iOS---Objective-C: +load vs +initialize

在 NSObject 类中有两个非常特殊的类方法 +load 和 +initialize ，用于类的初始化。这两个看似非常简单的类方法在许多方面会让人感到困惑，比如：

1. 子类、父类、分类中的相应方法什么时候会被调用？
2. 需不需要在子类的实现中显式地调用父类的实现？
3. 每个方法到底会被调用多少次？

下面，我们将结合 runtime（我下载的是当前的最新版本 objc4-646.tar.gz) 的源码，一起来揭开它们的神秘面纱。

+load

+load 方法是当类或分类被添加到 Objective-C runtime 时被调用的，实现这个方法可以让我们在类加载的时候执行一些类相关的行为。子类的 +load 方法会在它的所有父类的 +load 方法之后执行，而分类的 +load 方法会在它的主类的 +load 方法之后执行。但是不同的类之间的 +load 方法的调用顺序是不确定的。

打开 runtime 工程，我们接下来看看与 +load 方法相关的几个关键函数。首先是文件 objc-runtime-new.mm 中的 void prepare_load_methods(header_info *hi) 函数：

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void prepare_load_methods(header_info *hi) { size_t count, i; rwlock_assert_writing(&runtimeLock); classref_t *classlist = _getObjc2NonlazyClassList(hi, &count); for (i = 0; i < count; i++) { schedule_class_load(remapClass(classlist[i])); } category_t **categorylist = _getObjc2NonlazyCategoryList(hi, &count); for (i = 0; i < count; i++) { category_t *cat = categorylist[i]; Class cls = remapClass(cat->cls); if (!cls) continue; // category for ignored weak-linked class realizeClass(cls); assert(cls->ISA()->isRealized()); add_category_to_loadable_list(cat); } }

顾名思义，这个函数的作用就是提前准备好满足 +load 方法调用条件的类和分类，以供接下来的调用。其中，在处理类时，调用了同文件中的另外一个函数 static void schedule_class_load(Class cls) 来执行具体的操作。

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static void schedule_class_load(Class cls) { if (!cls) return; assert(cls->isRealized()); // _read_images should realize if (cls->data()->flags & RW_LOADED) return; // Ensure superclass-first ordering schedule_class_load(cls->superclass); add_class_to_loadable_list(cls); cls->setInfo(RW_LOADED); }

其中，函数第 9 行代码对入参的父类进行了递归调用，以确保父类优先的顺序。void prepare_load_methods(header_info *hi) 函数执行完后，当前所有满足 +load 方法调用条件的类和分类就被分别存放在全局变量 loadable_classes 和 loadable_categories 中了。

准备好类和分类后，接下来就是对它们的 +load 方法进行调用了。打开文件 objc-loadmethod.m ，找到其中的 void call_load_methods(void) 函数。

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void call_load_methods(void) { static BOOL loading = NO; BOOL more_categories; recursive_mutex_assert_locked(&loadMethodLock); // Re-entrant calls do nothing; the outermost call will finish the job. if (loading) return; loading = YES; void *pool = objc_autoreleasePoolPush(); do { // 1. Repeatedly call class +loads until there aren't any more while (loadable_classes_used > 0) { call_class_loads(); } // 2. Call category +loads ONCE more_categories = call_category_loads(); // 3. Run more +loads if there are classes OR more untried categories } while (loadable_classes_used > 0 || more_categories); objc_autoreleasePoolPop(pool); loading = NO; }

同样的，这个函数的作用就是调用上一步准备好的类和分类中的 +load 方法，并且确保类优先于分类的顺序。我们继续查看在这个函数中调用的另外两个关键函数 static void call_class_loads(void) 和 static BOOL call_category_loads(void) 。由于这两个函数的作用大同小异，下面就以篇幅较小的 static void call_class_loads(void) 函数为例进行探讨。

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static void call_class_loads(void) { int i; // Detach current loadable list. struct loadable_class *classes = loadable_classes; int used = loadable_classes_used; loadable_classes = nil; loadable_classes_allocated = 0; loadable_classes_used = 0; // Call all +loads for the detached list. for (i = 0; i < used; i++) { Class cls = classes[i].cls; load_method_t load_method = (load_method_t)classes[i].method; if (!cls) continue; if (PrintLoading) { _objc_inform("LOAD: +[%s load]\n", cls->nameForLogging()); } (*load_method)(cls, SEL_load); } // Destroy the detached list. if (classes) _free_internal(classes); }

这个函数的作用就是真正负责调用类的 +load 方法了。它从全局变量 loadable_classes 中取出所有可供调用的类，并进行清零操作。

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loadable_classes = nil; loadable_classes_allocated = 0; loadable_classes_used = 0;

其中 loadable_classes 指向用于保存类信息的内存的首地址，loadable_classes_allocated 标识已分配的内存空间大小，loadable_classes_used 则标识已使用的内存空间大小。

然后，循环调用所有类的 +load 方法。注意，这里是（调用分类的 +load 方法也是如此）直接使用函数内存地址的方式 (*load_method)(cls, SEL_load); 对 +load 方法进行调用的，而不是使用发送消息 objc_msgSend 的方式。

这样的调用方式就使得 +load 方法拥有了一个非常有趣的特性，那就是子类、父类和分类中的 +load 方法的实现是被区别对待的。也就是说如果子类没有实现 +load 方法，那么当它被加载时 runtime 是不会去调用父类的 +load 方法的。同理，当一个类和它的分类都实现了 +load 方法时，两个方法都会被调用。因此，我们常常可以利用这个特性做一些“邪恶”的事情，比如说方法混淆（Method Swizzling）。

+initialize

+initialize 方法是在类或它的子类收到第一条消息之前被调用的，这里所指的消息包括实例方法和类方法的调用。也就是说 +initialize 方法是以懒加载的方式被调用的，如果程序一直没有给某个类或它的子类发送消息，那么这个类的 +initialize 方法是永远不会被调用的。那这样设计有什么好处呢？好处是显而易见的，那就是节省系统资源，避免浪费。

同样的，我们还是结合 runtime 的源码来加深对 +initialize 方法的理解。打开文件 objc-runtime-new.mm ，找到以下函数：

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IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, bool initialize, bool cache, bool resolver) { ... rwlock_unlock_write(&runtimeLock); } if (initialize && !cls->isInitialized()) { _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst)); // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and // then the messenger will send +initialize again after this // procedure finishes. Of course, if this is not being called // from the messenger then it won't happen. 2778172 } // The lock is held to make method-lookup + cache-fill atomic // with respect to method addition. Otherwise, a category could ... }

当我们给某个类发送消息时，runtime 会调用这个函数在类中查找相应方法的实现或进行消息转发。从第 8-14 的关键代码我们可以看出，当类没有初始化时 runtime 会调用 void _class_initialize(Class cls) 函数对该类进行初始化。

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void _class_initialize(Class cls) { ... Class supercls; BOOL reallyInitialize = NO; // Make sure super is done initializing BEFORE beginning to initialize cls. // See note about deadlock above. supercls = cls->superclass; if (supercls && !supercls->isInitialized()) { _class_initialize(supercls); } // Try to atomically set CLS_INITIALIZING. monitor_enter(&classInitLock); if (!cls->isInitialized() && !cls->isInitializing()) { cls->setInitializing(); reallyInitialize = YES; } monitor_exit(&classInitLock); if (reallyInitialize) { // We successfully set the CLS_INITIALIZING bit. Initialize the class. // Record that we're initializing this class so we can message it. _setThisThreadIsInitializingClass(cls); // Send the +initialize message. // Note that +initialize is sent to the superclass (again) if // this class doesn't implement +initialize. 2157218 if (PrintInitializing) { _objc_inform("INITIALIZE: calling +[%s initialize]", cls->nameForLogging()); } ((void(*)(Class, SEL))objc_msgSend)(cls, SEL_initialize); if (PrintInitializing) { _objc_inform("INITIALIZE: finished +[%s initialize]", ... }

其中，第 7-12 行代码对入参的父类进行了递归调用，以确保父类优先于子类初始化。另外，最关键的是第 36 行代码（暴露了 +initialize 方法的本质），runtime 使用了发送消息 objc_msgSend 的方式对 +initialize 方法进行调用。也就是说 +initialize 方法的调用与普通方法的调用是一样的，走的都是发送消息的流程。换言之，如果子类没有实现 +initialize 方法，那么继承自父类的实现会被调用；如果一个类的分类实现了 +initialize 方法，那么就会对这个类中的实现造成覆盖。

因此，如果一个子类没有实现 +initialize 方法，那么父类的实现是会被执行多次的。有时候，这可能是你想要的；但如果我们想确保自己的 +initialize 方法只执行一次，避免多次执行可能带来的副作用时，我们可以使用下面的代码来实现：

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+ (void)initialize { if (self == [ClassName self]) { // ... do the initialization ... } }

总结

通过阅读 runtime 的源码，我们知道了 +load 和 +initialize 方法实现的细节，明白了它们的调用机制和各自的特点。下面我们绘制一张表格，以更加直观的方式来巩固我们对它们的理解：

	+load	+initialize
调用时机	被添加到 runtime 时	收到第一条消息前，可能永远不调用
调用顺序	父类->子类->分类	父类->子类
调用次数	1次	多次
是否需要显式调用父类实现	否	否
是否沿用父类的实现	否	是
分类中的实现	类和分类都执行	覆盖类中的方法，只执行分类的实现

参考链接

• https://www.mikeash.com/pyblog/friday-qa-2009-05-22-objective-c-class-loading-and-initialization.html
• http://blog.iderzheng.com/objective-c-load-vs-initialize/
• http://nshipster.com/method-swizzling/