iOS Runtime详解(消息机制，类元对象，缓存机制，消息转发)

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我的stackoverflow

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前言：之前一篇文章里，我详细的讲解了一些基本关键词以及基本概念，这里再简要列出来，以防有些同学看不懂。

• SEL 方法的名字，可以理解为字符串指针类型
• id 指向一个类的实例对象
• isa 每个类的示例对象都保存的指针，指向类对象
• Class 指向类对象

• _cmd 每个OC方法都具有的参数

  但是， 我仍然推荐先看一下前一篇文章

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什么是Runtime？

Objective C语言把能在运行期做的事情就推迟到运行期再决定。这就意味着，Objective C不仅需要一个编译器，而且需要一个运行期环境。这个运行期环境就是Runtime。

Runtime是用C和汇编写的，并且它是开源的。所有的Apple开源代码都可以在http://www.opensource.apple.com上找到。

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Objective C中的实例方法

在OC中，方法调用称为向对象发送消息，为什么这么叫呢？我们先看个例子

[receiver message]

那么，[receiver message]编译后是什么呢？

编译后是这个样子的

objc_msgSend(receiver, selector)

我们看看这个方法的文档

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

参数

• self 消息的接收者
• op 消息的selector，一个C的字符串用来定位
• … 消息传入参数的数组

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Runtime如何找到实例方法执行体？

上文提到了，一个OC方法被编译成objc_msgSend，那么，Runtime如何找到方法的执行体呢？

因为OC中存在一种对象叫做类对象（Class Object），类对象中保存了方法的列表，superClass等信息。

类对象的定义

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

可以看到这一行

    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;

那么，OC的实例对象又是如何找到类对象呢？从上文的第一部分，我们可以看到，objc_msgSend这个C函数输入参数包括，id类型的self，SEL类型的_cmd,以及参数列表。很直观，id类型中一定存在一个可以找到类对象的指针。我们来看看id定义

typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

现在很清楚了，实例对象通过isa找到类对象。
我们知道了

• OC的对象通过isa找到类对象
• 类对象查找自己存储的方法列表来找到对应的方法执行体
• 方法执行体执行具体的代码，并返回值给调用者。

那么，实际的方法执行体（Method）到底是什么东西？
看看Method的定义

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
} 

Method保存了

1. 方法的名字
2. 方法的类型（参数列表）
3. 方法的具体实现，由IMP指向
   其中IMP的定义

#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
#endif

我们来看一个例子，
定义一个

@interface CustomObject : NSObject
-(NSString *)returnMeHelloWorld;
@end
@implementation CustomObject

-(NSString *)returnMeHelloWorld{
    return @"hello world";
}
@end

我们先只看调用这一行

    NSString * helloWorld =  [obj returnMeHelloWorld];

• 编译成如下id objc_msgSend(self,@selector(returnMeHelloWorld:));
• 在self中沿着isa找到CustomObject的类对象
• 类对象查找自己的方法list，找到对应的方法执行体Method
• 把参数传递给IMP实际指向的执行代码
• 代码执行返回结果给helloWorld

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类方法又是如何处理的？

上文提到了，实例方法，那么类方法又是如何处理的呢？

由上文我们知道，实例对象由类对象创建，类对象保存了实例对象的方法列表。

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

可以看到，这一行

 Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

这个isa指向的一个Class类型，就是保存了类方法的地方。这个Class类型的东西就是类元对象

类对象由类元对象（meta class）创建,类元对象保存了类对象的类方法，类名字等信息。

类元对象和类对象都是Class类型，只不过服务的对象不同罢了。

到这里，有同学可能要问了，类元对象由什么创建呢？

答案： NSObject类元对象

那么NSObject类元对象由什么创建呢？（就喜欢刨根问底）

答案： NSObject类元对象自身

我们来看一个例子，验证下这一些列的讲解，也加深一下印象

    Class class = [CustomObject class];//类对象

    Class metaClass = object_getClass(class);//类元对象
    Class metaOfMetaClass = object_getClass(metaClass);//NSObject类元对象
    Class rootMataClass = object_getClass(metaOfMetaClass);//NSObject类元对象的类元对象

    NSLog(@"CustomObject类对象是:%p",class);
    NSLog(@"CustomObject类元对象是:%p",metaClass);
    NSLog(@"metaClass类元对象:%p",metaOfMetaClass);
    NSLog(@"metaOfMetaClass的类元对象的是:%p",rootMataClass);
    NSLog(@"NSObject类元对象%p",object_getClass([NSObject class]));

可以看到Log

CustomObject类对象是:0x10248aed0
CustomObject类元对象是:0x10248aea8
metaClass类元对象:0x102ce5198
metaOfMetaClass的类元对象的是:0x102ce5198
NSObject类元对象0x102ce5198

这个可以作图为

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看看SuperClass

在面相对象中，我们知道，子类调用一个方法，如果子类没有实现，会查找基类。OC作为一种面相对象的语言，当然支持这些。
我们依然写一段示例代码

   Class class = [CustomObject class];//类对象
    Class superClass = class_getSuperclass(class);//基类对象NSObject
    Class superOfNSObject = class_getSuperclass(superClass);//NSObject类元对象

    NSLog(@"CustomObject类对象是:%p",class);
    NSLog(@"CustomObject类superClass是:%p",superClass);
    NSLog(@"NSObject的superClass是:%p",superOfNSObject);

可以看到log

CustomObject类对象是:0x101792e88
CustomObject类superClass是:0x101fec170
NSObject的superClass是:0x0

由此，我们可以绘制继承关系图(图中nil的地址不对，不重新绘制了)

综合上述两个例子，我们绘制出完整的isa和superClass图

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提高方法查找机制效率－Class Cache

通过上文我们知道，在OC中，方法是通过isa指针，查找Class中的Method list来查询的。而一个类往往会实现很多方法，每次调用都查询一次Method list的分发表（dispatch table）的代价是很高的（因为，这种查询可能每个RunLoop就执行上亿次）。这也就引入了Class Cache.

Class Cache认为，当一个方法被调用，那么它之后被调用的可能性比较大。

举个例子，我们常见的alloc,init，调用顺序如下

    CustomObject * obj = [[CustomObject alloc] init];

• alloc是类方法，沿着isa找到CustomObject类元对象，发现没有实现alloc
• 沿着super，找到NSObject类元方法，执行alloc方法，并把alloc加入到NSObject类元对象的Class Cache中
• init是实例方法，沿着isa找到CustomObject的类对象，发现没有实现init
• 沿着super，找到NSObject类对象，执行init，并把init加入到NSObject的类对象Class Cache中

这里，再提一下alloc，init两个方法
alloc方法的文档

初始化isa，其他所有属性被设为0

init

NSObject的init返回self，其余的子类要调用[super init]进行必要的初始化工作。

为什么要放在一起写？

因为alloc和init有可能返回不同的对象

    id a = [NSMutableArray alloc];
    id b = [a init];
    NSLog(@"%p",a);
    NSLog(@"%p",b);

输出

0x7fc550400fb0
0x7fc5505523a0

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来看看为什么绝大部分对象都要继承自NSObject？

NSObject根类除了定义了一些基本的方法，例如，description，alloc。也定义了一些Runtime的基础方法，这里把一些不常用的列出来。并且，从上文的isa和superclass图来看，NSObject是整个消息机制的核心。

 //两个Runtime的接口－这个之后在method Swizzling中详细讲解
＋initialize //在一个类接收第一条消息之前的
＋load //在一个类对象加载到Runtime的时候调用

//检查是否可以向实力对象发送某消息
＋(BOOL)instancesRespondToSelector:(SEL)aSelector
－respondsToSelector:

//向对象发送消息
- (id)performSelector:(SEL)aSelector
- performSelector:withObject:
- performSelector:withObject:withObject:
...

//动态消息转发处理机制
＋resolveInstanceMethod:
- forwardingTargetForSelector:
- forwardInvocation:

到现在觉得这些函数熟悉吗？不熟悉，我还是建议回去好好研读下NSObject的文档。

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假如一个对象没办法处理实例方法怎么办？

这里，我们再一次抢到，Objective C的方法就是前两个参数是self和_cmd的C方法

void ocMethod(id self, SEL _cmd) {
    // implementation ....
}

在Objective中，对一个对象发送一个它没有实现的Selector是完全合法的，这样做可以隐藏某一个消息背后实现，也可以模拟多继承（OC不支持多继承）。这个机制就是动态转发机制。

主要包括三个函数

＋resolveInstanceMethod:
- forwardingTargetForSelector:
- forwardInvocation:

动态方法的机制第一步，类自己处理
使用resolveInstanceMethod
这个方法的文档

动态为实例方法提供一个实现
这个方法在Objective C消息转发机制之前被调用。如果 respondsToSelector或者instancesRespondToSelector: 被调用,可以为改Selector提供动态的实现者。

举个例子

#import "ViewController.h"
#import 

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
    [self performSelector:@selector(dynamicSelector) withObject:nil];
#pragma clang diagnostic pop

}

void myMehtod(id self,SEL _cmd){
    NSLog(@"This is added dynamic");
}

+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
    if (sel == @selector(dynamicSelector)) {
#pragma clang diagnostic pop
        class_addMethod([self class],sel, (IMP)myMehtod,"v@:");
        return YES;
    }else{
        return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
}

@end

简单介绍下，class_addMethod这个函数

BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

作用，为一个类添加实例方法
参数

• cls 想要添加的类对象
• name 添加后的方法Selector名字
• imp 具体的方法实现
• types 方法参数的编码,编码方式见文档

返回值

• YES 表示本类已经能够处理，NO表示需要消息转发机制。

第二部（第一步不能处理的情况下），调用forwardingTargetForSelector来简单的把执行任务转发给另一个对象，到这里，还是廉价调用

代码

#import "ViewController.h"
#import 

@interface CustomObject : NSObject
-(void)dynamicSelector;
@end
@implementation CustomObject

-(void)dynamicSelector{
    NSLog(@"hello world");
}
@end
@interface ViewController ()
@property (strong,nonatomic)CustomObject * myObj;
@end
@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.myObj = [[CustomObject alloc] init];
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
    [self performSelector:@selector(dynamicSelector) withObject:nil];
#pragma clang diagnostic pop

}

-(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
    if (aSelector == @selector(dynamicSelector) && [self.myObj respondsToSelector:@selector(dynamicSelector)]) {
        return self.myObj;
    }else{
        return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
    }
#pragma clang diagnostic pop

}
@end

第三步，当前两步都不能处理的时候，调用forwardInvocation转发给别人，返回值仍然返回给最初的Selector
代码

#import "ViewController.h"
#import 

@interface CustomObject : NSObject
-(void)dynamicSelector;
@end
@implementation CustomObject

-(void)dynamicSelector{
    NSLog(@"hello world");
}
@end
@interface ViewController ()
@property (strong,nonatomic)CustomObject * myObj;
@end
@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.myObj = [[CustomObject alloc] init];
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wundeclared-selector"
    [self performSelector:@selector(dynamicSelector) withObject:nil];
#pragma clang diagnostic pop

}
-(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    if ([self.myObj respondsToSelector:[anInvocation selector]]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:self.myObj];
    }else{
        [super forwardInvocation:anInvocation];
    }
}
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    return [CustomObject instanceMethodSignatureForSelector:aSelector];
}
@end

总结

消息转发机制使得OC可以进行”多继承”,比如有一个消息中心负责处理消息，这个消息中心很多个类都要用，继承或者聚合都不是很好的解决方案，使用单例看似可以，但单例的缺点也是很明显的。这时候，把消息转发给消息中心，无疑是一个较好的解决方案。

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Runtime能提供什么？

Runtime的文档

Runtime Programming Guide
Objective C Runtime Reference
Foundation 中的Runtime方法
NSObject文档（建议没有研读过的同学好好研究下每一个方法）

总的来说，Runtime能够提供增加，修改，删除，查询类（属性方法），协议，block。

举个例子－用SEL属性来动态执行方法

经常会根据后台的Json来执行不同的方法，一两个还好，如果是10个20个，用if else或者switch都是很坑爹的设计。

#import "ViewController.h"
#import 

@interface ViewController ()
@property (nonatomic)SEL methodToInvoke;

@end
@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    int a = arc4random() % 2;
    _methodToInvoke = NSSelectorFromString([[self numToSelector] objectForKey:@(a)]);
    #pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Warc-performSelector-leaks"
    [self performSelector:_methodToInvoke withObject:nil];
#pragma clang diagnostic pop
}
-(NSDictionary *)numToSelector{
    return @{@(0):@"method1",
             @(1):@"method2"};
}
-(void)method1{
    NSLog(@"method1");
}
-(void)method2{
    NSLog(@"method2");
}
@end

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实际开发中Runtime如何应用？

• 动态改变方法的执行体
• Method Swizzling
• NSSelectorFromString，NSClassFromString…
• 动态添加属性（主要是类别）
• 动态遍历属性和方法，动态为类添加方法（写Model类的wrapper很有用）
• 消息转发机制使得架构更容易

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后续会继续讲解Runtime的应用，欢迎关注我的博客
http://blog.csdn.net/hello_hwc