Aspect使用了OC的消息轉(zhuǎn)發(fā)流程，有一定的性能消耗。本文作者使用C++設(shè)計(jì)語言，并使用libffi進(jìn)行核心trampoline函數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)iOS AOP框架——Lokie。相比于業(yè)內(nèi)熟知的Aspects，性能上有了明顯的提升。本文將分享Lokie的具體實(shí)現(xiàn)思路。

前言

不自覺的想起自己從業(yè)的這十幾年，如白駒過隙?，F(xiàn)在談到上還熟悉的的語言以ASM/C/C++/OC/JS/Lua/Ruby/Shell等為主，其他的基本上都是用時(shí)拈來過時(shí)忘，語言這種東西變化是在太快了， 不過大體換湯不換藥，我感覺近幾年來所有的語言隱隱都有一種大統(tǒng)一的走勢(shì)，一旦有個(gè)特性不錯(cuò)，你會(huì)在不同的語言中都找到這種技術(shù)的影子。所以我對(duì)使用哪種語言并不是很執(zhí)著，不過C/C++是信仰罷了 : )

Lokie

工作中大部分用OC和Ruby、Shell之類的東西，前段時(shí)間一直想找一款合適的iOS下能用的AOP框架。iOS業(yè)內(nèi)比較被熟知的應(yīng)該就是Aspect了。但是Aspect性能比較差，Aspect的trampoline函數(shù)借助了OC語言的消息轉(zhuǎn)發(fā)流程，函數(shù)調(diào)用使用了NSInvocation，我們知道，這兩樣都是性能大戶。有一份測(cè)試數(shù)據(jù)，基本上NSInvocation的調(diào)用效率是普通消息發(fā)送效率的100倍左右。事實(shí)上，Aspect只能適用于每秒中調(diào)用次數(shù)不超過1000次的場(chǎng)景。當(dāng)然還有一些其他的庫，雖然性能有所提升，但不支持多線程場(chǎng)景，一旦加鎖，性能又有明顯的損耗。

找來找去也沒有什么趁手的庫，于是想了想，自己寫一個(gè)吧。于是Lokie便誕生了。

Lokie的設(shè)計(jì)基本原則只有兩條，第一高效，第二線程安全。為了滿足高效這一設(shè)計(jì)原則，Lokie一方面采用了高效的C++設(shè)計(jì)語言，標(biāo)準(zhǔn)使用C++14。C++14因引入了一些非常棒的特性比如MOV語義，完美轉(zhuǎn)發(fā)，右值引用，多線程支持等使得與C++98相比，性能有了顯著的提升。另一方面我們拋棄了對(duì)OC消息轉(zhuǎn)發(fā)和NSInvocation的依賴，使用libffi進(jìn)行核心trampoline函數(shù)的設(shè)計(jì)，從而直接從設(shè)計(jì)上就砍倒性能大戶。此外，對(duì)于線程鎖的實(shí)現(xiàn)也使用了輕量的CAS無鎖同步的技術(shù)，對(duì)于線程同步開銷也降低了不少。

通過一些真機(jī)的性能數(shù)據(jù)來看，以iPhone 7P為例， Aspect百萬次調(diào)用消耗為6s左右，而相同場(chǎng)景Lokie開銷僅有0.35s左右， 從測(cè)試數(shù)據(jù)上來看，性能提升還是非常顯著的。

我是個(gè)急性子，看書的時(shí)候也是喜歡先看代碼。所以我先帖lokie的開源地址：

??https://github.com/alibaba/Lokie??

喜歡翻代碼的同學(xué)可以先去看看。

Lokie的頭文件非常簡單， 如下所示只有兩個(gè)方法和一個(gè)LokieHookPolicy的枚舉。

typedef enum : NSUInteger { 
     LokieHookPolicyBefore = 1 << 0, 
     LokieHookPolicyAfter = 1 << 1, 
     LokieHookPolicyReplace = 1 << 2, 
 } LokieHookPolicy; 
  
 @interface NSObject (Lokie) 
 + (BOOL) Lokie_hookMemberSelector:(NSString *) selecctor_name 
                            withBlock: (id) block 
                               policy:(LokieHookPolicy) policy; 
  
 + (BOOL) Lokie_hookClassSelector:(NSString *) selecctor_name 
                                   withBlock: (id) block 
                                      policy:(LokieHookPolicy) policy; 
  
 -(NSArray*) lokie_errors; 
 @end

這兩個(gè)方法的參數(shù)是一樣的，提供了對(duì)類方法和成員方法的切片化支持。

• selecctor_name：是你感興趣的selector名稱，通常我們可以通過NSStringFromSelector 這個(gè)API來獲取。
• block：是要具體執(zhí)行的命令，block的參數(shù)和返回值我們稍后討論。
• policy：指定了想要在該selector執(zhí)行前，執(zhí)行后執(zhí)行block，或者是干脆覆蓋原方法。

監(jiān)控效果

拿一個(gè)場(chǎng)景來看看Lokie的威力。比如我們想監(jiān)控所有的頁面生命周期，是否正常。

比如項(xiàng)目中的 VC 基類叫 BasePageController，designated initializer 是 @selector(initWithConfig)。

我們暫時(shí)把這段測(cè)試代碼放在application: didFinishLaunchingWithOptions中，AOP就是這么任性!這樣我們?cè)赼pp初始化的時(shí)候?qū)λ械腂asePageController對(duì)象生命周期的開始和結(jié)束點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)控，是不是很酷?

Class cls = NSClassFromString(@"BasePageController"); 
 [cls Lokie_hookMemberSelector:@"initWithConfig:" 
                     withBlock:^(id target, NSDictionary *param){ 
                         NSLog(@"%@", param); 
                         NSLog(@"Lokie: %@ is created", target); 
 } policy:LokieHookPolicyAfter]; 
  
 [cls Lokie_hookMemberSelector:@"dealloc" withBlock:^(id target){ 
         NSLog(@"Lokie: %@ is dealloc", target); 
 } policy:LokieHookPolicyBefore];

block的參數(shù)定義非常有意思， 第一個(gè)參數(shù)是永恒的id target，這個(gè)selector被發(fā)送的對(duì)象，剩下的參數(shù)和selector保持一致。比如 "initWithConfig:" 有一個(gè)參數(shù)，類型是NSDNSDictionary *, 所以我們對(duì) initWithConfig: 傳遞的是^(id target, NSDictionary *param)，而dealloc是沒有參數(shù)的，所以block變成了^(id target)。換句話說，在block回調(diào)當(dāng)中，你可以拿到當(dāng)前的對(duì)象，以及執(zhí)行這個(gè)方法的參數(shù)上下文，這基本上可以為你提供了足夠的信息。

對(duì)于返回值也很好理解，當(dāng)你使用LokieHookPolicyReplace對(duì)原方法進(jìn)行替換的時(shí)候，block的返回值一定和原方法是一致的。用其他兩個(gè)flag的時(shí)候，無返回值，使用void即可。

另外我們可以對(duì)同一個(gè)方法進(jìn)行多次hook，比如像這個(gè)樣子：

Class cls = NSClassFromString(@"BasePageController"); 
  [cls Lokie_hookMemberSelector:@"viewDidAppear:" withBlock:^(id target, BOOL ani){ 
         NSLog(@"LOKIE: viewDidAppear 調(diào)用之前會(huì)執(zhí)行這部分代碼"); 
  }policy:LokieHookPolicyBefore]; 
  
  [cls Lokie_hookMemberSelector:@"viewDidAppear:" withBlock:^(id target, BOOL ani){ 
         NSLog(@"LOKIE: viewDidAppear 調(diào)用之后會(huì)執(zhí)行這部分代碼"); 
  }policy:LokieHookPolicyAfter];

細(xì)心的你有木有感覺到，如果我們用個(gè)時(shí)間戳記錄前后兩次的時(shí)間，獲取某個(gè)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間就會(huì)非常容易。

前面兩個(gè)簡單的小例子算是拋磚引玉吧， AOP在做監(jiān)控、日志方面來說功能還是非常強(qiáng)大的。

實(shí)現(xiàn)原理

整個(gè)AOP的實(shí)現(xiàn)是基于iOS的runtime機(jī)制以及l(fā)ibffi打造的trampoline函數(shù)為核心的。所以這里我也聊聊iOS runtime的一些東西。這部分對(duì)于很多人來說，可能比較熟悉了。

OC runtime里有幾個(gè)基礎(chǔ)概念：SEL, IMP, Method。

SEL

typedef struct objc_selector  *SEL; 
 typedef id  (*IMP)(id, SEL, ...); 
  
 struct objc_method { 
     SEL method_name; 
     char *method_types; 
                 IMP method_imp; 
 } ; 
 typedef struct objc_method *Method;

objc_selector這個(gè)結(jié)構(gòu)體很有意思，我在源碼里面沒有找到他的定義。不過可以通過翻閱代碼來推測(cè)objc_selector的實(shí)現(xiàn)。在objc-sel.m當(dāng)中，有兩個(gè)函數(shù)代碼如下：

const char *sel_getName(SEL sel) { 
     if (!sel) return "<null selector>"; 
     return (const char *)(const void*)sel; 
 }

sel_getName這個(gè)函數(shù)出鏡率還是很高的，從它的實(shí)現(xiàn)來看，sel和const char *是可以直接互轉(zhuǎn)的，第二個(gè)函數(shù)看的則更加清晰：

static SEL __sel_registerName(const char *name, int copy) ; 
 //! 在 __sel_registerName 中有通過const char *name 直接得到 SEL 的方法 
  
 ... 
 if (!result) { 
     result = sel_alloc(name, copy); 
 } 
 ... 
  
 //! sel_alloc的實(shí)現(xiàn) 
 static SEL sel_alloc(const char *name ,bool copy) 
 { 
     selLock.assertWriting(); 
     return (SEL)(copy ? strdupIfMutable(name):name); 
 }

看到這里，我們基本上可以推測(cè)出來objc_selector的定義應(yīng)該是類似與以下這種形式：

typedef struct { 
      char  selector[XXX]; 
      void *unknown; 
       ... 
 }objc_selector;

為了提升效率， selecor的查找是通過字符串的哈希值為key的，這樣會(huì)比直接使用字符串做索引查找更加高效。

//！objc4-208  版本的哈希算法 
 static CFHashCode _objc_hash_selector(const void *v) { 
     if (!v) return 0; 
     return (CFHashCode)_objc_strhash(v); 
 } 
  
 static __inline__ unsigned int _objc_strhash(const unsigned char *s) { 
     unsigned int hash = 0; 
     for (;;) { 
   int a = *s++; 
   if (0 == a) break; 
   hash += (hash << 8) + a; 
     } 
     return hash; 
 }

//! objc4-723 版本的hash算法 
 static unsigned _mapStrHash(NXMapTable *table, const void *key) { 
     unsigned    hash = 0; 
     unsigned char *s = (unsigned char *)key; 
     /* unsigned to avoid a sign-extend */ 
     /* unroll the loop */ 
     if (s) for (; ; ) { 
   if (*s == '\0') break; 
   hash ^= *s++; 
   if (*s == '\0') break; 
   hash ^= *s++ << 8; 
   if (*s == '\0') break; 
   hash ^= *s++ << 16; 
   if (*s == '\0') break; 
   hash ^= *s++ << 24; 
     } 
     return xorHash(hash); 
 } 
  
 static INLINE unsigned xorHash(unsigned hash) { 
     unsigned xored = (hash & 0xffff) ^ (hash >> 16); 
     return ((xored * 65521) + hash); 
 }

至于為什么會(huì)專門搞出一個(gè)objc_selector， 我想官方應(yīng)該是想強(qiáng)調(diào)SEL和const char 是不同的類型。

IMP

IMP的定義如下所示：

#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES 
 typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );  
 #else 
 typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);  
 #endif

LLVM 6.0 后增加了 OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES，需要在 build setting 中將 Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls 設(shè)置為NO才可以使用 objc_msgSend(id self, SEL op, ...)。有些同學(xué)在調(diào)用objc_msgSend的時(shí)候，編譯器會(huì)報(bào)如下錯(cuò)誤，就是這個(gè)原因了。

Too many arguments to function call, expected 0, have 2

IMP 是一個(gè)函數(shù)指針，它是最終方法調(diào)用是的執(zhí)行指令入口。

objc_method可以說是非常關(guān)鍵了，它也是OC語言可以在運(yùn)行期進(jìn)行method swizzling 的設(shè)計(jì)基石， 通過objc_method 把函數(shù)地址，函數(shù)簽名以及函數(shù)名稱打包做個(gè)關(guān)聯(lián)， 在 真正執(zhí)行類方法的時(shí)候，通過selector名稱，查找對(duì)應(yīng)的IMP。同樣，我們也可以通過在運(yùn)行期替換某個(gè)selector 名稱與之對(duì)應(yīng)的IMP來完成一些特殊的需求。

消息發(fā)送機(jī)制

這三個(gè)概念明確了之后，我們繼續(xù)聊下消息發(fā)送機(jī)制。我們知道當(dāng)向某個(gè)對(duì)象發(fā)送消息的時(shí)候，有一個(gè)關(guān)鍵函數(shù)叫objc_msgSend， 這個(gè)函數(shù)里到底干了些什么事情， 我們簡單聊一聊。

//! objc_msgSend 函數(shù)定義 
 id objc_msgSend(id self, SEL op, ...);

這個(gè)函數(shù)內(nèi)部是用匯編寫的，針對(duì)不同的硬件系統(tǒng)提供了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)代碼。不同的版本實(shí)現(xiàn)應(yīng)該是存在差異， 包括函數(shù)名稱和實(shí)現(xiàn)(我查閱的版本是 objc4-208)。

objc_msgSend首先第一件事就是檢測(cè)消息發(fā)送對(duì)象self是否為空，如果為空，直接返回，啥事不做。這也就是為什么對(duì)象為nil時(shí)，發(fā)送消息不會(huì)崩潰的原因。做完這些檢測(cè)之后，會(huì)通過self->isa->cache去緩存里查找selector對(duì)應(yīng)的Method, (cache里面存放的是Method )，查找到的話直接調(diào)用Method->method_imp。沒有找到的話進(jìn)入下一個(gè)處理流程，調(diào)用一個(gè)名為class_lookupMethodAndLoadCache的函數(shù)。

這個(gè)函數(shù)的定義如下所示：

IMP _class_lookupMethodAndLoadCache (Class  cls, SEL sel)  
 { 
     ... 
         if (methodPC == NULL) 
         { 
             //!  這里指定消息轉(zhuǎn)發(fā)入口 
             // Class and superclasses do not respond -- use forwarding 
             smt = malloc_zone_malloc (_objc_create_zone(), sizeof(struct objc_method)); 
             smt->method_name    = sel; 
             smt->method_types   = ""; 
             smt->method_imp     = &_objc_msgForward; 
             _cache_fill (cls, smt, sel); 
             methodPC = &_objc_msgForward;    
     } 
  
     ... 
 }

消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制這部分動(dòng)態(tài)方法解析，備援接收者，消息重定向應(yīng)該是很多面試官都喜歡問的環(huán)節(jié) : ) ，我想大家肯定是比較熟悉這部分內(nèi)容，這里就不再贅述了。

trampline函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

接下來的內(nèi)容，我們簡單介紹下，從匯編的視角出發(fā)，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)trampline函數(shù)，完成c函數(shù)級(jí)別的函數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)。以x86指令集為例，其他類型原理也相似。

從匯編的角度來看，函數(shù)的跳轉(zhuǎn)，最直接的方式就是插入jmp指令。x86指令集中，每條指令都有自己的指令長度，比如說jmp指令， 長度為5，其中包含一個(gè)字節(jié)的指令碼，4個(gè)字節(jié)的相對(duì)偏移量。假定我們手頭有兩個(gè)函數(shù)A和B, 如果想讓B的調(diào)用轉(zhuǎn)發(fā)到A上去， 毫無疑問，jmp指令是可以幫上忙的。接著我們要解決的問題是如何計(jì)算出這兩個(gè)函數(shù)的相對(duì)偏移量。這個(gè)問題我們可以這樣考慮， 但cpu碰到j(luò)mp的時(shí)候，它的執(zhí)行動(dòng)作為ip = ip + 5 + 相對(duì)偏移量。

為了更加直接的解釋這個(gè)問題，我們看看下面的額匯編函數(shù)(不熟悉匯編的同學(xué)不用擔(dān)心， 這個(gè)函數(shù)沒有干任何事情，只是做一個(gè)跳轉(zhuǎn))。

你也可以跟我一起來做，先寫一個(gè)jump_test.s，定義了一個(gè)什么事情都沒做的函數(shù)。

先看看匯編代碼文件：(jump_test.s)翻譯成C函數(shù)的話，就是void jump_test(){ return ; }。

.global _jump_test  
 _jump_test: 
     jmp   jlable    #！為了測(cè)試jmp指令偏移量，人為的給加幾個(gè)nop 
     nop 
     nop  
     nop  
 jlable: 
     rep;ret

接著，我們?cè)趧?chuàng)建一個(gè)C文件：在這個(gè)文件里，我們調(diào)用剛才創(chuàng)建的jump_test函數(shù)。

#include <stdio.h> 
 extern void jump_test(); 
 int main(){ 
     jump_test(); 
 }

最后就是編譯鏈接了， 我們創(chuàng)建一個(gè)build.sh生成可執(zhí)行文件portal 。

#! /bin/sh 
 cc -c  -o main.o main.c  
 as -o jump_test.o jump_test.s  
 cc -o  portal main.c jump_test.o

我們使用 lldb 加載調(diào)試剛才生成的prtal文件，并把斷點(diǎn)打在函數(shù) jump_test 上。

lldb ./portal 
 b jump_test 
 r

在我機(jī)器上，是如下的跳轉(zhuǎn)地址， 你的地址可能和我的不太一樣，不過沒關(guān)系，這并不影響我們的分析。

Process 22830 launched: './portal' (x86_64) 
 Process 22830 stopped 
 * thread #1, queue = 'com.apple.main-thread', stop reason = breakpoint 1.1 
     frame #0: 0x0000000100000f9f portal`jump_test 
 portal`jump_test: 
 ->  0x100000f9f <+0>: jmp    0x100000fa7               ; jlable 
     0x100000fa4 <+5>: nop     
     0x100000fa5 <+6>: nop     
     0x100000fa6 <+7>: nop

演示到這里的時(shí)候，我們成功的從匯編的視角，看到了一些我們想要的東西。

首先看看當(dāng)前的 ip 是 0x100000f9f, 我們匯編中使用的jlable此時(shí)已經(jīng)被計(jì)算，變成了新的目標(biāo)地址(0x100000fa7)。我們知道，新的 ip 是通過當(dāng)前 ip 加偏移算出來的， jmp的指令長度是5，前面我們已經(jīng)解釋過了。所以我們可以知道下面的關(guān)系：

new_ip = old_ip + 5 + offset;

把從 lldb 中獲取的地址放進(jìn)來，就變成了：

0x100000fa7 = 0x100000f9f + 5 + offset ==> offset = 3.

回頭看看匯編代碼， 我們?cè)诖a中使用了三個(gè)nop, 每個(gè)nop指令為1個(gè)字節(jié)， 剛好就是跳轉(zhuǎn)到三個(gè)nop指令之后。做了個(gè)簡單的驗(yàn)證之后，我們把這個(gè)等式做個(gè)變形，于是得到 offset = new_ip - old_ip - 5; 當(dāng)我們知道 A函數(shù)和B函數(shù)之后，就很容易算出jmp的操作數(shù)是多少了。

講到這里，函數(shù)的跳轉(zhuǎn)思路就非常清晰了，我們想在調(diào)用A的時(shí)候，實(shí)際跳轉(zhuǎn)到B。比如我們有個(gè)C api, 我們希望每次調(diào)用這個(gè)api的時(shí)候，實(shí)際上跳轉(zhuǎn)到我們自定義的函數(shù)里面, 我們需要把這個(gè)api的前幾個(gè)字節(jié)修改下，直接jmp到我們自己定義的函數(shù)中。前5個(gè)字節(jié)第一個(gè)當(dāng)然就是jmp的操作碼了，后面四個(gè)字節(jié)是我們計(jì)算出的偏移量。

最后給出一個(gè)完整的例子。匯編分析以及C代碼一并打包放上來。

#include <stdio.h> 
 #include <mach/mach.h> 
  
 int  new_add(int a, int b){ 
     return a+b; 
 } 
  
 int add(int a, int b){ 
     printf("my_add org is called!\n"); 
     return 0; 
 } 
  
 typedef struct{ 
   uint8_t jmp; 
   uint32_t off; 
 } __attribute__((packed)) tramp_line_code; 
  
 void dohook(void *src, void *dst){ 
     vm_protect(mach_task_self(), (vm_address_t)src, 5, 0, VM_PROT_ALL); 
     tramp_line_code jshort; 
     jshort.jmp = 0xe9; 
     jshort.off = (uint32_t)(long)dst - (uint32_t)(long)src - 0x5; 
     memcpy(my_add, (const void*)&jshort, sizeof(tramp_line_code)); 
     vm_protect(mach_task_self(), (vm_address_t)src, 5, 0, VM_PROT_READ|VM_PROT_EXECUTE); 
 } 
  
 int main(){ 
     dohook(add, new_add); 
     int c = add(10, 20); //!  該函數(shù)默認(rèn)實(shí)現(xiàn)是返回 0， hook之后，返回 30 
     printf("res is %d\n", c); 
     return 0; 
 }

編譯腳本(系統(tǒng) macOS)：

gcc -o portal ./main.c 
 執(zhí)行: ./portal 
 輸出: res is 30

至此， 函數(shù)調(diào)用已經(jīng)被成功轉(zhuǎn)發(fā)了。

【本文為51CTO專欄作者“阿里巴巴官方技術(shù)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】

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