你好,我是戴铭。
在 iOS 开发中,我们可以使用 Runtime 接口动态地调用 Objective-C 方法,但是却无法动态调用 C 的函数。那么,我们怎么才能动态地调用 C 语言函数呢?
C 语言编译后,在可执行文件里会有原函数名信息,我们可以通过函数名字符串来找到函数的地址。现在,我们只要能够通过函数名找到函数地址,就能够实现动态地去调用C 语言函数。
而在动态链接器中,有一个接口 dlsym() 可以通过函数名字符串拿到函数地址,如果所有 C 函数的参数类型和数量都一样,而且返回类型也一样,那么我们使用 dlsym() 就能实现动态地调用 C 函数。
但是,在实际项目中,函数的参数定义不可能都一样,返回类型也不会都是 void 或者 int类型。所以, dlsym()这条路走不通。那么,还有什么办法可以实现动态地调用 C 函数呢?
要想动态地调用 C 函数,你需要先了解函数底层是怎么调用的。
高级编程语言的函数在调用时,需要约定好参数的传递顺序、传递方式,栈维护的方式,名字修饰。这种函数调用者和被调用者对函数如何调用的约定,就叫作调用惯例(Calling Convention)。高级语言编译时,会生成遵循调用惯例的代码。
不同 CPU 架构的调用惯例不一样,比如64位机器的寄存器多些、传递参数快些,所以参数传递会优先采用寄存器传递,当参数数量超出寄存器数量后才会使用栈传递。
所以,编译时需要按照调用惯例针对不同 CPU 架构编译,生成汇编代码,确定好栈和寄存器。 如果少了编译过程,直接在运行时去动态地调用函数,就需要先生成动态调用相应寄存器和栈状态的汇编指令。而要达到事先生成相应寄存器和栈的目的,就不能使用遵循调用惯例的高级编程语言,而需要使用汇编语言。
Objective-C的函数调用采用的是发送消息的方式,使用的是 objc_msgSend 函数。objc_msgSend函数就是使用汇编语言编写的,其结构分为序言准备(Prologue)、函数体(Body)、结束收尾(Epilogue)三部分。
序言准备部分的作用是会保存之前程序执行的状态,还会将输入的参数保存到寄存器和栈上。这样,objc_msgSend 就能够先将未知的参数保存到寄存器和栈上,然后在函数体执行自身指令或者跳转其他函数,最后在结束收尾部分恢复寄存器,回到调用函数之前的状态。
得益于序言准备部分可以事先准备好寄存器和栈,objc_msgSend 可以做到函数调用无需通过编译生成汇编代码来遵循调用惯例,进而使得 Objective-C 具备了动态调用函数的能力。
但是,不同的 CPU 架构,在编译时会执行不同的objc_msgSend 函数,而且 objc_msgSend 函数无法直接调用 C 函数,所以想要实现动态地调用 C 函数就需要使用另一个用汇编语言编写的库 libffi。
那么,libffi 是什么呢,又怎么使用 libffi 来动态地调用 C 函数?接下来,我就和你分析一下这两个问题应该如何解决。
libffi 中ffi的全称是 Foreign Function Interface(外部函数接口),提供最底层的接口,在不确定参数个数和类型的情况下,根据相应规则,完成所需数据的准备,生成相应汇编指令的代码来完成函数调用。
libffi 还提供了可移植的高级语言接口,可以不使用函数签名间接调用 C 函数。比如,脚本语言 Python 在运行时会使用 libffi 高级语言的接口去调用 C 函数。libffi的作用类似于一个动态的编译器,在运行时就能够完成编译时所做的调用惯例函数调用代码生成。
libffi 通过调用 ffi_call(函数调用) 来进行函数调用,ffi_call 的输入是 ffi_cif(模板)、函数指针、参数地址。其中,ffi_cif 由 ffi_type(参数类型) 和 参数个数生成,也可以是 ffi_closure(闭包)。
libffi 是开源的,代码在 GitHub 上。接下来,我将结合 libffi 中的关键代码,和你详细说下 ffi_call 调用函数的过程。这样,可以帮助你更好地了解 libffi 的原理。
首先,我们来看看ffi_type。
ffi_type的作用是,描述 C 语言的基本类型,比如 uint32、void *、struct 等,定义如下:
typedef struct _ffi_type
{
size_t size; // 所占大小
unsigned short alignment; //对齐大小
unsigned short type; // 标记类型的数字
struct _ffi_type **elements; // 结构体中的元素
} ffi_type;
其中,size表述该类型所占的大小,alignment表示该类型的对齐大小,type表示标记类型的数字,element表示结构体的元素。
当类型是 uint32 时,size的值是4,alignment也是4,type 的值是9,elements是空。
ffi_cif由参数类型(ffi_type) 和参数个数生成,定义如下:
typedef struct {
ffi_abi abi; // 不同 CPU 架构下的 ABI,一般设置为 FFI_DEFAULT_ABI
unsigned nargs; // 参数个数
ffi_type **arg_types; // 参数类型
ffi_type *rtype; // 返回值类型
unsigned bytes; // 参数所占空间大小,16的倍数
unsigned flags; // 返回类型是结构体时要做的标记
#ifdef FFI_EXTRA_CIF_FIELDS
FFI_EXTRA_CIF_FIELDS;
#endif
} ffi_cif;
如代码所示,ffi_cif 包含了函数调用时需要的一些信息。
abi 表示的是不同 CPU 架构下的 ABI,一般设置为 FFI_DEFAULT_ABI:在移动设备上 CPU 架构是 ARM64时,FFI_DEFAULT_ABI 就是 FFI_SYSV;使用苹果公司笔记本CPU 架构是 X86_DARWIN 时,FFI_DEFAULT_ABI 就是 FFI_UNIX64。
nargs 表示输入参数的个数。arg_types 表示参数的类型,比如 ffi_type_uint32。rtype 表示返回类型,如果返回类型是结构体,字段 flags 需要设置数值作为标记,以便在 ffi_prep_cif_machdep 函数中处理,如果返回的不是结构体,flags 不做标记。
bytes 表示输入参数所占空间的大小,是16的倍数。
ffi_cif 是由ffi_prep_cif 函数生成的,而ffi_prep_cif 实际上调用的又是 ffi_prep_cif_core 函数。
了解 ffi_prep_cif_core 就能够知道 ffi_cif 是怎么生成的。接下来,我继续跟你说说 ffi_prep_cif_core 里是怎么生成 ffi_cif 的。ffi_prep_cif_core 函数会先初始化返回类型,然后对返回类型使用 ffi_type_test 进行完整性检查,为返回类型留出空间。
接着,使用 initialize_aggregate 函数初始化栈,对参数类型进行完整性检查,对栈进行填充,通过 ffi_prep_cif_machdep 函数执行 ffi_cif 平台相关处理。具体实现代码,你可以点击这个链接查看,其所在文件路径是 libffi/src/prep_cif.c。
之所以将准备 ffi_cif 和 ffi_call 分开,是因为ffi_call 可能会调用多次参数个数、参数类型、函数指针相同,只有参数地址不同的函数。将它们分开,ffi_call 只需要处理不同参数地址,而其他工作只需要 ffi_cif 做一遍就行了。
接着,准备好了 ffi_cif 后,我们就可以开始函数调用了。
ffi_call 函数的主要处理都交给了 ffi_call_SYSV 这个汇编函数。ffi_call_SYSV 的实现代码,你可以点击这个链接,其所在文件路径是 libffi/src/aarch64/sysv.S。
下面,我来跟你说说 ffi_call_SYSV 汇编函数做了什么。
首先,我们一起看看 ffi_call_SYSV 函数的定义:
extern void ffi_call_SYSV (void *stack, void *frame,
void (*fn)(void), void *rvalue,
int flags, void *closure);
可以看到,通过 ffi_call_SYSV 函数,我们可以得到 stack、frame、fn、rvalue、flags、closure 参数。
各参数会依次保存在参数寄存器中,参数栈 stack 在 x0 寄存器中,参数地址 frame 在x1寄存器中,函数指针 fn 在x2寄存器中,用于存放返回值的 rvalue 在 x3 里,结构体标识 flags 在x4寄存器中,闭包 closure 在 x5 寄存器中。
然后,我们再看看ffi_call_SYSV 处理的核心代码:
//分配 stack 和 frame
cfi_def_cfa(x1, 32);
stp x29, x30, [x1]
mov x29, x1
mov sp, x0
cfi_def_cfa_register(x29)
cfi_rel_offset (x29, 0)
cfi_rel_offset (x30, 8)
// 记录函数指针 fn
mov x9, x2 /* save fn */
// 记录返回值 rvalue
mov x8, x3 /* install structure return */
#ifdef FFI_GO_CLOSURES
// 记录闭包 closure
mov x18, x5 /* install static chain */
#endif
// 保存 rvalue 和 flags
stp x3, x4, [x29, #16] /* save rvalue and flags */
//先将向量参数传到寄存器
tbz w4, #AARCH64_FLAG_ARG_V_BIT, 1f
ldp q0, q1, [sp, #0]
ldp q2, q3, [sp, #32]
ldp q4, q5, [sp, #64]
ldp q6, q7, [sp, #96]
1:
// 再将参数传到寄存器
ldp x0, x1, [sp, #16*N_V_ARG_REG + 0]
ldp x2, x3, [sp, #16*N_V_ARG_REG + 16]
ldp x4, x5, [sp, #16*N_V_ARG_REG + 32]
ldp x6, x7, [sp, #16*N_V_ARG_REG + 48]
//释放上下文,留下栈里参数
add sp, sp, #CALL_CONTEXT_SIZE
// 调用函数指针 fn
blr x9
// 重新读取 rvalue 和 flags
ldp x3, x4, [x29, #16]
// 析构部分栈指针
mov sp, x29
cfi_def_cfa_register (sp)
ldp x29, x30, [x29]
// 保存返回值
adr x5, 0f
and w4, w4, #AARCH64_RET_MASK
add x5, x5, x4, lsl #3
br x5
如上面代码所示,ffi_call_SYSV 处理过程分为下面几步:
第一步,ffi_call_SYSV 会先分配 stack 和 frame,保存记录 fn、rvalue、closure、flags。
第二步,将向量参数传到寄存器,按照参数放置规则,调整 sp 的位置,
第三步,将参数放入寄存器,存放完毕,就开始释放上下文,留下栈里的参数。
第四步,通过 blr 指令调用 x9 中的函数指针 fn ,以调用函数。
第五步,调用完函数指针,就重新读取 rvalue 和 flags,析构部分栈指针。
第六步,保存返回值。
可以看出,libffi 调用函数的原理和 objc_msgSend 的实现原理非常类似。objc_msgSend 原理,你可以参考 Mike Ash 的“Dissecting objc_msgSend on ARM64”这篇文章。
这里我要多说一句,在专栏第2篇文章中我和你分享App启动速度优化时,用到了些汇编代码,有很多用户反馈看不懂这部分内容。针对这个情况,我特意在第11篇答疑文章中,和你分享了些汇编语言学习的方法、参考资料。如果你对上述的汇编代码感兴趣,但又感觉读起来有些吃力的话,建议你再看一下第11篇文章中的相关内容。
了解了 libffi 调用函数的原理后,相信你迫不及待就想在你的 iOS 工程中集成 libffi了吧。
孙源在 GitHub 上有个 Demo,已经集成了 iOS 可以用的 libffi 库,你可以将这个库集成到自己的工程中。接下来,我借用孙源这个Demo 中的示例代码,来分别和你说说如何使用 libffi 库来调用 C 函数和定义 C 函数。代码所在文件路径是 libffi-iOS/Demo/ViewController.m。在这里,我也特别感谢孙源的这个Demo。
首先,声明一个函数,实现两个整数相加:
- (int)fooWithBar:(int)bar baz:(int)baz {
return bar + baz;
}
然后,定义一个函数,使用 libffi 来调用 fooWithBar:baz 函数,也就是刚刚声明的实现两个整数相加的函数。
void testFFICall() {
// ffi_call 调用需要准备的模板 ffi_cif
ffi_cif cif;
// 参数类型指针数组,根据被调用的函数入参的类型来定
ffi_type *argumentTypes[] = {&ffi_type_pointer, &ffi_type_pointer, &ffi_type_sint32, &ffi_type_sint32};
// 通过 ffi_prep_cif 内 ffi_prep_cif_core 来设置 ffi_cif 结构体所需要的数据,包括 ABI、参数个数、参数类型等。
ffi_prep_cif(&cif, FFI_DEFAULT_ABI, 4, &ffi_type_pointer, argumentTypes);
Sark *sark = [Sark new];
SEL selector = @selector(fooWithBar:baz:);
// 函数参数的设置
int bar = 123;
int baz = 456;
void *arguments[] = {&sark, &selector, &bar, &baz};
// 函数指针 fn
IMP imp = [sark methodForSelector:selector];
// 返回值声明
int retValue;
// ffi_call 所需的 ffi_cif、函数指针、返回值、函数参数都准备好,就可以通过 ffi_call 进行函数调用了
ffi_call(&cif, imp, &retValue, arguments);
NSLog(@"ffi_call: %d", retValue);
}
如上面代码所示,先将 ffi_call 所需要的 ffi_cif 通过 ffi_prep_cif 函数准备好,然后设置好参数,通过 Runtime 接口获取 fooWithBar:baz 方法的函数指针 imp,最后就可以通过 ffi_call 进行函数调用了。
在这个例子中,函数指针是使用 Objective-C 的 Runtime 得到的。如果是 C 语言函数,你就可以通过 dlsym 函数获得。dlsym 获得函数指针示例如下:
// 计算矩形面积
int rectangleArea(int length, int width) {
printf("Rectangle length is %d, and with is %d, so area is %d \n", length, width, length * width);
return length * width;
}
void run() {
// dlsym 返回 rectangleArea 函数指针
void *dlsymFuncPtr = dlsym(RTLD_DEFAULT, "rectangleArea");
}
如上代码所示,dlsym 根据计算矩形面积的函数 rectangleArea 的函数名,返回 rectangleArea 函数指针给 dlsymFuncPtr。
无论是 Runtime 获取的函数指针还是 dlsym 获取的函数指针都可以在运行时去完成,接着使用 libffi 在运行时处理好参数。这样,就能够实现运行时动态地调用 C 函数了。
接下来,我再跟你说下如何使用 libffi 定义 C 函数。
首先,声明一个两数相乘的函数。
void closureCalled(ffi_cif *cif, void *ret, void **args, void *userdata) {
int bar = *((int *)args[2]);
int baz = *((int *)args[3]);
*((int *)ret) = bar * baz;
}
然后,再写个函数,用来定义 C 函数。
void testFFIClosure() {
ffi_cif cif;
ffi_type *argumentTypes[] = {&ffi_type_pointer, &ffi_type_pointer, &ffi_type_sint32, &ffi_type_sint32};
// 准备模板 cif
ffi_prep_cif(&cif, FFI_DEFAULT_ABI, 4, &ffi_type_pointer, argumentTypes);
// 声明一个新的函数指针
IMP newIMP;
// 分配一个 closure 关联新声明的函数指针
ffi_closure *closure = ffi_closure_alloc(sizeof(ffi_closure), (void *)&newIMP);
// ffi_closure 关联 cif、closure、函数实体 closureCalled
ffi_prep_closure_loc(closure, &cif, closureCalled, NULL, NULL);
// 使用 Runtime 接口动态地将 fooWithBar:baz 方法绑定到 closureCalled 函数指针上
Method method = class_getInstanceMethod([Sark class], @selector(fooWithBar:baz:));
method_setImplementation(method, newIMP);
// after hook
Sark *sark = [Sark new];
int ret = [sark fooWithBar:123 baz:456];
NSLog(@"ffi_closure: %d", ret);
}
如上面代码所示,在 testFFIClosure 函数准备好 cif 后,会声明一个新的函数指针,这个新的函数指针会和分配的 ffi_closure 关联,ffi_closure 还会通过 ffi_prep_closure_loc 函数关联到 cif、closure、函数实体 closureCalled。
有了这种能力,你就具备了在运行时将一个函数指针和函数实体绑定的能力,也就能够很容易地实现动态地定义一个 C 函数了。
今天,我和你分享了 libffi 的原理,以及怎么使用 libffi 调用和定义 C 函数。
当你理解了 libffi 的原理以后,再面对语言之间运行时动态调用的问题,也就做到了心中有数。在方案选择动态调用方式时,也就能够找出更多的方案,更加得心应手。
比如,使用 Aspect 进行方法替换,如果使用不当,会有较大的风险;再比如,hook已经被hook 过的方法,那么之前的 hook 会失效,新的hook 也会出错,而使用 libffi 进行 hook 不会出现这样的问题。
Block 是一个 Objective-C 对象,表面看类似 C 函数,实际上却有很大不同。你可以点击这个链接查看Block 的定义,也可以再看看 Mike Ash 的 MABlockClosure库。然后,请你在留言区说说如何通过 libffi 调用 Block。
感谢你的收听,欢迎你在评论区给我留言分享你的观点,也欢迎把它分享给更多的朋友一起阅读。