的,alloc 的调用导致了前者的执行。


其中,使用 if (initialize && !cls->isInitialized()) 来判断当前类是否初始化过:


Objective-C


bool isInitialized() {   return getMeta()->data()->flags & RW_INITIALIZED;}
复制代码


当前类是否初始化过的信息就保存在元类class_rw_t 结构体中的 flags 中。


这是 flags 中保存的信息,它记录着跟当前类的元数据,其中第 16-31 位有如下的作用:



flags 的第 29 位 RW_INITIALIZED 就保存了当前类是否初始化过的信息。


_class_initialize 方法


initialize 的调用栈中,直接调用其方法的是下面的这个 C 语言函数:


Objective-C


void _class_initialize(Class cls){    Class supercls;    BOOL reallyInitialize = NO;
// 1. 强制父类先调用 initialize 方法 supercls = cls->superclass; if (supercls && !supercls->isInitialized()) { _class_initialize(supercls); }
{ // 2. 通过加锁来设置 RW_INITIALIZING 标志位 monitor_locker_t lock(classInitLock); if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) { cls->setInitializing(); reallyInitialize = YES; } }
if (reallyInitialize) { // 3. 成功设置标志位,向当前类发送 +initialize 消息 _setThisThreadIsInitializingClass(cls);
((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);
// 4. 完成初始化,如果父类已经初始化完成,设置 RW_INITIALIZED 标志位, // 否则,在父类初始化完成之后再设置标志位。 monitor_locker_t lock(classInitLock); if (!supercls || supercls->isInitialized()) { _finishInitializing(cls, supercls); } else { _finishInitializingAfter(cls, supercls); } return; } else if (cls->isInitializing()) { // 5. 当前线程正在初始化当前类,直接返回,否则,会等待其它线程初始化结束后,再返回 if (_thisThreadIsInitializingClass(cls)) { return; } else { monitor_locker_t lock(classInitLock); while (!cls->isInitialized()) { classInitLock.wait(); } return; } } else if (cls->isInitialized()) { // 6. 初始化成功后,直接返回 return; } else { _objc_fatal("thread-safe class init in objc runtime is buggy!"); }}
复制代码


方法的主要作用自然是向未初始化的类发送 +initialize 消息,不过会强制父类先发送 +initialize


  1. 强制未初始化过的父类调用 initialize 方法


   if (supercls  &&  !supercls->isInitialized()) {        _class_initialize(supercls);    }
复制代码


  1. 通过加锁来设置 RW_INITIALIZING 标志位


   monitor_locker_t lock(classInitLock);    if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) {        cls->setInitializing();        reallyInitialize = YES;    }
复制代码


  1. 成功设置标志位、向当前类发送 +initialize 消息

  2. Objective-C


   ((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);
复制代码


  1. 完成初始化,如果父类已经初始化完成,设置 RW_INITIALIZED 标志位。否则,在父类初始化完成之后再设置标志位


   monitor_locker_t lock(classInitLock);    if (!supercls  ||  supercls->isInitialized()) {        _finishInitializing(cls, supercls);    } else {        _finishInitializingAfter(cls, supercls);    }
复制代码


  1. 如果当前线程正在初始化当前类,直接返回,否则,会等待其它线程初始化结束后,再返回,保证线程安全


   if (_thisThreadIsInitializingClass(cls)) {        return;    } else {        monitor_locker_t lock(classInitLock);        while (!cls->isInitialized()) {            classInitLock.wait();        }        return;    }
复制代码


  1. 初始化成功后,直接返回


   return;
复制代码


管理初始化队列


因为我们始终要保证父类的初始化方法要在子类之前调用,所以我们需要维护一个 PendingInitializeMap 的数据结构来存储当前的类初始化需要哪个父类先初始化完成



这个数据结构中的信息会被两个方法改变:


Objective-C


if (!supercls  ||  supercls->isInitialized()) {  _finishInitializing(cls, supercls);} else {  _finishInitializingAfter(cls, supercls);}
复制代码


分别是 _finishInitializing 以及 _finishInitializingAfter,先来看一下后者是怎么实现的,也就是在父类没有完成初始化的时候调用的方法:


Objective-C


static void _finishInitializingAfter(Class cls, Class supercls){    PendingInitialize *pending;    pending = (PendingInitialize *)malloc(sizeof(*pending));    pending->subclass = cls;    pending->next = (PendingInitialize *)NXMapGet(pendingInitializeMap, supercls);    NXMapInsert(pendingInitializeMap, supercls, pending);}
复制代码


因为当前类的父类没有初始化,所以会将子类加入一个数据结构 PendingInitialize 中,这个数据结构其实就类似于一个保存子类的链表。这个链表会以父类为键存储到 pendingInitializeMap 中。


NXMapInsert(pendingInitializeMap, supercls, pending);
复制代码


而在父类已经调用了初始化方法的情况下,对应方法 _finishInitializing 的实现就稍微有些复杂了:


Objective-C


static void _finishInitializing(Class cls, Class supercls){    PendingInitialize *pending;
cls->setInitialized();
if (!pendingInitializeMap) return; pending = (PendingInitialize *)NXMapGet(pendingInitializeMap, cls); if (!pending) return;
NXMapRemove(pendingInitializeMap, cls);
while (pending) { PendingInitialize *next = pending->next; if (pending->subclass) _finishInitializing(pending->subclass, cls); free(pending); pending = next; }}
复制代码


首先,由于父类已经完成了初始化,在这里直接将当前类标记成已经初始化,然后递归地将被当前类 block 的子类标记为已初始化,再把这些当类移除 pendingInitializeMap


小结


到这里,我们对 initialize 方法的研究基本上已经结束了,这里会总结一下关于其方法的特性:


  1. initialize 的调用是惰性的,它会在第一次调用当前类的方法时被调用

  2. load 不同,initialize 方法调用时,所有的类都已经加载到了内存中

  3. initialize 的运行是线程安全的

  4. 子类会继承父类的 initialize 方法


而其作用也非常局限,一般我们只会在 initialize 方法中进行一些常量的初始化。


参考资料



本文转载自 Draveness 技术博客。


原文链接:https://draveness.me/initialize


2019 年 12 月 10 日 17:5895

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