雷纯锋的技术博客

时间就像海绵里的水

Objective-C Fast Enumeration 的实现原理

在 Objective-C 2.0 中提供了快速枚举的语法,它是我们遍历集合元素的首选方法,因为它具有以下优点:

  • 比直接使用 NSEnumerator 更高效;
  • 语法非常简洁;
  • 如果集合在遍历的过程中被修改,它会抛出异常;
  • 可以同时执行多个枚举。

那么问题来了,它是如何做到的呢?我想,你应该也跟我一样,对 Objective-C 中快速枚举的实现原理非常感兴趣,事不宜迟,让我们来一探究竟吧。

解析 NSFastEnumeration 协议

在 Objective-C 中,我们要想实现快速枚举就必须要实现 NSFastEnumeration 协议,在这个协议中,只声明了一个必须实现的方法:

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/**
 Returns by reference a C array of objects over which the sender should iterate, and as the return value the number of objects in the array.

 @param state  Context information that is used in the enumeration to, in addition to other possibilities, ensure that the collection has not been mutated.
 @param buffer A C array of objects over which the sender is to iterate.
 @param len    The maximum number of objects to return in stackbuf.
 
 @discussion The state structure is assumed to be of stack local memory, so you can recast the passed in state structure to one more suitable for your iteration.

 @return The number of objects returned in stackbuf. Returns 0 when the iteration is finished.
 */
- (NSUInteger)countByEnumeratingWithState:(NSFastEnumerationState *)state
                                  objects:(id __unsafe_unretained [])stackbuf
                                    count:(NSUInteger)len

其中,结构体 NSFastEnumerationState 的定义如下:

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typedef struct {
    unsigned long state;
    id __unsafe_unretained __nullable * __nullable itemsPtr;
    unsigned long * __nullable mutationsPtr;
    unsigned long extra[5];
} NSFastEnumerationState;

说实话,刚开始看到这个方法的时候,其实我是拒绝的,原因你懂的。好吧,先不吐槽了,言归正传,下面,我们将对这个方法进行全方位的剖析:

首先,我们需要了解的最重要的一点,那就是这个方法的目的是什么?概括地说,这个方法就是用于返回一系列的 C 数组,以供调用者进行遍历。为什么是一系列的 C 数组呢?因为,在一个 for/in 循环中,这个方法其实会被调用多次,每一次调用都会返回一个 C 数组。至于为什么是 C 数组,那当然是为了提高效率了。

既然要返回 C 数组,也就意味着我们需要返回一个数组的指针和数组的长度。是的,我想你应该已经猜到了,数组的长度就是通过这个方法的返回值来提供的,而数组的指针则是通过结构体 NSFastEnumerationStateitemsPtr 字段进行返回的。所以,这两个值就一起定义了这个方法返回的 C 数组。

通常来说,NSFastEnumeration 允许我们直接返回一个指向内部存储的指针,但是并非所有的数据结构都能够满足内存连续的要求。因此,NSFastEnumeration 还为我们提供了另外一种实现方案,我们可以将元素拷贝到调用者提供的一个 C 数组上,即 stackbuf ,它的长度由参数 len 指定。

在本文的开头,我们提到了如果集合在遍历的过程中被修改的话,NSFastEnumeration 就会抛出异常。而这个功能就是通过 mutationsPtr 字段来实现的,它指向一个这样的值,这个值在集合被修改时会发现改变。因此,我们就可以利用它来判断集合在遍历的过程中是否被修改。

现在,我们还剩下 NSFastEnumerationState 中的 stateextra 字段没有进行介绍。实际上,它们是调用者提供给被调用者自由使用的两个字段,调用者根本不关心这两个字段的值。因此,我们可以利用它们来存储任何对自身有用的值。

揭密快速枚举的内部实现

说了这么多,感觉好像 NSFastEnumeration 是你设计的一样,你到底是怎么知道的呢?额,我说我是瞎猜的,你信么?好了,不开玩笑了。接下来,我们就一起来探究一下快速枚举的内部实现。假设,我们有一个 main.m 文件,其中的代码如下:

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#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, char * argv[]) {
    NSArray *array = @[ @1, @2, @3 ];
    for (NSNumber *number in array) {
        if ([number isEqualToNumber:@1]) {
            continue;
        }
        NSLog(@"%@", number);
        break;
    }
}

接着,我们使用下面的 clang 命令将 main.m 文件重写成 C++ 代码:

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clang -rewrite-objc main.m

得到 main.cpp 文件,其中 main 函数的代码如下:

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int main(int argc, char * argv[]) {
    // 创建数组 @[ @1, @2, @3 ]
    NSArray *array = ((NSArray *(*)(Class, SEL, const ObjectType *, NSUInteger))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSArray"), sel_registerName("arrayWithObjects:count:"), (const id *)__NSContainer_literal(3U, ((NSNumber *(*)(Class, SEL, int))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSNumber"), sel_registerName("numberWithInt:"), 1), ((NSNumber *(*)(Class, SEL, int))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSNumber"), sel_registerName("numberWithInt:"), 2), ((NSNumber *(*)(Class, SEL, int))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSNumber"), sel_registerName("numberWithInt:"), 3)).arr, 3U);

    {
        NSNumber * number;

        // 初始化结构体 NSFastEnumerationState
        struct __objcFastEnumerationState enumState = { 0 };

        // 初始化数组 stackbuf
        id __rw_items[16];

        id l_collection = (id) array;

        // 第一次调用 - countByEnumeratingWithState:objects:count: 方法,形参和实参的对应关系如下:
        // state -> &enumState
        // stackbuf -> __rw_items
        // len -> 16
        _WIN_NSUInteger limit =
            ((_WIN_NSUInteger (*) (id, SEL, struct __objcFastEnumerationState *, id *, _WIN_NSUInteger))(void *)objc_msgSend)
            ((id)l_collection,
            sel_registerName("countByEnumeratingWithState:objects:count:"),
            &enumState, (id *)__rw_items, (_WIN_NSUInteger)16);

        if (limit) {
            // 获取 mutationsPtr 的初始值
            unsigned long startMutations = *enumState.mutationsPtr;

            // 外层的 do/while 循环,用于调用 - countByEnumeratingWithState:objects:count: 方法,获取 C 数组
            do {
                unsigned long counter = 0;

                // 内层的 do/while 循环,用于遍历获取到的 C 数组
                do {
                    // 判断 mutationsPtr 的值是否有发生变化,如果有则使用 objc_enumerationMutation 函数抛出异常
                    if (startMutations != *enumState.mutationsPtr) objc_enumerationMutation(l_collection);

                    // 使用指针的算术运算获取相应的集合元素,这是快速枚举之所以高效的关键所在
                    number = (NSNumber *)enumState.itemsPtr[counter++];

                    {
                        if (((BOOL (*)(id, SEL, NSNumber *))(void *)objc_msgSend)((id)number, sel_registerName("isEqualToNumber:"), ((NSNumber *(*)(Class, SEL, int))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSNumber"), sel_registerName("numberWithInt:"), 1))) {
                            // continue 语句的实现,使用 goto 语句无条件转移到内层 do 语句的末尾,跳过中间的所有代码
                            goto __continue_label_1;
                        }

                        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_cr_xxw2w3rd5_n493ggz9_l4bcw0000gn_T_main_fc7b79_mi_0, number);

                        // break 语句的实现,使用 goto 语句无条件转移到最外层 if 语句的末尾,跳出嵌套的两层循环
                        goto __break_label_1;
                    };

                    // goto 语句标号,用来实现 continue 语句
                    __continue_label_1: ;
                } while (counter < limit);
            } while ((limit =
                ((_WIN_NSUInteger (*) (id, SEL, struct __objcFastEnumerationState *, id *, _WIN_NSUInteger))(void *)objc_msgSend)
                ((id)l_collection,
                sel_registerName("countByEnumeratingWithState:objects:count:"),
                &enumState, (id *)__rw_items, (_WIN_NSUInteger)16)));

            number = ((NSNumber *)0);

            // goto 语句标号,用来实现 break 语句
            __break_label_1: ;
        } else {
            number = ((NSNumber *)0);
        }
    }
}

如上代码所示,快速枚举其实就是用两层 do/while 循环来实现的,外层循环负责调用 - countByEnumeratingWithState:objects:count: 方法,获取 C 数组,而内层循环则负责遍历获取到的 C 数组。同时,我想你应该也注意到了它是如何利用 mutationsPtr 来检测集合在遍历过程中的突变的,以及使用 objc_enumerationMutation 函数来抛出异常。

正如我们前面提到的,在快速枚举的实现中,确实没有用到结构体 NSFastEnumerationState 中的 stateextra 字段,它们只是提供给 - countByEnumeratingWithState:objects:count: 方法的实现者自由使用的字段。

值得一提的是,我特意在 main.m 中加入了 continuebreak 语句。因此,我们有机会看到了在 for/in 语句中是如何利用 goto 来实现 continuebreak 语句的。

实现 NSFastEnumeration 协议

看到这里,我相信你对 Objective-C 中快速枚举的实现原理已经有了一个比较清晰地认识。下面,我们就一起来动手实现一下 NSFastEnumeration 协议。

我们前面已经提到了,NSFastEnumeration 在设计上允许我们使用两种不同的方式来实现它。如果集合中的元素在内存上是连续的,那么我们可以直接返回这段内存的首地址;如果不连续,比如链表,就只能使用调用者提供的 C 数组 stackbuf 了,将我们的元素拷贝到这个 C 数组上。

接下来,我们将通过一个自定义的集合类 Array ,来演示这两种不同的实现 NSFastEnumeration 协议的方式。:完整的项目代码可以在这里找到。

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@interface Array : NSObject <NSFastEnumeration>

- (instancetype)initWithCapacity:(NSUInteger)numItems;

@end

@implementation Array {
    std::vector<NSNumber *> _list;
}

- (instancetype)initWithCapacity:(NSUInteger)numItems {
    self = [super init];
    if (self) {
        for (NSUInteger i = 0; i < numItems; i++) {
            _list.push_back(@(random()));
        }
    }
    return self;
}

#define USE_STACKBUF 1

- (NSUInteger)countByEnumeratingWithState:(NSFastEnumerationState *)state objects:(id __unsafe_unretained [])stackbuf count:(NSUInteger)len {
    // 这个方法的返回值,即我们需要返回的 C 数组的长度
    NSUInteger count = 0;

    // 我们前面已经提到了,这个方法是会被多次调用的
    // 因此,我们需要使用 state->state 来保存当前遍历到了 _list 的什么位置
    unsigned long countOfItemsAlreadyEnumerated = state->state;

    // 当 countOfItemsAlreadyEnumerated 为 0 时,表示第一次调用这个方法
    // 我们可以在这里做一些初始化的设置
    if (countOfItemsAlreadyEnumerated == 0) {
        // 我们前面已经提到了,state->mutationsPtr 是用来追踪集合在遍历过程中的突变的
        // 它不能为 NULL ,并且也不应该指向 self
        //
        // 这里,因为我们的 Array 类是不可变的,所以我们不需要追踪它的突变
        // 因此,我们的做法是将它指向 state->extra 的其中一个值
        // 因为我们知道 NSFastEnumeration 协议本身并没有用到 state->extra
        //
        // 但是,如果你的集合是可变的,那么你可以考虑将 state->mutationsPtr 指向一个内部变量
        // 而这个内部变量的值会在你的集合突变时发生变化
        state->mutationsPtr = &state->extra[0];
    }

#if USE_STACKBUF

    // 判断我们是否已经遍历完 _list
    if (countOfItemsAlreadyEnumerated < _list.size()) {
        // 我们知道 state->itemsPtr 就是这个方法返回的 C 数组指针,它不能为 NULL
        // 在这里,我们将 state->itemsPtr 指向调用者提供的 C 数组 stackbuf
        state->itemsPtr = stackbuf;

        // 将 _list 中的元素填充到 stackbuf 中,直到以下两个条件中的任意一个满足时为止
        // 1. 已经遍历完 _list 中的所有元素
        // 2. 已经填充满 stackbuf
        while (countOfItemsAlreadyEnumerated < _list.size() && count < len) {
            // 取出 _list 中的元素填充到 stackbuf 中
            stackbuf[count] = _list[countOfItemsAlreadyEnumerated];

            // 更新我们的遍历位置
            countOfItemsAlreadyEnumerated++;

            // 更新我们返回的 C 数组的长度,使之与 state->itemsPtr 中的元素个数相匹配
            count++;
        }
    }

#else

    // 判断我们是否已经遍历完 _list
    if (countOfItemsAlreadyEnumerated < _list.size()) {
        // 直接将 state->itemsPtr 指向内部的 C 数组指针,因为它的内存地址是连续的
        __unsafe_unretained const id * const_array = _list.data();
        state->itemsPtr = (__typeof__(state->itemsPtr))const_array;

        // 因为我们一次性返回了 _list 中的所有元素
        // 所以,countOfItemsAlreadyEnumerated 和 count 的值均为 _list 中的元素个数
        countOfItemsAlreadyEnumerated = _list.size();
        count = _list.size();
    }

#endif

    // 将本次调用得到的 countOfItemsAlreadyEnumerated 保存到 state->state 中
    // 因为 NSFastEnumeration 协议本身并没有用到 state->state
    // 所以,我们可以将这个值保留到下一次调用
    state->state = countOfItemsAlreadyEnumerated;

    // 返回 C 数组的长度
    return count;
}

@end

我已经在上面的代码中添加了必要的注释,相信你理解起来应该没有什么难度。不过,值得一提的是,在第二种方式的实现中,我们用到了 ARC 下不同所有权对象之间的相互转换,代码如下:

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__unsafe_unretained const id * const_array = _list.data();
state->itemsPtr = (__typeof__(state->itemsPtr))const_array;

其实,这里面涉及到两次类型转换,第一次是从 __strong NSNumber * 类型转换到 __unsafe_unretained const id * 类型,第二次是从 __unsafe_unretained const id * 类型转换到 id __unsafe_unretained * 类型,更多信息可以查看 AutomaticReferenceCounting 中的 4.3.3 小节。

另外,我在前面的文章《ReactiveCocoa v2.5 源码解析之架构总览》中,已经有提到过,ReactiveCocoa 中的 RACSequence 类其实是实现了 NSFastEnumeration 协议的。因为 RACSequence 中的元素在内存上并不连续,所以它采用的是第一种实现方式。对此感兴趣的同学,可以去看看它的实现源码,这里不再赘述。

总结

本文从 NSFastEnumeration 协议的定义出发,解析了 - countByEnumeratingWithState:objects:count: 方法中的返回值以及各个参数的含义;接着,我们使用 clang -rewrite-objc 命令探究了快速枚举的内部实现;最后,通过一个自定义的集合类 Array 演示了两种实现 NSFastEnumeration 协议的方式,希望本文能够对你有所帮助。

参考链接

https://www.mikeash.com/pyblog/friday-qa-2010-04-16-implementing-fast-enumeration.html https://zh.wikipedia.org/wiki/Objective-C#.E5.BF.AB.E9.80.9F.E6.9E.9A.E4.B8.BE https://developer.apple.com/library/mac/documentation/Cocoa/Conceptual/Collections/Articles/Enumerators.html#//apple_ref/doc/uid/20000135-SW1

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