Aspects深度解析-iOS面向切面编程
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2021-07-07 15:08
作者丨monkery
来源丨码上work（codework88）
背景简述
在日常开发过程中是否有过这样的需求：不修改原来的函数，但是又想在函数的执行前后插入一些代码。这个方式就是面向切面（AOP），在iOS开发中比较知名的框架就是Aspects，而饿了么新出的Stinger框架先不讨论，Aspects的源码精炼巧妙，很值得学习深究，本文主要从源码和应用层面来介绍下
源码解析
先提出几个问题
带着问题去阅读更容易理解
Aspects实现的核心原理是什么
哪些方法不能被hook
hook的操作是否可以只对某个实例生效，对同一个类的其他实例不生效
block是如何被存储和调用的
基本原理
正常来讲想实现AOP，可以利用runtime的特性进行method swizzle，但Aspects就是造好的轮子，而且更好用，下面简述下Aspects的基本原理
runtime的消息转发机制
在OC中，所有的消息调用最后都会通过objc_msgSend()方法进行访问
通过
objc_msgSend()进行消息调用，为了加快执行速度，这个方法在runtime源码中是用汇编实现的然后调用
lookUpImpOrForward()方法，返回值是个IMP指针，如果查找到了调用函数的IMP，则进行方法的访问如果没有查到对于方法的
IMP指针，则进行消息转发机制第一层转发：会调用
resolveInstanceMethod:、resolveClassMethod:，这次转发是方法级别的，开发者可以动态添加方法进行补救第二层转发：如果第一层转发返回
NO，则会进行第二层转发，调用forwardingTargetForSelector:，可以把调用转发到另一个对象，这是类级别的转发，调用另一个类的相同的方法第三层转发：如果第二层转发返回
nil，则会进入这一层处理，这层会调用methodSignatureForSelector:、forwardInvocation:，这次是完整的消息转发，因为你可以返回方法签名、动态指定调用方法的Target如果转发都失败，就会crash
Aspects的基本原理
对外暴露的核心API
1/**
2作用域：针对所有对象生效
3selector: 需要hook的方法
4options：是个枚举，主要定义了切面的时机（调用前、替换、调用后）
5block: 需要在selector前后插入执行的代码块
6error: 错误信息
7*/
8+ (id<AspectToken>)aspect_hookSelector:(SEL)selector
9 withOptions:(AspectOptions)options
10 usingBlock:(id)block
11 error:(NSError **)error;
12/**
13作用域：针对当前对象生效
14*/
15- (id<AspectToken>)aspect_hookSelector:(SEL)selector
16 withOptions:(AspectOptions)options
17 usingBlock:(id)block
18 error:(NSError **)error;
上面介绍了消息的转发机制，而Aspects就是利用了消息转发机制，通过hook第三层的转发方法forwardInvocation:，然后根据切面的时机来动态调用block。接下来详细分析巧妙的设计
类A的方法m被添加切面方法
创建一个类A的子类B，并hook子类B的
forwardInvocation:方法拦截消息转发，使forwardInvocation:的IMP指向事先准备好的ASPECTS_ARE_BEING_CALLED函数（后面简称ABC函数），block方法的执行就在ABC函数中把类A的对象的isa指针指向B，这样就把消息的处理转发到类B上，类似
KVO的机制，同时会更改class方法的IMP，把它指向类A的class方法，当外界调用class时获取的还是类A，并不知道中间类B的存在对于方法m，类B会直接把方法m的
IMP指向_objc_msgForward()方法，这样当调用方法m时就会走消息转发流程，触发ABC函数
详细分析
执行入口
1- (id<AspectToken>)aspect_hookSelector:(SEL)selector
2 withOptions:(AspectOptions)options
3 usingBlock:(id)block
4 error:(NSError **)error {
5 return aspect_add(self, selector, options, block, error);
6}
7
8static id aspect_add(id self, SEL selector, AspectOptions options, id block, NSError **error) {
9 __block AspectIdentifier *identifier = nil;
10 // 添加自旋锁，block内容的执行时互斥的
11 aspect_performLocked(^{
12 if (aspect_isSelectorAllowedAndTrack(self, selector, options, error)) {
13 // 获取容器，容器的对象以关联对象的方式添加到了当前对象上，key值为`前缀+selector`
14 AspectsContainer *aspectContainer = aspect_getContainerForObject(self, selector);
15 // 创建标识符，用来存储SEL、block、切面时机（调用前、调用后）等信息
16 identifier = [AspectIdentifier identifierWithSelector:selector object:self options:options block:block error:error];
17 if (identifier) {
18 [aspectContainer addAspect:identifier withOptions:options];
19
20 // Modify the class to allow message interception.
21 aspect_prepareClassAndHookSelector(self, selector, error);
22 }
23 }
24 });
25 return identifier;
26}
执行入口调用了aspect_add(self, selector, options, block, error)方法，这个方法时线程安全的，接下来一步步解析具体做了什么
过滤拦截: aspect_isSelectorAllowedAndTrack
精简版的源码，已经添加了注释
1static BOOL aspect_isSelectorAllowedAndTrack(NSObject *self, SEL selector, AspectOptions options, NSError **error) {
2 static NSSet *disallowedSelectorList;
3 static dispatch_once_t pred;
4 dispatch_once(&pred, ^{ // 初始化黑名单列表，有些方法时禁止hook的
5 disallowedSelectorList = [NSSet setWithObjects:@"retain", @"release", @"autorelease", @"forwardInvocation:", nil];
6 });
7
8 // 第一步：检查是否在黑名单内
9 NSString *selectorName = NSStringFromSelector(selector);
10 if ([disallowedSelectorList containsObject:selectorName]) {
11 ...
12 return NO;
13 }
14
15 // 第二步：dealloc方法只能在调用前插入
16 AspectOptions position = options&AspectPositionFilter;
17 if ([selectorName isEqualToString:@"dealloc"] && position != AspectPositionBefore) {
18 ...
19 return NO;
20 }
21 // 第三步：检查类是否存在这个方法
22 if (![self respondsToSelector:selector] && ![self.class instancesRespondToSelector:selector]) {
23 ...
24 return NO;
25 }
26
27 // 第四步：如果是类而非实例(这个是类，不是类方法，是指hook的作用域对所有对象都生效)，则在整个类即继承链中，同一个方法只能被hook一次，即对于所有实例对象都生效的操作，整个继承链中只能被hook一次
28 if (class_isMetaClass(object_getClass(self))) {
29 ...
30 } else {
31 return YES;
32 }
33 return YES;
34}
不允许hook
retain、release、autorelease、forwardInvocation:，这些不多解释允许hook
dealloc，但是只能在dealloc执行前，这都是为了程序的安全性设置的检查这个方法是否存在，不存在则不能hook
Aspects对于hook的生效作用域做了区分：所有实例对象&某个具体实例对象。对于所有实例对象在整个继承链中，同一个方法只能被hook一次，这么做的目的是为了规避循环调用的问题（详情可以了解下
supper关键字）
关键类结构
AspectOptions
是个枚举，用来定义切面的时机，即原有方法调用前、调用后、替换原有方法、只执行一次（调用完就删除切面逻辑）
1typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, AspectOptions) {
2 AspectPositionAfter = 0, /// 原有方法调用前执行 (default)
3 AspectPositionInstead = 1, /// 替换原有方法
4 AspectPositionBefore = 2, /// 原有方法调用后执行
5
6 AspectOptionAutomaticRemoval = 1 << 3 /// 执行完之后就恢复切面操作，即撤销hook
7};
AspectIdentifier类
简单理解话就是一个存储model，主要用来存储hook方法的相关信息，如原有方法、切面block、切面时机等
1@interface AspectIdentifier : NSObject
2...其他省略
3@property (nonatomic, assign) SEL selector; // 原来方法的SEL
4@property (nonatomic, strong) id block; // 保存要执行的切面block，即原方法执行前后要调用的方法
5@property (nonatomic, strong) NSMethodSignature *blockSignature; // block的方法签名
6@property (nonatomic, weak) id object; // target，即保存当前对象
7@property (nonatomic, assign) AspectOptions options; // 是个枚举，表示切面执行时机，上面已经有介绍
8@end
AspectsContainer类
容器类，以关联对象的形式存储在当前类或对象中，主要用来存储当前类或对象所有的切面信息
1@interface AspectsContainer : NSObject
2...其他省略
3@property (atomic, copy) NSArray <AspectIdentifier *>*beforeAspects; // 存储原方法调用前要执行的操作
4@property (atomic, copy) NSArray <AspectIdentifier *>*insteadAspects;// 存储替换原方法的操作
5@property (atomic, copy) NSArray <AspectIdentifier *>*afterAspects;// 存储原方法调用后要执行的操作
6@end
存储切面信息
存储切面信息主要用到了上面介绍的AspectsContainer、AspectIdentifier这两个类，主要操作如下（注释写的已经很详细）
获取当前类的容器对象
aspectContainer，如果没有则创建一个创建一个标识符对象
identifier，用来存储原方法信息、block、切面时机等信息把标识符对象
identifier添加到容器中
1static id aspect_add(id self, SEL selector, AspectOptions options, id block, NSError **error) {
2 ...
3 // 获取容器对象，主要用来存储当前类或对象所有的切面信息，容器的对象以关联对象的方式添加到了当前对象上，key值为`前缀+selector`
4 AspectsContainer *aspectContainer = aspect_getContainerForObject(self, selector);
5 // 创建标识符，用来存储SEL、block、切面时机（调用前、调用后）等信息
6 identifier = [AspectIdentifier identifierWithSelector:selector object:self options:options block:block error:error];
7 if (identifier) {
8 // 把identifier添加到容器中
9 [aspectContainer addAspect:identifier withOptions:options];
10 ...
11 }
12 return identifier;
13}
创建中间类
这一步的操作类似kvo的机制，隐式的创建一个中间类，一：可以做到hook只对单一对象有效，二：避免了对原有类的侵入
这一步主要做了几个操作
如果已经存在中间类，则直接返回
如果是类对象，则不用创建中间类，并把这个类存储在
swizzledClasses集合中，标记这个类已经被hook了如果存在kvo的情况，那么系统已经帮我们创建好了中间类，那就直接使用
对于不存在kvo且是实例对象的，则单独创建一个继承当前类的中间类
midcls，并hook它的forwardInvocation:方法，并把当前对象的isa指针指向midcls，这样就做到了hook操作只针对当前对象有效，因为其他对象的isa指针指向的还是原有类
1static Class aspect_hookClass(NSObject *self, NSError **error) {
2 Class statedClass = self.class;
3 Class baseClass = object_getClass(self);
4 NSString *className = NSStringFromClass(baseClass);
5
6 // Already subclassed
7 if ([className hasSuffix:AspectsSubclassSuffix]) {
8 return baseClass;
9
10 // We swizzle a class object, not a single object.
11 }else if (class_isMetaClass(baseClass)) {
12 return aspect_swizzleClassInPlace((Class)self);
13 }else if (statedClass != baseClass) {
14 // Probably a KVO class. Swizzle in place. Also swizzle meta classes in place.
15 return aspect_swizzleClassInPlace(baseClass);
16 }
17
18 // Default case. Create dynamic subclass.
19 const char *subclassName = [className stringByAppendingString:AspectsSubclassSuffix].UTF8String;
20 Class subclass = objc_getClass(subclassName);
21
22 if (subclass == nil) {
23 subclass = objc_allocateClassPair(baseClass, subclassName, 0);
24 // hook forwardInvocation方法
25 aspect_swizzleForwardInvocation(subclass);
26 // hook class方法，把子类的class方法的IMP指向父类，这样外界并不知道内部创建了子类
27 aspect_hookedGetClass(subclass, statedClass);
28 aspect_hookedGetClass(object_getClass(subclass), statedClass);
29 objc_registerClassPair(subclass);
30 }
31 // 把当前对象的isa指向子类，类似kvo的用法
32 object_setClass(self, subclass);
33 return subclass;
34}
替换forwardInvocation：方法
从下面的代码可以看到，主要功能就是把当前类的forwardInvocation:替换成__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__，这样当触发消息转发的时候，就会调用__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法
对于__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法是Aspects的核心操作，主要就是做消息的调用和分发，控制方法的调用的时机，下面会详细介绍
1// hook forwardInvocation方法，用来拦截消息的发送
2static void aspect_swizzleForwardInvocation(Class klass) {
3 // If there is no method, replace will act like class_addMethod.
4 IMP originalImplementation = class_replaceMethod(klass, @selector(forwardInvocation:), (IMP)__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__, "v@:@");
5 if (originalImplementation) {
6 class_addMethod(klass, NSSelectorFromString(AspectsForwardInvocationSelectorName), originalImplementation, "v@:@");
7 }
8 AspectLog(@"Aspects: %@ is now aspect aware.", NSStringFromClass(klass));
9}
自动触发消息转发机制
Aspects的核心原理是消息转发，那么必要出的就是怎么自动触发消息转发机制
runtime中有个方法_objc_msgForward，直接调用可以触发消息转发机制，著名的JSPatch框架也是利用了这个机制
假如要hook的方法叫m1，那么把m1的IMP指向_objc_msgForward，这样当调用方法m1时就自动触发消息转发机制了，详细实现如下
1static void aspect_prepareClassAndHookSelector(NSObject *self, SEL selector, NSError **error) {
2
3 Method targetMethod = class_getInstanceMethod(klass, selector);
4 IMP targetMethodIMP = method_getImplementation(targetMethod);
5 if (!aspect_isMsgForwardIMP(targetMethodIMP)) {
6 ...
7 // We use forwardInvocation to hook in. 把函数的调用直接触发转发函数，转发函数已经被hook，所以在转发函数时进行block的调用
8 class_replaceMethod(klass, selector, aspect_getMsgForwardIMP(self, selector), typeEncoding);
9 }
10}
核心转发函数处理
上面一切准备就绪，那么怎么触发之前添加的切面block呢，首先我们梳理下整个流程
方法
m1的IMP指向了_objc_msgForward，调用m1则会自动触发消息转发机制替换
forwardInvocation:，把它的IMP指向ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__`方法，消息转发时触发的就是`__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED
上面操作可以直接看出调用方法m1则会直接触发__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法，而__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__方法就是处理切面block用和原有函数的调用时机，详细看下面实现步骤
根据调用的
selector，获取容器对象AspectsContainer，这里面存储了这个类或对象的所有切面信息AspectInfo会存储当前的参数信息，用于传递首先触发函数调用前的block，存储在容器的
beforeAspects对象中接下来如果存在替换原有函数的block，即
insteadAspects不为空，则触发它，如果不存在则调用原来的函数触发函数调用后的block，存在在容器的
afterAspects对象中
1static void __ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__(__unsafe_unretained NSObject *self, SEL selector, NSInvocation *invocation) {
2 AspectsContainer *objectContainer = objc_getAssociatedObject(self, aliasSelector);
3 AspectsContainer *classContainer = aspect_getContainerForClass(object_getClass(self), aliasSelector);
4 AspectInfo *info = [[AspectInfo alloc] initWithInstance:self invocation:invocation];
5
6 // Before hooks. 方法执行之前调用
7 aspect_invoke(classContainer.beforeAspects, info);
8 aspect_invoke(objectContainer.beforeAspects, info);
9
10 // Instead hooks. 替换原方法或者调用原方法
11 BOOL respondsToAlias = YES;
12 if (objectContainer.insteadAspects.count || classContainer.insteadAspects.count) {
13 aspect_invoke(classContainer.insteadAspects, info);
14 aspect_invoke(objectContainer.insteadAspects, info);
15 }else {
16 Class klass = object_getClass(invocation.target);
17 do {
18 if ((respondsToAlias = [klass instancesRespondToSelector:aliasSelector])) {
19 [invocation invoke];
20 break;
21 }
22 }while (!respondsToAlias && (klass = class_getSuperclass(klass)));
23 }
24
25 // After hooks. 方法执行之后调用
26 aspect_invoke(classContainer.afterAspects, info);
27 aspect_invoke(objectContainer.afterAspects, info);
28
29 ...
30 // Remove any hooks that are queued for deregistration.
31 [aspectsToRemove makeObjectsPerformSelector:@selector(remove)];
32}
总结
Aspects的核心原理是利用了消息转发机制，通过替换消息转发方法来实现切面的分发调用，这个思想和巧妙而且应用很广泛，值得学习
目前这个库已经很长时间没有维护了，原子操作的支持使用的还是自旋锁，目前这种锁已经不安全了
另外使用这个库是需要注意类似原理的其他框架，可能会有冲突，如JSPatch，不过JSPatch已经被封杀了，但类似需求有很多
-End-
最近有一些小伙伴，让我帮忙找一些 面试题 资料，于是我翻遍了收藏的 5T 资料后，汇总整理出来，可以说是程序员面试必备！所有资料都整理到网盘了，欢迎下载！
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