本篇文章讲的是super的实际运作原理，如有同学对super与self的区分还有疑惑的，请参考ChenYilong大神的《招聘一个靠谱的iOS》面试题参考答案（上）。

super究竟在干什么？

官方提到的super关键字？

打开苹果API文档，搜索objc_msgSendSuper（对该函数陌生的先去补补rumtime）。

%title插图%num

super官方解释

里面明确提到了使用super关键字发送消息会被编译器转化为调用objc_msgSendSuper以及相关函数（由返回值决定）。

再让我们看看该函数的定义（这是文档中的定义）：

id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...);

这里的super已经不再是我们调用时写的[super init]的super了，这里指代的是struct objc_super结构体指针。文档中明确指出，该结构体需要包含接收消息的实例以及一开始寻找方法实现的父类：

  1. struct objc_super {
  2. /// Specifies an instance of a class.
  3. __unsafe_unretained id receiver;
  5. /// Specifies the particular superclass of the instance to message.
  6. __unsafe_unretained Class super_class;
  7. /* super_class is the first class to search */
  8. };

%title插图%num

objc_super结构体

既然知道了super是如何调用的，那么我们来尝试自己实现一个super。

手动实现super关键字

让我们先定义两个类：

这是父类：Father类

  1. // Father.h
  2. @interface Father : NSObject
  4. – (void)eat;
  6. @end
  8. // Father.m
  9. @implementation Father
  11. – (void)eat {
  12. NSLog(@“Father eat”);
  13. }
  15. @end

这是子类：Son类

  1. // Son.h
  2. @interface Son : Father
  4. – (void)eat;
  6. @end
  8. // Son.m
  9. @implementation Son
  11. – (void)eat {
  12. [super eat];
  13. }
  15. @end

在这里，我们的Son类重写了父类的eat方法，里面只做一件事，就是调用父类的eat方法。

让我们在main中开始进行测试：

  1. int main(int argc, char * argv[]) {
  2. Son *son = [Son new];
  3. [son eat];
  4. }
  6. // 输出：
  7. 2017-05-14 22:44:00.208931+0800 TestSuper[7407:3788932] Father eat

到这里没毛病，一个Son对象调用了eat方法（内部调用父类的eat），输出了结果。

1. 下面，我们来自己实现super的效果：

改写Son.m：

  1. // Son.m
  3. – (void)eat {
  4. // [super eat];
  6. struct objc_super superReceiver = {
  7. self,
  8. [self superclass]
  9. };
  10. objc_msgSendSuper(&superReceiver, _cmd);
  11. }

运行我们的main函数：

  1. //输出
  2. 2017-05-14 22:47:00.109379+0800 TestSuper[7417:3790621] Father eat

没毛病，我们可是根据官方文档来实现super的效果。

难道super真的就是如此？

让我们持怀疑的态度看看下面这个例子：

在这里，我们又有个Son的子类出现了：Grandson类

  1. // Grandson.h
  2. @interface Grandson : Son
  4. @end
  6. // Grandson.m
  7. @implementation Grandson
  9. @end

该类啥什么都没实现，纯粹继承自Son。

然后让我们改写main函数：

  1. int main(int argc, char * argv[]) {
  2. Grandson *grandson = [Grandson new];
  3. [grandson eat];
  4. }

运行起来，过一会就crash了，如图：

%title插图%num

崩溃提示

再看看相关线程中的方法调用：

%title插图%num

crash方法调用

这是一个死循环，所以系统让该段代码强制停止了。可为什么这里会构成死循环呢？让我们好好分析分析：

  1. Grandson中没有实现eat方法，所以main函数中Grandson的实例执行eat方法是这样的：根据类继承关系自下而上寻找，在Grandson的父类Son类中找到了eat方法，进行调用。
  2. 在Son的eat方法的实现中，我们构建了一个superReceiver结构体，内部包含了self以及[self superclass]。在调用过程中，self指代的应是Grandson实例，也就是grandson这个变量，那么[self superclass]方法返回值也就是Son这个类。
  3. 根据第2点的分析，以及我们在文章开头的文档中，苹果指出superReceiver中的父类就是开始寻找方法实现的那个父类，我们可以得出，此时的objc_msgSendSuper(&superReceiver, _cmd)函数调用的方法实现即是Son类中的eat方法的实现。即，构成了递归。

既然这里不能使用superclass方法，那么我们要如何自己实现super的作用呢？

我们是这段代码的作者，所以，我们可以这样：

  1. // 我们修改了Son.m
  3. – (void)eat {
  4. // [super eat];
  6. struct objc_super superReceiver = {
  7. self,
  8. objc_getClass(“Father”)
  9. };
  10. objc_msgSendSuper(&superReceiver, _cmd);
  11. }
  13. // 输出
  14. 2017-05-14 23:16:49.232375+0800 TestSuper[7440:3798009] Father eat

我们直接指明superReceiver中要寻找方法实现的父类：Father。这里必定有人会问：这样子岂不是每个调用[super xxxx]的地方都需要直接指明父类？

“直接指明”的意思是，代码中直接写出这个类，比如直接写：[Father class]或者objc_getClass("Father")，这里面的Father与”Father”就是我们在代码里写死的。

先不谈这个疑问，我们来分析这段代码：

  1. Grandson中没有实现eat方法，所以main函数中Grandson的实例执行eat方法是这样的：根据类继承关系自下而上寻找，在Grandson的父类Son类中找到了eat方法，进行调用。
  2. 在Son的eat方法的实现中，我们构建了一个superReceiver结构体，内部包含了self以及Father这个类。
  3. objc_msgSendSuper函数直接去Father类中寻找eat方法的实现，并执行（输出）。

现在这段代码是以正常逻辑执行的。

2. [super xxxx]真的要直接指明父类？

我们使用clang的rewrite指令重写Son.m：

clang -rewrite-objc Son.m

生成的Son.cpp文件：

  1. static void _I_Son_eat(Son * self, SEL _cmd) {
  2. ((void (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass(“Son”))}, sel_registerName(“eat”));
  3. }

这一行到底的代码可读性太差，让我们稍稍分解下（由于语法问题我们作了少量语法修改以通过编译，实际作用与原cpp中一致）：

  1. static void _I_Son_eat(Son * self, SEL _cmd) {
  2. __rw_objc_super superReceiver = (__rw_objc_super){
  3. (__bridge struct objc_object *)(id)self,
  4. (__bridge struct objc_object *)(id)class_getSuperclass(objc_getClass(“Son”))};
  6. typedef void *Func(__rw_objc_super *, SEL);
  7. Func *func = (void *)objc_msgSendSuper;
  9. func(&superReceiver, sel_registerName(“eat”));
  10. }

先修改Son.m运行起来：

  1. // Son.m
  3. – (void)eat {
  4. // [super eat];
  6. //_I_Son_eat即为重写的函数
  7. _I_Son_eat(self, _cmd);
  8. }
  10. // 输出
  11. 2017-05-15 00:08:37.782519+0800 TestSuper[7460:3810248] Father eat

没有毛病。

重写的代码里构建了一个__rw_objc_super的结构体，定义如下：

  1. struct __rw_objc_super {
  2. struct objc_object *object;
  3. struct objc_object *superClass;
  4. // cpp里的语法，忽略即可
  5. __rw_objc_super(struct objc_object *o, struct objc_object *s) : object(o), superClass(s) {}
  6. };

该结构体与struct objc_super一致。之后我们将objc_msgSendSuper函数转换为指定参数的函数func进行调用。这里请注意__rw_objc_super superReceiver中的第二个值：class_getSuperclass(objc_getClass("Son"))。

该代码直接指明的类是本类：Son类。但是__rw_objc_super结构体中的superClass并不是本类，而是通过runtime查找出的父类。这与我们自己实现的 “直接指明Father为objc_super结构体的super_class值” *后达到的效果是一样的。

所以，[super xxxx]肯定要通过指明一个类，可以是父类，也可以是本类，来达到正确调用父类方法的目的！只不过“直接指明”这件事，编译器会帮我们搞定，我们只管写super即可。

clang rewrite不可靠

为何clang不可靠

clang的rewrite功能所提供的重写后的代码并非编译器（LLVM）转换后的代码，如今的编译器在Xcode开启bitcode功能后会生成一种中间代码：LLVM Intermediate Representation（LLVM IR）。该代码向上可统一大部分高级语言，向下可支持多种不同架构的CPU，具体可查看LLVM文档。所以我们的目标是从IR代码求证super究竟在做什么事！

查看IR代码

终端里cd到Son.m文件所在目录，执行：

clang -emit-llvm Son.m -S -o son.ll

生成的IR代码比较多，我们挑重点进行查看：

  1. %0 = type opaque
  3. // Son的eat方法
  4. define internal void @”\01-[Son eat]“(%0*, i8*) #0 {
  5. %3 = alloca %0*, align 8 // 分配一个指针的内存，8字节对齐（声明一个指针变量）
  6. %4 = alloca i8*, align 8 // 分配一个char *的内存（声明一个char *指针变量）
  7. %5 = alloca %struct._objc_super, align 8 // 给_objc_super分配内存（声明一个struct._objc_super变量）
  8. store %0* %0, %0** %3, align 8 // 将*个参数，id self 写入%3分配的内存中去
  9. store i8* %1, i8** %4, align 8 // 将_cmd写入%4分配的内存中区
  10. %6 = load %0*, %0** %3, align 8 // 读出%3内存中的数据到%6这个临时变量（%3中存的是self）
  11. %7 = bitcast %0* %6 to i8* // 将%6变量的类型转换为char *指针类型，指向的还是self
  12. %8 = getelementptr inbounds %struct._objc_super, %struct._objc_super* %5, i32 0, i32 0 // 取struct._objc_super变量（%5）中的第0个元素，声明为%8
  13. store i8* %7, i8** %8, align 8 // 将%7存入%8这个变量中，即把i8* 类型的 self存入了结构体第0个元素中
  14. %9 = load %struct._class_t*, %struct._class_t** @”OBJC_CLASSLIST_SUP_REFS_$_”, align 8 // 声明%9临时变量为struct._class_t*类型，内容为@”OBJC_CLASSLIST_SUP_REFS_$_“
  15. %10 = bitcast %struct._class_t* %9 to i8* // 将%9的变量强转为char *类型
  16. %11 = getelementptr inbounds %struct._objc_super, %struct._objc_super* %5, i32 0, i32 1 // 取struct._objc_super变量（%5）中的第1个元素，声明为%11
  17. store i8* %10, i8** %11, align 8 // 将%9的变量，即@”OBJC_CLASSLIST_SUP_REFS_$_”存入结构体第1个元素中
  18. %12 = load i8*, i8** @OBJC_SELECTOR_REFERENCES_, align 8, !invariant.load !7 // 将@selector(eat)的引用放入char *类型的%12变量中
  20. // 函数调用，传入参数为上述生成的struct._objc_super结构体和 @selector(eat)，调用函数objc_msgSendSuper2
  21. call void bitcast (i8* (%struct._objc_super*, i8*, …)* @objc_msgSendSuper2 to void (%struct._objc_super*, i8*)*)(%struct._objc_super* %5, i8* %12)
  22. ret void
  23. }
  26. @”OBJC_CLASS_$_Son” = global %struct._class_t {
  27. %struct._class_t* @”OBJC_METACLASS_$_Son”,
  28. %struct._class_t* @”OBJC_CLASS_$_Father“,
  29. %struct._objc_cache* @_objc_empty_cache,
  30. i8* (i8*, i8*)** null,
  31. %struct._class_ro_t* @”\01l_OBJC_CLASS_RO_$_Son”
  32. }, section “__DATA, __objc_data”, align 8
  34. // 直接存放进入struct._objc_super的变量， 内容为@”OBJC_CLASS_$_Son“
  35. @”OBJC_CLASSLIST_SUP_REFS_$_” = private global %struct._class_t* @”OBJC_CLASS_$_Son“, section “__DATA, __objc_superrefs, regular, no_dead_strip“, align 8

IR的语法其实不难记，还是比较好懂的。这里我们只要对照着看即可：

  • %1，%2，@xxx之类的都是指代变量，理解为变量名就可以了
  • i8指8位的int类型，即1个字节的char类型。i8*就是指char *指针
  • alloca指分配内存，理解为声明一个变量即可，如alloca i8*即为一个char *的变量
  • %0在开头的代码里说明了是一个不透明的类型，所以%0*就指代一个万能指针，理解为id即可
  • store为写入内存
  • load为从内存中读取出来
  • bitcast为类型转换
  • getelementptr inbounds取指定内存偏移

代码中既有汇编的赶脚，又有高级语言的味道。基本上注释都补全了，代码中的逻辑和上文中我们自己实现的/clang重写的代码基本相似。但是这里注意@"OBJC_CLASSLIST_SUP_REFS_$_"这个变量。

@"OBJC_CLASSLIST_SUP_REFS_$_"其实就是对应到struct objc_super结构中的第二个元素：super_class。在IR代码的%11以及后面那一行就是体现。

而@"OBJC_CLASSLIST_SUP_REFS_$_"的定义就是@"OBJC_CLASS_$_Son"这个全局变量。@"OBJC_CLASS_$_Son"全局变量就是Son这个类对象，里面包含了元类：@"OBJC_METACLASS_$_Son"，以及父类：@"OBJC_CLASS_$_Father"，以及其他的一些数据。然而，看到这里，我们发现这和我们自己实现的super，以及clang重写的super都不一样：这里是直接将[Son class]作为struct objc_super的super_class，但是并没有任何调用class_getSuperclass的地方…

查看汇编源码

但是，这里唯一的一个函数@objc_msgSendSuper2貌似与众不同，与我们之前看到的objc_msgSendSuper相比多了个2，难道是这个函数在作鬼？那就让我们到官方的objc4-709源码里查询下这个函数（位于objc-msg-arm64.s文件中）：

  1. ENTRY _objc_msgSendSuper2
  2. UNWIND _objc_msgSendSuper2, NoFrame
  3. MESSENGER_START
  5. ldp x0, x16, [x0] // x0 = real receiver, x16 = class
  6. ldr x16, [x16, #SUPERCLASS] // x16 = class->superclass
  7. CacheLookup NORMAL
  9. END_ENTRY _objc_msgSendSuper2

这是一段汇编代码，没错，苹果为了提高运行效率，发送消息相关的函数是直接用汇编实现的。

这里我们来简单分析下这个函数：

  1. ldp x0, x16, [x0]：从x0出读取两个字数据到x0与x16中，根据注释，读取的数据应该是对应的self与[Son class]。
  2. ldr x16, [x16, #SUPERCLASS]：将x16的数值+SUPERCLASS值的偏移作为地址，取出该地址的数值保存在x16中。这里的SUPERCLASS定义是#define SUPERCLASS 8，也就是偏移8位，那么取到的应该就是@"OBJC_CLASS_$_Father"这个父类[Father class]到x16中。
  3. 执行CacheLookup函数，参数为NORMAL。

让我们看看CacheLookup的定义：

  1. /********************************************************************
  2. *
  3. * CacheLookup NORMAL|GETIMP|LOOKUP
  4. *
  5. * Locate the implementation for a selector in a class method cache.
  6. *
  7. * Takes:
  8. * x1 = selector
  9. * x16 = class to be searched
  10. *
  11. * Kills:
  12. * x9,x10,x11,x12, x17
  13. *
  14. * On exit: (found) calls or returns IMP
  15. * with x16 = class, x17 = IMP
  16. * (not found) jumps to LCacheMiss
  17. *
  18. ********************************************************************/
  20. #define NORMAL 0
  21. #define GETIMP 1
  22. #define LOOKUP 2
  24. .macro CacheLookup
  25. // x1 = SEL, x16 = isa
  26. ldp x10, x11, [x16, #CACHE] // x10 = buckets, x11 = occupied|mask
  27. and w12, w1, w11 // x12 = _cmd & mask
  28. add x12, x10, x12, LSL #4 // x12 = buckets + ((_cmd & mask)<<4)
  30. ldp x9, x17, [x12] // {x9, x17} = *bucket
  31. 1: cmp x9, x1 // if (bucket->sel != _cmd)
  32. b.ne 2f // scan more
  33. CacheHit $0 // call or return imp
  35. 2: // not hit: x12 = not-hit bucket
  36. CheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0
  37. cmp x12, x10 // wrap if bucket == buckets
  38. b.eq 3f
  39. ldp x9, x17, [x12, #-16]! // {x9, x17} = *–bucket
  40. b 1b // loop
  42. 3: // wrap: x12 = first bucket, w11 = mask
  43. add x12, x12, w11, UXTW #4 // x12 = buckets+(mask<<4)
  45. // Clone scanning loop to miss instead of hang when cache is corrupt.
  46. // The slow path may detect any corruption and halt later.
  48. ldp x9, x17, [x12] // {x9, x17} = *bucket
  49. 1: cmp x9, x1 // if (bucket->sel != _cmd)
  50. b.ne 2f // scan more
  51. CacheHit $0 // call or return imp
  53. 2: // not hit: x12 = not-hit bucket
  54. CheckMiss $0 // miss if bucket->sel == 0
  55. cmp x12, x10 // wrap if bucket == buckets
  56. b.eq 3f
  57. ldp x9, x17, [x12, #-16]! // {x9, x17} = *–bucket
  58. b 1b // loop
  60. 3: // double wrap
  61. JumpMiss $0
  63. .endmacro

具体的CacheLookup我们这里就不再展开了，我们只关心这里是从哪里查找方法的。在注释中，明确说到这是一个“去类的方法缓存中寻找方法实现”的函数，参入的参数是x1中的selector，x16中的class(class to be searched 就是说从这个类中开始查找)，而这时候的x16，恰恰是我们刚才在_objc_msgSendSuper2存入的父类[Father class]，因此，方法会从这个类中开始查找。

整体调用流程

从手动实现->查看clang重写->查看IR码->查看汇编源码这几个过程分析下来，我们总算是把这条真实的super调用链路搞搞清楚了：

  1. 编译器指定一个struct._objc_super结构体， 结构体中self为接收对象，直接指明自身的类为结构体第二个class类型的值。
  2. 调用_objc_msgSendSuper2函数，传入上述struct._objc_super结构体。
  3. 在_objc_msgSendSuper2函数中直接通过偏移量直接查找父类。
  4. 调用CacheLookup函数去父类中查找指定方法。

结论

所以，从真实的IR代码中，super关键字其实是直接指明本类Son，再结合_objc_msgSendSuper2函数直接获取父类去查找方法的，而并非像clang重写的那样，指明本类，再通过runtime查找父类。

其实先指明本类，再通过runtime查找父类，也是没有问题的，这还可以避免一些运行时“更改父类”的情况。但是LLVM的做法应该是有他的道理的，可能是出于性能考虑？