[翻译]Objective-C内部探秘4：未实现的类（和桥接）

(原文出处：Objective-C Internals | Always Processing)

Objective-C 中的未实现类可以指的是未来的类或类存根。未来类（一种私有的运行时特性）促进了与 CoreFoundation 的无缝桥接。而类存根则是 Swift 编译器生成的，用于支持稳定的 Swift ABI 和 Objective-C 之间的互操作性。

在先前的一篇探讨了 Objective-C 类实现的文章中，忽略了一个有趣的细节：用于识别元类的函数的一个概念，即未实现的类。

C 复制代码

// 类似于 isMetaClass，但也可以在未实现的类上有效
bool isMetaClassMaybeUnrealized() { /* ... */ }

未实现的类是部分初始化的元类，只有类名是已知的。有两种类型的未实现的元类：未来类和类存根。

未来类

Mac OS X 10.5 引入了未来类作为一个私有的运行时特性，以清理无缝桥接的实现。令人惊讶的是，这实际上在 objc_getFutureClass 中有文档说明：

用于 CoreFoundation 的无缝桥接。请不要自己调用此函数。

无缝桥接（Toll-Free Bridging）

首先，让我们简要地看一下无缝桥接的实现。Mac OS X Developer Preview 1 引入了 CoreFoundation 框架和"无缝桥接"。简而言之，无缝桥接允许开发人员在桥接的 CoreFoundation 和 Foundation 类型之间自由转换（例如，将 CFArrayRef 转换为 NSArray * 或反之亦然），以便将一个类型传递为另一个类型，而无需承担任何运行时开销。此外，对于桥接的 Foundation 类的用户定义子类也得到了充分支持。

全面探讨无缝桥接超出了本文的范围，但您可以在这里阅读更多内容。我们只需要突出两个关键的实现细节，以了解它如何使用 Objective-C 运行时。

首先，所有 CoreFoundation 对象都有一个 Objective-C 兼容的 isa 字段作为其第一个成员。从 CFRuntime.h：

C 复制代码

typedef struct __CFRuntimeBase {
    void *_isa;
    // ...
} CFRuntimeBase;

其次，每个带有 Foundation 等效物的 CoreFoundation 函数（例如，CFArrayGetCount() 和 -[NSArray count]）将在 isa 不匹配 bridged CoreFoundation 类型的 isa 的情况下调用 Objective-C 实现，这就是为用户定义的 Foundation 子类提供桥接支持的地方。（CFInternal.h 定义了 Objective-C 分派宏。）

scss 复制代码

CFIndex CFArrayGetCount(CFArrayRef array) {
    CF_OBJC_FUNCDISPATCH0(__kCFArrayTypeID, CFIndex, array, "count");
    __CFGenericValidateType(array, __kCFArrayTypeID);
    return __CFArrayGetCount(array);
}

#define CF_OBJC_FUNCDISPATCH0(typeID, rettype, obj, sel) \
    if (__builtin_expect(CF_IS_OBJC(typeID, obj), 0)) \
    {rettype (*func)(const void *, SEL) = (void *)__CFSendObjCMsg; \
    static SEL s = NULL; if (!s) s = sel_registerName(sel); \
    return func((const void *)obj, s);}

CF_INLINE int CF_IS_OBJC(CFTypeID typeID, const void *obj) {
    return (((CFRuntimeBase *)obj)->_isa != __CFISAForTypeID(typeID) && ((CFRuntimeBase *)obj)->_isa > (void *)0xFFF);
}

CoreFoundation 如何获取与 Foundation 共享的 isa 指针是本节其余部分的主题。

Mac OS X 10.0 - Mac OS X 10.4 "Tiger"

无缝桥接的原始实现非常复杂。Foundation 定义了公共的 Objective-C 类（例如 NSObject、NSArray、NSMutableArray）、类群的私有实现（例如 NSCFArray）以及桥接占位符（例如 NSCFArray__），后者是桥接实现的一个微不足道的子类。

当加载 Foundation 时，它调用 CoreFoundation 的 __CFSetupFoundationBridging() 函数，该函数执行两项操作：

调用 __CFInitialize()。最初的初始化步骤之一是为 __CFRuntimeObjCClassTable 中的每个条目分配内存，该表将 CFTypeIDs 映射到它们的桥接 Objective-C Class。在这里分配的 objc_class（回想一下，Class 是 objc_class * 的 typedef）将成为在下一步中在后续的初始化步骤中分配给 CoreFoundation 对象的内存中可用的桥接类实例。在初始化过程的早期，保留了指针值，以确保在分配后续初始化步骤中分配的 CoreFoundation 对象时，这些对象可以正确地进行桥接。

对于每个桥接类型，查找占位符子类，并在存在时调用 _CFRuntimeSetupBridging()。

_CFRuntimeSetupBridging() 对占位符的 objc_class 结构进行位拷贝，将其拷贝到前面一步分配的内存中。

然后，CoreFoundation 将其位拷贝的占位符类呈现为桥接实现。

C 复制代码

void __CFSetupFoundationBridging(void *, void *, void *, void *) {
    // ...
    __CFInitialize();
    // ...
    Class aClass = objc_lookUpClass("NSCFArray__");
    if (arrayClass != Nil) {
        _CFRuntimeSetupBridging(CFArrayGetTypeID(), aClass->super_class, aClass);
    }
    aClass = objc_lookUpClass("NSCFDictionary__");
    if (aClass != Nil) {
        _CFRuntimeSetupBridging(CFDictionaryGetTypeID(), aClass->super_class, aClass);
    }
    // ...
}

void __CFInitialize(void) {
    // ...
    __CFRuntimeObjCClassTable[CFDictionaryGetTypeID()] = calloc(sizeof(struct objc_class), 1);
    __CFRuntimeObjCClassTable[CFArrayGetTypeID()] = calloc(sizeof(struct objc_class), 1);
    // ...
}

Boolean _CFRuntimeSetupBridging(CFTypeID typeID, struct objc_class *mainClass, struct objc_class *subClass) {
    void *isa = __CFISAForTypeID(typeID);
    memmove(isa, subClass, sizeof(struct objc_class));
    class_poseAs(isa, mainClass);
    return true;
}

替身是 Objective-C 运行时的一项已弃用功能（在 Objective-C 2 中已移除），其实质是允许子类取代其父类的身份。替身类使用原始类的名称，为了保留名称的唯一性，运行时随后在原始类的名称前加上 %，在原始元类的名称前加上 %。因此，继续以数组为例，NSCFArray_ 变为 NSCFArray，而原始的 NSCFArray 变为 %NSCFArray。

替身类实例会接收发送给原始类实例的所有消息。在上述桥接完成后，发送到 NSCFArray 类（例如，alloc）的任何消息都会由作为 NSCFArray（即 NSCFArray__）进行替身的类接收。因此，此重定向导致 Foundation 使用替身类类型创建新对象。然后，当将 Foundation 对象作为 CFTypeRef 传递给 CoreFoundation 时，CF_IS_OBJC 返回 false，因为对象具有将其标识为私有桥接类型的 isa（因此不需要 Objective-C 分派到用户定义的子类）。由于它是一个私有类，CoreFoundation 可以直接访问其内部。

Mac OS X 10.5 "Leopard" 及之后以及 iOS

未来类极大地简化了无缝桥接的实现。在 Mac OS X 10.5 及更高版本中，桥接配置仍然发生在 __CFInitialize() 中，但有一些关键的区别：

__CFInitialize() 在动态链接器加载框架时调用，消除了对下游代码的初始化依赖。

对于每个桥接类型，CoreFoundation 使用类名调用 objc_getFutureClass() 并使用运行时返回的 Class 指针填充 __CFRuntimeObjCClassTable。

如果类已加载，运行时将返回其实例指针。

否则，运行时将分配一个带有给定名称的 objc_class 实例，并返回指向此"未来"类的指针。然后，当进程稍后加载具有该名称的类时，运行时将类定义拷贝到先前分配的内存中（类似于前版本中的 _CFRuntimeSetupBridging()），并将从二进制图像加载的类定义重新映射到先前分配的类定义（类似于替身）。尽管存在相似之处，但这种策略简化了 Objective-C 运行时和 CoreFoundation 的实现。

以下是 Leopard 中的新 Core Foundation 实现的近似。

C 复制代码

static void __CFInitialize(void) __attribute__ ((constructor));
static void __CFInitialize(void) {
    // ...
    _CFRuntimeBridgeClasses(0x10/*CFDictionaryGetTypeID()*/, "NSCFDictionary");
    _CFRuntimeBridgeClasses(0x11/*CFArrayGetTypeID()*/, "NSCFArray");
    // ...
}

void _CFRuntimeBridgeClasses(CFTypeID cf_typeID, const char *objc_classname) {
    __CFRuntimeObjCClassTable[cf_typeID] = objc_getFutureClass(objc_classname);
}

未来类不要求在进程的生命周期内实现。然而，如果未来类接收任何消息，进程将崩溃。我对使用 Objective-C 运行时函数的未来类进行了抽查，我测试过的函数在功能上都是正确的，即使是偶然的。

类存根

macOS 10.15 和 iOS 13 中的 Objective-C 运行时引入了类存根以支持稳定的 Swift ABI。Swift 编译器在以下情况下会生成类存根类：

通过 @objc 属性声明的 Swift 类型可在 Objective-C 中表示，包括任何直接或间接继承自 NSObject 的类。

Swift 类被编译成启用了库演化（使用 -enable-library-evolution 构建标志）的动态库（包括框架）。库演化也称为韧性或 ABI 稳定性。

另一个模块中的 Swift 类导入了（2）中的模块，并将（1）中定义的类作为其子类。当编译此衍生的 Swift 类时，编译器将生成 Objective-C 类元数据作为类存根。

我对为此情况需要存根的原因进行了初步调查，但没有得出任何结论。我想答案将不得不等到 Swift 内部探秘系列文章中 🙃。但是，我们可以看看 Objective-C 运行时是如何处理类存根的。

isa 值从 1 到 15（含）的值标识了 objc_class 实例作为存根类。目前，除了 1 之外的 isa 值都是保留的。

C 复制代码

bool isStubClass() const {
    uintptr_t isa = (uintptr_t)isaBits();
    return 1 <= isa && isa < 16;
}

如果调用了 objc_getClassList() 或 objc_copyClassList()，则运行时将根据需要初始化进程中加载的所有存根类。否则，在需要类对象时，将按需初始化存根类。

Swift 编译器生成的 Objective-C 头文件在类接口中添加了一个 attribute((objc_class_stub))，这会指示 Clang 通过调用 objc_loadClassref() 获取类对象，而不是直接引用类符号。运行时函数在首次访问时调用 Swift 初始化器来生成 Class 对象，并将结果存储在存根中以供将来访问。