开源 | 如何实现一个iOS AOP框架?-阿里云开发者社区

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开源 | 如何实现一个iOS AOP框架?

简介: 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。

#import <Foundation/Foundation.h>
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 "<null selector>";
    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 <stdio.h>
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 <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); //!  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。

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