面向切面编程:Aspects源码解析

发布于 2019-05-23  约 25 分钟

面向切面编程

所谓的面向切面编程(AOP),原理就是在不更改正常业务的流程的前提下,通过一个动态代理类,实现对目标对象嵌入的附加的操作。

简单说,就是在不影响我们现在正常业务的情况下,对某些类的某些方法嵌入操作。我们可以很通俗的理解一个方法可以有方法前和方法后这两个切面,当然还可以把方法执行过程看过一个整的切面去hook。

在我们的iOS开发中,AOP的实现方法就是使用Runtime的Swizzling Method改变selector指向的实现,在新的实现中添加新的操作,执行完新实现之后,再处理之前的实现逻辑。

Aspects

Aspects是iOS平台比较成熟的AOP的框架,这次我们主要来研究一下这个库的源码。

基于Aspects 1.4.1版本。

总览

Aspects给出了两个方法,一个类方法一个实例方法,使用起来非常简单。

+ (id<AspectToken>)aspect_hookSelector:(SEL)selector
                           withOptions:(AspectOptions)options
                            usingBlock:(id)block
                                 error:(NSError **)error;


- (id<AspectToken>)aspect_hookSelector:(SEL)selector
                           withOptions:(AspectOptions)options
                            usingBlock:(id)block
                                 error:(NSError **)error;

传参也很容易理解,selector自然就是我们要hook的方法,options使我们要hook的位置,下面具体再说,block是一个回调,也就是我们所说的要嵌入的代码逻辑,error就是hook失败,当然了失败的原因较多,我们下面会提到。

typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, AspectOptions) {
    AspectPositionAfter   = 0,            /// Called after the original implementation (default)
    AspectPositionInstead = 1,            /// Will replace the original implementation.
    AspectPositionBefore  = 2,            /// Called before the original implementation.
    
    AspectOptionAutomaticRemoval = 1 << 3 /// Will remove the hook after the first execution.
};

options也是一个枚举的类型,看一下里面定义的字段就很容易明白了,AspectPositionAfter是表示嵌入的放大要在被hook方法原来逻辑之前之后执行,AspectPositionBefore是之前执行,AspectPositionInstead表示要用嵌入的代码替换掉之前的逻辑,AspectOptionAutomaticRemoval表示hook执行后,移除hook。

因为是NS_OPTIONS类型,可多选。

重要的类

除了上述核心的方法是通过NSObject的Category的方式给出,还有以下几个类比较重要。

AspectsContainer: 一个对象或者类的所有的Aspects整体情况

AspectIdentifier: 一个Aspects的具体内容,这里主要包含了单个的 aspect 的具体信息,包括执行时机,要执行 block 所需要用到的具体信息:包括方法签名、参数等等

AspectInfo: 一个 Aspect 执行环境,主要是 NSInvocation 信息。

核心方法aspect_add

Aspects给出的两个方法最终都是调用了aspect_add

static id aspect_add(id self, SEL selector, AspectOptions options, id block, NSError **error) {
    NSCParameterAssert(self);
    NSCParameterAssert(selector);
    NSCParameterAssert(block);

    __block AspectIdentifier *identifier = nil;
    aspect_performLocked(^{
        // 是否允许hook -
        if (aspect_isSelectorAllowedAndTrack(self, selector, options, error)) {
            //取到sel对应的container (一个类不同sel对应不同的container?)
            AspectsContainer *aspectContainer = aspect_getContainerForObject(self, selector);
            identifier = [AspectIdentifier identifierWithSelector:selector object:self options:options block:block error:error];
            if (identifier) {
                [aspectContainer addAspect:identifier withOptions:options];

                // Modify the class to allow message interception拦截.
                aspect_prepareClassAndHookSelector(self, selector, error);
            }
        }
    });
    return identifier;
}
__block AspectIdentifier *identifier = nil;

每次在添加hook的时候,都会先创建一个AspectIdentifier。
__block是为了能在下面的block中修改identifier。

aspect_performLocked是封装了一个自旋锁。

在自旋锁中会有一个if语句来判断selector是否能被hook。那我们就先来看一下是否能被hook的判断方法aspect_isSelectorAllowedAndTrack

aspect_isSelectorAllowedAndTrack
  1. 黑名单

    aspect_isSelectorAllowedAndTrack方法中维护了一个NSSet,在初始化的时候加入了一些方法名,在源码中是下面这些。

    [NSSet setWithObjects:@"retain", @"release", @"autorelease", @"forwardInvocation:", nil];

    这说明了后面这几个方法是不允许被hook的,如果hook了这些方法会有错误的信息提示。

  2. dealloc方法

    在hook的方法中,dealloc属于一个特殊情况,因为这个方法是在对象要被销毁的时候创建,所以Aspects为了安全起见,在hook dealloc方法的时候。options只允许时AspectPositionBefore,也就是插入的逻辑只能在dealloc原有逻辑之前处理,不允许替换或者在dealloc之后。

  3. 没找到方法

    这个就没啥疑问了,如果我们hook了一个根本不存在的方法也会有错误提示。

  4. 方法只允许hook一次(元类相关)

    这个有点麻烦,因为从错误提示的枚举来看,他是对应AspectErrorSelectorAlreadyHookedInClassHierarchy这一项的,从字面意思来看是说方法已经被hook了。

    最开始我对这个类的层级不是很明白,我的最初理解的类的层级是父类和子类不能同时hook,经过验证这种理解是错误的。

    后来我仔细地看了一下源码,他的元类判断中是这么写的:

     if (class_isMetaClass(object_getClass(self))) {}

    判断的是object_getClass(self),通过runtime的源码我们可以知道,object_getClass得到的是传参的isa指针指向的结构,意识就是self如果是对象,object_getClass(self)得到的是对应的类,如果self是类,那就得到了元类。

    那什么时候会提示这个错误呢,我举一个例子吧。我创建了一个TestHookViewController类,继承自UIViewController,如果我在TestHookViewController中像下面这样写就会有错误提示了。

    [[UIViewController class] aspect_hookSelector:@selector(viewWillAppear:) withOptions:0 usingBlock:^(id<AspectInfo> info, BOOL animated) {
        NSLog(@"%s",__func__);
    } error:NULL];
    
    [[TestHookViewController class] aspect_hookSelector:@selector(viewWillAppear:) withOptions:0 usingBlock:^(id<AspectInfo> info, BOOL animated) {
        NSLog(@"%s",__func__);
    } error:NULL];

    当然了,这两个hook的前后位置不同,打印台输出的提示也是不一样的,虽然都是一个类层级方法只允许hook一次的错误原因。这个大家自行尝试一下。

    if语句里面就是关于方法是否重复hook的判断逻辑,这里牵扯到一个相关类,AspectTracker。我们现在就来看一下这个类。

AspectTracker类

虽然是说AspectTracker类,但是代码结构还是接着上面的咱们说到的位置继续往下走。

因为AspectTracker主要就是用在方法只允许hook一次的判断中。

Aspects维护了一个字典,来储存被hook方法的类和对应的AspectTracker。

Class currentClass = [self class];
AspectTracker *tracker = swizzledClassesDict[currentClass];

通过上面的方式取到对应的AspectTracker。这里提一句,这里的代码我们应该先看下面的,要先了解AspectTracker是怎么存储到字典里面的。

这里我们要看下面这个do-while循环

currentClass = klass;
AspectTracker *subclassTracker = nil;
do {
    tracker = swizzledClassesDict[currentClass];
    if (!tracker) {
        tracker = [[AspectTracker alloc] initWithTrackedClass:currentClass];
        swizzledClassesDict[(id<NSCopying>)currentClass] = tracker;
    }
    if (subclassTracker) {
        [tracker addSubclassTracker:subclassTracker hookingSelectorName:selectorName];
    } else {
        [tracker.selectorNames addObject:selectorName];
    }

    // All superclasses get marked as having a subclass that is modified.
    subclassTracker = tracker;
}while ((currentClass = class_getSuperclass(currentClass)));

如果最开始没有tracker,会初始化一个,然后存到字典中。最开始的时候subclassTracker为nil,所以selector会add到tracker.selectorNames。

然后currentClass重新赋值

currentClass = class_getSuperclass(currentClass)

再次执行do逻辑里面的代码,这次subclassTracker就有值了(上一次循环的tracker),就会执行[tracker addSubclassTracker:subclassTracker hookingSelectorName:selectorName];

我们进到addSubclassTracker源码中可以看到,tracker被存到selectorNamesToSubclassTrackers这个字典中,关键的是这个字典的key是selectorName,value是一个集合,tracker是放在这个集合里面的。为什么要通过集合来存tracker呢?

因为这里是有子类的情况的,一个类的子类可能有多个,如果在不同的子类中hook了这个父类的一个方法,也就是父类中的这一个selector被多次hook,所以也会有不同的tracker,所以使用一个集合来储存。

其实说到这个地方大家就差不多可以理解了,如果满足了
if (class_isMetaClass(object_getClass(self)))这个判断,我们会把这个类hook的方法通过封装为AspectTracker来进行记录,当然包括他的层层父类,都对对应一个AspectTracker,而且父类中的还会记录子类中hook的方法。这部分代码最好是debug跟一下,会明显一点。

上面我们先看了tracker是怎样被存起来的,接来下再来看关于只能被hook一次的判断。

首先要判断子类中是否hook

if ([tracker subclassHasHookedSelectorName:selectorName]) {
    //内部省略    
}

subclassHasHookedSelectorName内部实现很简单

- (BOOL)subclassHasHookedSelectorName:(NSString *)selectorName {
    return self.selectorNamesToSubclassTrackers[selectorName] != nil;
}

就是查询一下selectorNamesToSubclassTrackers这个字典中,通过seletorName是否能取到值,上面已经说过了,这个字典中通过key:selectorName value: set的方法储存了子类的tracker。

如果能取到值,就说明子类中已经hook了这个方法了,父类中就不能在hook。

如果没能取到值,说明当前类可能就是个子类,此时需要看一下他的父类中是否hook了这个selector,所以就会执行下面的的do-while循环。 此处的代码就不展示了。

但这个位置初步的关于方法能否被hook就已经判断完了。如果可以seletor可以被hook,继续if里面的代码。

Swizzling Method

我们直接说Swizzling Method这一最重要的逻辑吧。

Swizzling Method主要有两部分,一个是对对象的 forwardInvocation 进行 swizzling,另一个是对传入的 selector 进行 swizzling。

我们来看aspect_prepareClassAndHookSelector方法的源码。

替换forwardInvocation

首先是Class klass = aspect_hookClass(self, error);

static Class aspect_hookClass(NSObject *self, NSError **error) {
    NSCParameterAssert(self);
    Class statedClass = self.class;
    Class baseClass = object_getClass(self);
    NSString *className = NSStringFromClass(baseClass);

 //
 // 省略一部分代码
 //
 //
    if (subclass == nil) {
        //动态创建子类+
        subclass = objc_allocateClassPair(baseClass, subclassName, 0);
        if (subclass == nil) {
            NSString *errrorDesc = [NSString stringWithFormat:@"objc_allocateClassPair failed to allocate class %s.", subclassName];
            AspectError(AspectErrorFailedToAllocateClassPair, errrorDesc);
            return nil;
        }
        //替换forwardInvocation方法
        aspect_swizzleForwardInvocation(subclass);
        // subclass的class方法交替换  替换为statedClass的class方法   subclass元类也替换
        aspect_hookedGetClass(subclass, statedClass);
        aspect_hookedGetClass(object_getClass(subclass), statedClass);
        objc_registerClassPair(subclass);
    }
    // 改变当前类的isa指针指向
    object_setClass(self, subclass);
    return subclass;
}

我们从源码中可以看出逻辑,主要是动态创建了一个subclass,名为subclass,其实最终把我们hook的类的isa指针指向了这个subclass,实为是一个父类。

aspect_swizzleForwardInvocation(subclass);

上面这个方法是替换了forwardInvocation:方法。

当然了,也是替换的这个subclass的forwardInvocation:方法,把forwardInvocation:替换为__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__这个方法,主要的hook后的代码执行处理逻辑都在这个__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__中。

在替换了aspect_hookClass方法之后,同时修改了 subclass以及其subclass metaclass的class方法,使他返回当前对象的class。这个地方有点绕,其实最终目的就是把所有的swizzling都放到了这个subclass中处理,不影响原来的类,而且对于外部的使用者,又可以把它当做原对象使用。

替换selector

执行完aspect_hookClass完之后,forwardInvocation:方法已经被替换,下面会执行swizzling selector 的代码。

在swizzling selector的时候,将selector指向了消息转发IMP,同时生成一个aliasSelector,指向原方法的IMP。

这里代码就不往外粘了。

处理forwardInvocation

其实上面已经把整个过程分析完了,我们也知道,最后转发的代码最终会在__ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__ 函数的处理中。所以最后我们来看看这个函数就可以了。

static void __ASPECTS_ARE_BEING_CALLED__(__unsafe_unretained NSObject *self, SEL selector, NSInvocation *invocation) {
    NSCParameterAssert(self);
    NSCParameterAssert(invocation);
    SEL originalSelector = invocation.selector;
    SEL aliasSelector = aspect_aliasForSelector(invocation.selector);
    invocation.selector = aliasSelector;
    AspectsContainer *objectContainer = objc_getAssociatedObject(self, aliasSelector);
    AspectsContainer *classContainer = aspect_getContainerForClass(object_getClass(self), aliasSelector);
    AspectInfo *info = [[AspectInfo alloc] initWithInstance:self invocation:invocation];
    NSArray *aspectsToRemove = nil;

    // Before hooks.
    aspect_invoke(classContainer.beforeAspects, info);
    aspect_invoke(objectContainer.beforeAspects, info);

    // Instead hooks.
    BOOL respondsToAlias = YES;
    if (objectContainer.insteadAspects.count || classContainer.insteadAspects.count) {
        aspect_invoke(classContainer.insteadAspects, info);
        aspect_invoke(objectContainer.insteadAspects, info);
    }else {
        Class klass = object_getClass(invocation.target);
        do {
            if ((respondsToAlias = [klass instancesRespondToSelector:aliasSelector])) {
                [invocation invoke];  //根据aliasSelector找到之前的逻辑 执行
                break;
            }
        }while (!respondsToAlias && (klass = class_getSuperclass(klass)));
    }

    // After hooks.
    aspect_invoke(classContainer.afterAspects, info);
    aspect_invoke(objectContainer.afterAspects, info);

    // If no hooks are installed, call original implementation (usually to throw an exception)
    // 没有找到之前方法的实现 - 消息转发
    if (!respondsToAlias) {
        invocation.selector = originalSelector;
        SEL originalForwardInvocationSEL = NSSelectorFromString(AspectsForwardInvocationSelectorName);
        if ([self respondsToSelector:originalForwardInvocationSEL]) {
            ((void( *)(id, SEL, NSInvocation *))objc_msgSend)(self, originalForwardInvocationSEL, invocation);
        }else {
            [self doesNotRecognizeSelector:invocation.selector];
        }
    }

    // Remove any hooks that are queued for deregistration.
    [aspectsToRemove makeObjectsPerformSelector:@selector(remove)];
}

从源码中很容易看出来,分别处理不同的hook点,然后中间有根据
aliasSelector找到之前方法的实现,然后执行。

小结

初步的源码分析就是这个样子,没有太关注一些细节,也存在一些自己现在还不是很熟悉的处理方式,毕竟涉及到太多的swizzling,消息转发一类的方法,这一块的只是需要后期在多研究runtime来提高。

代码中有一些其他的比较小的方法没有讲到,大家自己自行看一下。

参考

https://wereadteam.github.io/...

http://blog.ypli.xyz/ios/aop-...

https://blog.csdn.net/weixin_...

阅读 478发布于 2019-05-23

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