如何实现一个iOSAOP框架？

Aspect使用了OC的消息转发流程，有一定的性能消耗。本文作者使用C++设计语言，并使用libffi进行核心trampoline函数的设计，实现了一个iOS AOP框架——Lokie。相比于业内熟知的Aspects，性能上有了明显的提升。本文将分享Lokie的具体实现思路。

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前言

不自觉的想起自己从业的这十几年，如白驹过隙。现在谈到上还熟悉的的语言以ASM/C/C++/OC/JS/Lua/Ruby/Shell等为主，其他的基本上都是用时拈来过时忘，语言这种东西变化是在太快了，不过大体换汤不换药，我感觉近几年来所有的语言隐隐都有一种大统一的走势，一旦有个特性不错，你会在不同的语言中都找到这种技术的影子。所以我对使用哪种语言并不是很执着，不过C/C++是信仰罢了 : )

Lokie

工作中大部分用OC和Ruby、Shell之类的东西，前段时间一直想找一款合适的iOS下能用的AOP框架。iOS业内比较被熟知的应该就是Aspect了。但是Aspect性能比较差，Aspect的trampoline函数借助了OC语言的消息转发流程，函数调用使用了NSInvocation，我们知道，这两样都是性能大户。有一份测试数据，基本上NSInvocation的调用效率是普通消息发送效率的100倍左右。事实上，Aspect只能适用于每秒中调用次数不超过1000次的场景。当然还有一些其他的库，虽然性能有所提升，但不支持多线程场景，一旦加锁，性能又有明显的损耗。

找来找去也没有什么趁手的库，于是想了想，自己写一个吧。于是Lokie便诞生了。

Lokie的设计基本原则只有两条，第一高效，第二线程安全。为了满足高效这一设计原则，Lokie一方面采用了高效的C++设计语言，标准使用C++14。C++14因引入了一些非常棒的特性比如MOV语义，完美转发，右值引用，多线程支持等使得与C++98相比，性能有了显著的提升。另一方面我们抛弃了对OC消息转发和NSInvocation的依赖，使用libffi进行核心trampoline函数的设计，从而直接从设计上就砍倒性能大户。此外，对于线程锁的实现也使用了轻量的CAS无锁同步的技术，对于线程同步开销也降低了不少。

通过一些真机的性能数据来看，以iPhone 7P为例， Aspect百万次调用消耗为6s左右，而相同场景Lokie开销仅有0.35s左右，从测试数据上来看，性能提升还是非常显著的。

我是个急性子，看书的时候也是喜欢先看代码。所以我先帖lokie的开源地址：

https://github.com/alibaba/Lokie

喜欢翻代码的同学可以先去看看。

Lokie的头文件非常简单，如下所示只有两个方法和一个LokieHookPolicy的枚举。

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

这两个方法的参数是一样的，提供了对类方法和成员方法的切片化支持。

selecctor_name：是你感兴趣的selector名称，通常我们可以通过NSStringFromSelector 这个API来获取。
block：是要具体执行的命令，block的参数和返回值我们稍后讨论。
policy：指定了想要在该selector执行前，执行后执行block，或者是干脆覆盖原方法。

监控效果

拿一个场景来看看Lokie的威力。比如我们想监控所有的页面生命周期，是否正常。

比如项目中的 VC 基类叫 BasePageController，designated initializer 是 @selector(initWithConfig)。

我们暂时把这段测试代码放在application: didFinishLaunchingWithOptions中，AOP就是这么任性!这样我们在app初始化的时候对所有的BasePageController对象生命周期的开始和结束点进行了监控，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的参数定义非常有意思，第一个参数是永恒的id target，这个selector被发送的对象，剩下的参数和selector保持一致。比如 "initWithConfig:" 有一个参数，类型是NSDNSDictionary *, 所以我们对 initWithConfig: 传递的是^(id target, NSDictionary *param)，而dealloc是没有参数的，所以block变成了^(id target)。换句话说，在block回调当中，你可以拿到当前的对象，以及执行这个方法的参数上下文，这基本上可以为你提供了足够的信息。

对于返回值也很好理解，当你使用LokieHookPolicyReplace对原方法进行替换的时候，block的返回值一定和原方法是一致的。用其他两个flag的时候，无返回值，使用void即可。

另外我们可以对同一个方法进行多次hook，比如像这个样子：

Class cls = NSClassFromString(@"BasePageController"); 
  [cls Lokie_hookMemberSelector:@"viewDidAppear:" withBlock:^(id target, BOOL ani){ 
         NSLog(@"LOKIE: viewDidAppear 调用之前会执行这部分代码"); 
  }policy:LokieHookPolicyBefore]; 
  
  [cls Lokie_hookMemberSelector:@"viewDidAppear:" withBlock:^(id target, BOOL ani){ 
         NSLog(@"LOKIE: viewDidAppear 调用之后会执行这部分代码"); 
  }policy:LokieHookPolicyAfter];

细心的你有木有感觉到，如果我们用个时间戳记录前后两次的时间，获取某个函数的执行时间就会非常容易。

前面两个简单的小例子算是抛砖引玉吧， AOP在做监控、日志方面来说功能还是非常强大的。

实现原理

整个AOP的实现是基于iOS的runtime机制以及libffi打造的trampoline函数为核心的。所以这里我也聊聊iOS runtime的一些东西。这部分对于很多人来说，可能比较熟悉了。

OC runtime里有几个基础概念：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这个结构体很有意思，我在源码里面没有找到他的定义。不过可以通过翻阅代码来推测objc_selector的实现。在objc-sel.m当中，有两个函数代码如下：

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

sel_getName这个函数出镜率还是很高的，从它的实现来看，sel和const char *是可以直接互转的，第二个函数看的则更加清晰：

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

看到这里，我们基本上可以推测出来objc_selector的定义应该是类似与以下这种形式：

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

为了提升效率， selecor的查找是通过字符串的哈希值为key的，这样会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); 
 }

至于为什么会专门搞出一个objc_selector，我想官方应该是想强调SEL和const char 是不同的类型。

IMP

IMP的定义如下所示：

#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 中将 Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls 设置为NO才可以使用 objc_msgSend(id self, SEL op, ...)。有些同学在调用objc_msgSend的时候，编译器会报如下错误，就是这个原因了。

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

IMP 是一个函数指针，它是最终方法调用是的执行指令入口。

objc_method可以说是非常关键了，它也是OC语言可以在运行期进行method swizzling 的设计基石，通过objc_method 把函数地址，函数签名以及函数名称打包做个关联，在真正执行类方法的时候，通过selector名称，查找对应的IMP。同样，我们也可以通过在运行期替换某个selector 名称与之对应的IMP来完成一些特殊的需求。

消息发送机制

这三个概念明确了之后，我们继续聊下消息发送机制。我们知道当向某个对象发送消息的时候，有一个关键函数叫objc_msgSend，这个函数里到底干了些什么事情，我们简单聊一聊。

//! objc_msgSend 函数定义 
 id objc_msgSend(id self, SEL op, ...);

这个函数内部是用汇编写的，针对不同的硬件系统提供了相应的实现代码。不同的版本实现应该是存在差异，包括函数名称和实现(我查阅的版本是 objc4-208)。

objc_msgSend首先第一件事就是检测消息发送对象self是否为空，如果为空，直接返回，啥事不做。这也就是为什么对象为nil时，发送消息不会崩溃的原因。做完这些检测之后，会通过self->isa->cache去缓存里查找selector对应的Method, (cache里面存放的是Method )，查找到的话直接调用Method->method_imp。没有找到的话进入下一个处理流程，调用一个名为class_lookupMethodAndLoadCache的函数。

这个函数的定义如下所示：

IMP _class_lookupMethodAndLoadCache (Class  cls, SEL sel)  
 { 
     ... 
         if (methodPC == NULL) 
         { 
             //!  这里指定消息转发入口 
             // 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;    
     } 
  
     ... 
 }

消息转发机制这部分动态方法解析，备援接收者，消息重定向应该是很多面试官都喜欢问的环节 : ) ，我想大家肯定是比较熟悉这部分内容，这里就不再赘述了。

trampline函数的实现

接下来的内容，我们简单介绍下，从汇编的视角出发，如何实现一个trampline函数，完成c函数级别的函数转发。以x86指令集为例，其他类型原理也相似。

从汇编的角度来看，函数的跳转，最直接的方式就是插入jmp指令。x86指令集中，每条指令都有自己的指令长度，比如说jmp指令，长度为5，其中包含一个字节的指令码，4个字节的相对偏移量。假定我们手头有两个函数A和B, 如果想让B的调用转发到A上去，毫无疑问，jmp指令是可以帮上忙的。接着我们要解决的问题是如何计算出这两个函数的相对偏移量。这个问题我们可以这样考虑，但cpu碰到jmp的时候，它的执行动作为ip = ip + 5 + 相对偏移量。

为了更加直接的解释这个问题，我们看看下面的额汇编函数(不熟悉汇编的同学不用担心，这个函数没有干任何事情，只是做一个跳转)。

你也可以跟我一起来做，先写一个jump_test.s，定义了一个什么事情都没做的函数。

先看看汇编代码文件：(jump_test.s)翻译成C函数的话，就是void jump_test(){ return ; }。

.global _jump_test  
 _jump_test: 
     jmp   jlable    #！为了测试jmp指令偏移量，人为的给加几个nop 
     nop 
     nop  
     nop  
 jlable: 
     rep;ret

接着，我们在创建一个C文件：在这个文件里，我们调用刚才创建的jump_test函数。

#include  
 extern void jump_test(); 
 int main(){ 
     jump_test(); 
 }

最后就是编译链接了，我们创建一个build.sh生成可执行文件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

我们使用 lldb 加载调试刚才生成的prtal文件，并把断点打在函数 jump_test 上。

lldb ./portal 
 b jump_test 
 r

在我机器上，是如下的跳转地址，你的地址可能和我的不太一样，不过没关系，这并不影响我们的分析。

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

演示到这里的时候，我们成功的从汇编的视角，看到了一些我们想要的东西。

首先看看当前的 ip 是 0x100000f9f, 我们汇编中使用的jlable此时已经被计算，变成了新的目标地址(0x100000fa7)。我们知道，新的 ip 是通过当前 ip 加偏移算出来的， jmp的指令长度是5，前面我们已经解释过了。所以我们可以知道下面的关系：

new_ip = old_ip + 5 + offset;

把从 lldb 中获取的地址放进来，就变成了：

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

回头看看汇编代码，我们在代码中使用了三个nop, 每个nop指令为1个字节，刚好就是跳转到三个nop指令之后。做了个简单的验证之后，我们把这个等式做个变形，于是得到 offset = new_ip - old_ip - 5; 当我们知道 A函数和B函数之后，就很容易算出jmp的操作数是多少了。

讲到这里，函数的跳转思路就非常清晰了，我们想在调用A的时候，实际跳转到B。比如我们有个C api, 我们希望每次调用这个api的时候，实际上跳转到我们自定义的函数里面, 我们需要把这个api的前几个字节修改下，直接jmp到我们自己定义的函数中。前5个字节第一个当然就是jmp的操作码了，后面四个字节是我们计算出的偏移量。

最后给出一个完整的例子。汇编分析以及C代码一并打包放上来。

#include  
 #include  
  
 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); //!  该函数默认实现是返回 0， hook之后，返回 30 
     printf("res is %d\n", c); 
     return 0; 
 }

编译脚本(系统 macOS)：

gcc -o portal ./main.c 
 执行: ./portal 
 输出: res is 30

至此，函数调用已经被成功转发了。

【本文为专栏作者“阿里巴巴官方技术”原创稿件，转载请联系原作者】

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