Objective-C Runtime（一）：类，对象与方法调用

拓展了 C 语言的 Objc 是一种动态的面向对象的语言，Objc 之所以能做到“动态”，就得宜于 Objc Runtime。Objc Runtime实际上是一个用 C 和汇编写的Runtime库，职责是运行时加载类的信息，进行消息的分发和转发。

对比 C 和 Objc：

C 是静态的，函数调用在编译期决定
OC 是动态的，函数调用实际是在发送消息，Runtime 负责在运行时期找到调用方法。

Objc 对象与类的定义

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

可见每个 Objc 对象都有一个 id 指针指向一个 objc_object 结构体， objc_object 结构体中又有一个指向对象Class的指针 isa，它实际上指向了一个 objc_class 结构体实例，即对象对应的类对象。

Objc 类对象

Objc Runtime中，无论是类的实例对象还是类本身，实际上都是以对象的形式存在。先来看一下类的数据结构：

/*Objc 类的数据结构*/
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
    // 指向metaclass
#if !__OBJC2__
    Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父类
    const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类名
    long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类的版本信息，默认为0
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量地址链表
    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定义地址链表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 最近调用过的方法地址缓存
    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 遵循的协议地址链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

isa：可以看出此处的 isa 也是一个指向 objc_class 的指针，证明了类也是对象。普通实例对象的 isa 指针指向的类结构实例称为class，保存类的普通成员变量和对象方法；class对象的isa指针指向的类结构实例则称为metaclass，保存类的static成员变量与static类型方法。metaclass 对象的isa指针则指向根 metaclass*（详见后文）

super_class：指向父类，类如果是顶层根类则为NULL

info：一些标识信息，如 CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class ；CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass

cache：缓存最近调用过的方法。对象收到消息的时候，runtime 会根据对象的 isa 指针去查找能响应这个消息的对象。实际上，对象的方法只有一部分是常用的，这种情况下每次都遍历一遍 methodLists 非常蠢。cache就可以解决这个问题，对象调用过一个方法后，该方法就会被存到cache列表中，下次调用的时候 runtime会优先去 cache中查找

类与对象的继承层次关系

之前提到普通实例对象的isa指针指向其class对象，class对象的isa指针指向metaclass对象，那么这三者之间的继承层次关系是怎么呢，引用一张著名的图：

Runtime下类和对象的继承关系.png

可以看出，metaclass 也是对象。从类结构的成员 info 中存有 class 或 metaclass 的标识，也可以看出，class 与 metaclass 共用一套数据结构。

值得注意的是：metaclass 对象的 isa 指针均指向 root metaclass，而 root metaclass的父指针又指向 root class，这就保证了可以通过 metaclass 对象访问所有方法。

Runtime 如何进行方法调用

在弄清 Objc 类结构以及对象与类，元类（metaclass）之间的关系之后，我们就可以来看看 runtime 是如何进行方法的调用的了。先来看一段函数调用的模拟编译代码：

id __strong obj = [[NSObject alloc] init];
/*对应编译模拟代码*/
id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
objc_msgSend(obj, @selector(init));
objc_release(obj);

可见Objc中的函数调用其实是通过objc_msgSend这个函数完成的。

objc_msgSend 方法

objc_msgSend 方法的调用流程如下：

selector调用流程.png

检查 selector 是否要忽略：如在ARC下，retain，release方法要被忽略。
target 是否为 nil：这就是为什么 Objc 中 nil 对象可以调用方法但不会崩溃的原因，因为在这一步就被忽略了。
查找方法IMP：通过方法的 SEL（可理解为方法的 ID）查找 IMP（函数指针，指向方法实现的首地址），SEL 与 IMP 在方法列表中以键值对的方式存储，查找流程为
（1）先根据对象的 Class 指针找到类对象；
（2）在类对象的 cache 和方法列表查找；
（3）在 superclass 中重复（2）（3）。
在（1）（2）（3）中一但找到实现，就跳到实现地址执行。
消息转发：当经过1，2，3还没找到IMP就要进行消息转发了，如果转发之后还无法找到能调用的方法程序将崩溃。

注：方法查找与消息转发的内容将在下几篇博客详细介绍。