懒惰的 initialize 方法

因为 ObjC 的 runtime 只能在 Mac OS 下才能编译，所以文章中的代码都是在 Mac OS，也就是 x86_64 架构下运行的，对于在 arm64 中运行的代码会特别说明。

写在前面

这篇文章可能是对 Objective-C 源代码解析系列文章中最短的一篇了，在 Objective-C 中，我们总是会同时想到 load、initialize 这两个类方法。而这两个方法也经常在一起比较：

在上一篇介绍 load 方法的文章中，已经对 load 方法的调用时机、调用顺序进行了详细地分析，所以对于 load 方法，这里就不在赘述了。

这篇文章会假设你知道：假设你是 iOS 开发者。

本文会主要介绍：

1. initialize 方法的调用为什么是惰性的
2. 这货能干啥

initialize 的调用栈

在分析其调用栈之前，首先来解释一下，什么是惰性的。

这是 main.m 文件中的代码：

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface XXObject : NSObject @end

@implementation XXObject

+ (void)initialize {
    
    NSLog(@"XXObject initialize");
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
      
    @autoreleasepool {
     }
    return 0;
}

主函数中的代码为空，如果我们运行这个程序：

你会发现与 load 方法不同的是，虽然我们在 initialize 方法中调用了 NSLog。但是程序运行之后没有任何输出。

如果，我们在自动释放池中加入以下代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {
      
    @autoreleasepool {
    
        __unused XXObject *object = [[XXObject alloc] init];
    }
    return 0;
}

再运行程序：

你会发现，虽然我们没有直接调用 initialize 方法。但是，这里也打印出了 XXObject initialize 字符串。

initialize 只会在对应类的方法第一次被调用时，才会调用。

我们在 initialize 方法中打一个断点，来查看这个方法的调用栈：

0 +[XXObject initialize]  
1 _class_initialize  
2 lookUpImpOrForward  
3 _class_lookupMethodAndLoadCache3  
4 objc_msgSend  
5 main  
6 start  

直接来看调用栈中的 lookUpImpOrForward 方法，lookUpImpOrForward 方法只会在向对象发送消息，并且在类的缓存中没有找到消息的选择子时才会调用，具体可以看这篇文章，从源代码看 ObjC 中消息的发送。

在这里，我们知道 lookUpImpOrForward 方法是 objc_msgSend 触发的就够了。

在 lldb 中输入 p sel 打印选择子，会发现当前调用的方法是 alloc 方法，也就是说，initialize 方法是在 alloc 方法之前调用的，alloc 的调用导致了前者的执行。

其中，使用 if (initialize && !cls->isInitialized()) 来判断当前类是否初始化过：

bool isInitialized() {
      
   return getMeta()->data()->flags & RW_INITIALIZED;
}

当前类是否初始化过的信息就保存在元类的 class_rw_t 结构体中的 flags 中。

这是 flags 中保存的信息，它记录着跟当前类的元数据，其中第 16-31 位有如下的作用：

flags 的第 29 位 RW_INITIALIZED 就保存了当前类是否初始化过的信息。

_class_initialize 方法

在 initialize 的调用栈中，直接调用其方法的是下面的这个 C 语言函数：

void _class_initialize(Class cls)  
{

Class supercls;
BOOL reallyInitialize = NO;
// 1. 强制父类先调用 initialize 方法
supercls = cls->superclass;
if (supercls  &&  !supercls->isInitialized()) {

_class_initialize(supercls);
}
{

// 2. 通过加锁来设置 RW_INITIALIZING 标志位
monitor_locker_t lock(classInitLock);
if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) {

cls->setInitializing();
reallyInitialize = YES;
}
}
if (reallyInitialize) {

// 3. 成功设置标志位，向当前类发送 +initialize 消息
_setThisThreadIsInitializingClass(cls);
((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);
// 4. 完成初始化，如果父类已经初始化完成，设置 RW_INITIALIZED 标志位，
// 否则，在父类初始化完成之后再设置标志位。
monitor_locker_t lock(classInitLock);
if (!supercls  ||  supercls->isInitialized()) {

_finishInitializing(cls, supercls);
} else {

_finishInitializingAfter(cls, supercls);
}
return;
} else if (cls->isInitializing()) {

// 5. 当前线程正在初始化当前类，直接返回，否则，会等待其它线程初始化结束后，再返回
if (_thisThreadIsInitializingClass(cls)) {

return;
} else {

monitor_locker_t lock(classInitLock);
while (!cls->isInitialized()) {

classInitLock.wait();
}
return;
}
} else if (cls->isInitialized()) {

// 6. 初始化成功后，直接返回
return;
} else {

_objc_fatal("thread-safe class init in objc runtime is buggy!");
}
}

方法的主要作用自然是向未初始化的类发送 +initialize 消息，不过会强制父类先发送 +initialize。

1. 强制未初始化过的父类调用 initialize 方法

   if (supercls  &&  !supercls->isInitialized()) {
   _class_initialize(supercls);
   }
   

2. 通过加锁来设置 RW_INITIALIZING 标志位

   monitor_locker_t lock(classInitLock);
   if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) {
   cls->setInitializing();
   reallyInitialize = YES;
   }
   

3. 成功设置标志位、向当前类发送 +initialize 消息

   objectivec((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize);

4. 完成初始化，如果父类已经初始化完成，设置 RW_INITIALIZED 标志位。否则，在父类初始化完成之后再设置标志位

   monitor_locker_t lock(classInitLock);
   if (!supercls  ||  supercls->isInitialized()) {
   _finishInitializing(cls, supercls);
   } else {
   _finishInitializingAfter(cls, supercls);
   }
   

5. 如果当前线程正在初始化当前类，直接返回，否则，会等待其它线程初始化结束后，再返回，保证线程安全

   if (_thisThreadIsInitializingClass(cls)) {
   return;
   } else {
   monitor_locker_t lock(classInitLock);
   while (!cls->isInitialized()) {
   classInitLock.wait();
   }
   return;
   }
   

6. 初始化成功后，直接返回

   return;
   

管理初始化队列

因为我们始终要保证父类的初始化方法要在子类之前调用，所以我们需要维护一个 PendingInitializeMap 的数据结构来存储当前的类初始化需要哪个父类先初始化完成。

这个数据结构中的信息会被两个方法改变：

if (!supercls  ||  supercls->isInitialized()) {
  
_finishInitializing(cls, supercls);
} else {

_finishInitializingAfter(cls, supercls);
}

分别是 _finishInitializing 以及 _finishInitializingAfter，先来看一下后者是怎么实现的，也就是在父类没有完成初始化的时候调用的方法：

static void _finishInitializingAfter(Class cls, Class supercls)  
{

PendingInitialize *pending;
pending = (PendingInitialize *)malloc(sizeof(*pending));
pending->subclass = cls;
pending->next = (PendingInitialize *)NXMapGet(pendingInitializeMap, supercls);
NXMapInsert(pendingInitializeMap, supercls, pending);
}

因为当前类的父类没有初始化，所以会将子类加入一个数据结构 PendingInitialize中，这个数据结构其实就类似于一个保存子类的链表。这个链表会以父类为键存储到 pendingInitializeMap 中。

NXMapInsert(pendingInitializeMap, supercls, pending);  

而在父类已经调用了初始化方法的情况下，对应方法 _finishInitializing 的实现就稍微有些复杂了：

static void _finishInitializing(Class cls, Class supercls)  
{

PendingInitialize *pending;
cls->setInitialized();
if (!pendingInitializeMap) return;
pending = (PendingInitialize *)NXMapGet(pendingInitializeMap, cls);
if (!pending) return;
NXMapRemove(pendingInitializeMap, cls);
while (pending) {

PendingInitialize *next = pending->next;
if (pending->subclass) _finishInitializing(pending->subclass, cls);
free(pending);
pending = next;
}
}

首先，由于父类已经完成了初始化，在这里直接将当前类标记成已经初始化，然后递归地将被当前类 block 的子类标记为已初始化，再把这些当类移除 pendingInitializeMap。

小结

到这里，我们对 initialize 方法的研究基本上已经结束了，这里会总结一下关于其方法的特性：

1. initialize 的调用是惰性的，它会在第一次调用当前类的方法时被调用
2. 与 load 不同，initialize 方法调用时，所有的类都已经加载到了内存中
3. initialize 的运行是线程安全的
4. 子类会继承父类的 initialize 方法

而其作用也非常局限，一般我们只会在 initialize 方法中进行一些常量的初始化。

参考资料

• What is a meta-class in Objective-C?
• NSObject +load and +initialize – What do they do?

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