Objective-C的一道题：[self class] 与 [super class]

前言

这是一道从此篇博客《神经病院 Objective-C Runtime 入院第一天—— isa 和 Class》看到的题目：

问：下面代码输出什么?

@implementation Son : Father
- (id)init
{
    self = [super init];
    if (self)
    {
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
    }
return self;
}
@end

答案是：输出的都是Son。

对此，博客作者给出的理由是：

self和super的区别：

self是类的一个隐藏参数，每个方法的实现的第一个参数即为self。

super并不是隐藏参数，它实际上只是一个”编译器标示符”，它负责告诉编译器，当调用方法时，去调用父类的方法，而不是本类中的方法。

在调用[super class]的时候，runtime会去调用objc_msgSendSuper方法，而不是objc_msgSend
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OBJC_EXPORT void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )


/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained 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 Class class;
#else
    __unsafe_unretained Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};
在objc_msgSendSuper方法中，第一个参数是一个objc_super的结构体，这个结构体里面有两个变量，一个是接收消息的receiver，一个是
当前类的父类super_class。

入院考试第一题错误的原因就在这里，误认为[super class]是调用的[super_class class]。

objc_msgSendSuper的工作原理应该是这样的:
从objc_super结构体指向的superClass父类的方法列表开始查找selector，找到后以objc->receiver去调用父类的这个selector。注意，最后的调用者是objc->receiver，而不是super_class！

那么objc_msgSendSuper最后就转变成
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// 注意这里是从父类开始msgSend，而不是从本类开始，谢谢@Josscii 和他同事共同指点出此处描述的不妥。
objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))

/// Specifies an instance of a class.  这是类的一个实例
    __unsafe_unretained id receiver;   


// 由于是实例调用，所以是减号方法
- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}
由于找到了父类NSObject里面的class方法的IMP，又因为传入的入参objc_super->receiver = self。self就是son，调用class，所以父类的方法class执行IMP之后，输出还是son，最后输出两个都一样，都是输出son。

其实，上述的解答只答对了一大半，还有一小半没正确。没正确的部分主要在于对objc_msgSend和objc_msgSendSuper的工作原理理解错误，以及对方法实现的函数原型的忽略。

下面将会对此进行重新解答。

新解

Objective-C 是一门基于消息转发机制的动态编程语言，所有的方法调用都会转换为消息发送。所以，[self class]和[super class]会被编译器分别转换为objc_msgSend(self, @selector(class))和objc_msgSendSuper(objc_super, @selector(class))。

具体地是转换为以下的C++ 代码：

// [self class]
((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("class"));

// [super class]
((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son"))}, sel_registerName("class"));

执行clang -rewrite-objc xx.m -o xx.cpp即可转换。

objc_msgSend会根据SEL从当前对象开始查找对应的方法实现，查找到方法实现后，就会直接跳转到方法实现。

objc_msgSendSuper会根据SEL从当前对象的父类开始查找对应的方法实现，查找到方法实现后，就会直接跳转到方法实现。

objc_msgSend的具体工作原理请看下面代码：
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/********************************************************************
 *
 * id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...);
 * IMP objc_msgLookup(id self, SEL _cmd, ...);
 * 
 * objc_msgLookup ABI:
 * IMP returned in r12
 * Forwarding returned in Z flag
 * r9 reserved for our use but not used
 *
 ********************************************************************/

	ENTRY _objc_msgSend
	
	cbz	r0, LNilReceiver_f

	ldr	r9, [r0]		// r9 = self->isa
	GetClassFromIsa			// r9 = class
	CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend
	// cache hit, IMP in r12, eq already set for nonstret forwarding
	bx	r12			// call imp

	CacheLookup2 NORMAL, _objc_msgSend
	// cache miss
	ldr	r9, [r0]		// r9 = self->isa
	GetClassFromIsa			// r9 = class
	b	__objc_msgSend_uncached
objc_msgSendSuper的具体工作原理请看下面代码：
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/********************************************************************
 * id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)
 *
 * struct objc_super {
 *     id receiver;
 *     Class cls;	// the class to search
 * }
 ********************************************************************/

	ENTRY _objc_msgSendSuper
	
	ldr	r9, [r0, #CLASS]	// r9 = struct super->class
	CacheLookup NORMAL, _objc_msgSendSuper
	// cache hit, IMP in r12, eq already set for nonstret forwarding
	ldr	r0, [r0, #RECEIVER]	// load real receiver
	bx	r12			// call imp

	CacheLookup2 NORMAL, _objc_msgSendSuper
	// cache miss
	ldr	r9, [r0, #CLASS]	// r9 = struct super->class
	ldr	r0, [r0, #RECEIVER]	// load real receiver
	b	__objc_msgSend_uncached
	
	END_ENTRY _objc_msgSendSuper
需要注意的是，Objective-C根据方法的调用者和方法的返回结果，提供了不同的消息发送函数，具体如下：

调用者是对象的父类（an object’s superclass, using the super keyword），返回结果类型为结构体数据类型（ data structures return types）的消息使用objc_msgSendSuper_stret发送

调用者是对象的父类（an object’s superclass, using the super keyword）的消息使用objc_msgSendSuper发送

调用者是对象的（an object），返回结果类型为结构体数据类型（ data structures return types）的消息使用objc_msgSend_stret发送

调用者是对象的（an object），返回结果类型为浮点数类型（ some float return types）的消息使用objc_msgSend_fpret发送

调用者是对象的（an object），返回结果为复杂浮点数类型（some complex float return types）的消息使用objc_msgSend_fp2ret发送

剩余消息使用objc_msgSend发送

其中，关于objc_msgSend_fpret和objc_msgSend_fp2ret的更多细节，请看下面引自源代码中的注释：

Floating-point-returning Messaging Primitives

Use these functions to call methods that return floating-point values
on the stack.
Consult your local function call ABI documentation for details.

arm: objc_msgSend_fpret not used
i386: objc_msgSend_fpret used for float, double, long double.
x86-64: objc_msgSend_fpret used for long double.

arm: objc_msgSend_fp2ret not used
i386: objc_msgSend_fp2ret not used
x86-64: objc_msgSend_fp2ret used for _Complex long double.

These functions must be cast to an appropriate function pointer type
before being called.

由于class方法在NSObject处，最终objc_msgSend(self, @selector(class))和objc_msgSendSuper(objc_super, @selector(class))查找到是同一个方法实现。

在Objective-C 中，方法实现的函数原型如下：

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

IMP为方法实现的函数原型，其有2个固定的参数：id和SEL，其中id是运行时接收消息（即进行方法调用）的对象实例。

objc_msgSend(self, @selector(class))和objc_msgSendSuper(objc_super, @selector(class))传递给class这个方法的IMP的参数id都是同一个对象实例，所以最终二者的输出是相同的。

参考资料

objc-runtime源码